左 輝

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津300250）

1 地質(zhì)概況

桃林口水庫壩址區(qū)地貌屬構(gòu)造剝蝕低山區(qū)，右岸為舌狀山梁，北高南低，青龍河流入壩區(qū)后，河水流向由NE～SW向轉(zhuǎn)為NW～SE向。右岸為侵蝕岸，形成懸崖峭壁，河床地面高程為85m，右岸高程為210m。右岸邊坡底部建基面為74m高程，人工邊坡相對高差約136m，屬巖質(zhì)邊坡。

右岸出露巖性為震旦亞界長城系大紅峪組及少量第四系地層。建基面高程74m以下為大紅峪組第一段第一帶（Z1d11）灰綠、青灰色中厚層薄層板狀粉細(xì)砂巖；高程74～105m為第一段第二帶（Z1d12）青灰色薄層板狀粉細(xì)砂巖夾灰白色薄層石英砂巖；高程105～126m為大紅峪組第二段第一帶（Z1d21）青灰色板狀粉細(xì)砂巖與薄層石英砂巖互層；高程126～172m為大紅峪組第二段第二帶（Z1d22）灰白色、肉紅色中厚、厚層中細(xì)粒～粗粒石英砂巖夾薄層粉細(xì)砂巖；高程172～215m（坡頂）為大紅峪組第二段第三帶（Z1d23）灰白色、肉紅色厚層、中厚層石英砂巖；高程215.0m以上為大紅峪組第三段厚層、巨厚層礫巖、石英砂巖夾少量薄層灰?guī)r。

右岸地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，壩軸線上游250.0m內(nèi)分布有迭瓦式斷層構(gòu)造F103、F151～F154；壩軸線附近有F155等斷層。右岸邊坡節(jié)理裂隙亦較發(fā)育，其中以走向NW310°～320°，傾向NE，傾角60°的構(gòu)造節(jié)理為主。該組節(jié)理在岸坡部位出露時，則多發(fā)展成為卸荷裂隙。

2 右岸高邊坡定性穩(wěn)定分析

右岸壩肩從210m（上開口線）至74m高程（樁號0＋027～0＋158）包括2＃～4＃三個壩塊的側(cè)向穩(wěn)定，主要決定巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度，及其組合關(guān)系，是否有連續(xù)軟弱夾層等因素。

（1）利用赤平投影分析右岸壩肩巖體主要結(jié)構(gòu)面組合的不利因素對右岸壩肩穩(wěn)定的影響。

（2）選擇不利的剖面進行穩(wěn)定計算分析。

（3）對F103、F151斷層泥是否在高水頭作用下泥化產(chǎn)生管涌，破壞巖體的穩(wěn)定分析。

定性分析結(jié)果綜合評價右岸高邊坡巖體是穩(wěn)定。

3 右岸高邊坡三維彈塑性有限元穩(wěn)定分析

3.1 穩(wěn)定分析

天然狀態(tài)下邊坡的初始應(yīng)力；分次開挖后邊坡的三維彈塑性有限元分析與穩(wěn)定評價；分次錨固后，三維彈塑性有限元分析與穩(wěn)定性評價；正常水位。不設(shè)防滲帷幕的工況下，在滲流壓力作用下進行邊坡穩(wěn)定分析。

工程邊坡由初始狀態(tài)到施工開挖卸載、錨噴支護、大壩澆筑，以致蓄水運營，地下水條件和巖體應(yīng)力狀態(tài)都在變化，相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性也在改變，依不同工況時對邊坡安全系數(shù)進行計算與穩(wěn)定評價。

3.2 安全系數(shù)K的計算方法

從傳統(tǒng)的剛體極限平衡原理可知，安全系數(shù)K的計算方法為：

式中 S為總抗滑力；T為總滑動力。

按變形體彈塑性有限元求解，可以得到分析域內(nèi)任意單元的應(yīng)力，根據(jù)屈服準(zhǔn)則可以判別出潛在的最危險的滑移面，在可能的滑移面上，可求得每個單元的安全系數(shù)K1：

式中 S1為第一單元抗滑力，S1＝A1（σ1f1－C1）中A1，σ1，f1，C1分別為第一單元的面積、正應(yīng)力、摩擦系數(shù)和凝聚力；T1為第一單元滑動力。

3.2.1 總滑動力T的計算

對任意第i個單元的Si、Ti是矢量，對各個不同的單元，它的矢量方向是不同的，在邊坡的整體穩(wěn)定分析中，需求其總的合力效應(yīng)，總抗滑力S，總滑動力T。多數(shù)情況下，巖體失穩(wěn)是沿某一結(jié)構(gòu)面或幾個結(jié)構(gòu)面（成折線）滑動，我們可以在結(jié)構(gòu)面上設(shè)定一坐標(biāo)系，沿走向為x軸，沿傾向為y軸，把各單元的滑動力T1分解為T1x與T1y，可求得滑動合力T：

合力T的矢向θ為：

式中θ為合力矢量T與Y軸夾角，即最小抵抗線的方向。

3.2.2 總抗滑力S的計算

對各單元的抗滑力大小Si＝Ai（σifi＋Ci），它的方向與滑動力相反，同理可求得Si的矢量之和，得到總抗滑力S。求得總抗滑力S與總滑動力T后，用即可求得整體穩(wěn)定安全系數(shù)K。

3.3 有限元計算成果評價

不同工況計算出安全系數(shù)，計算中工況分為：初始狀態(tài)；開挖1；錨固1；開挖2；錨固2；水庫蓄水。根據(jù)不同工況計算與經(jīng)驗給出參數(shù)，共分1759個單元。其計算參數(shù)見表1。

表1 桃林口右壩肩巖體計算參數(shù)材料

計算時考慮如下幾點：

水位以下取飽和狀態(tài)物理力學(xué)參數(shù)，水位以上取干燥狀態(tài)的物理力學(xué)參數(shù)。Kc與Kf計算，考慮摩擦系數(shù)與凝聚力C的Kc計算，只考慮摩擦系數(shù)Kf的計算。

fmax位置變化的計算：因為fmax結(jié)構(gòu)面在邊坡穩(wěn)定分析中起控制性作用，一旦fmax結(jié)構(gòu)面在坡面出露，邊坡失穩(wěn)。為此，在分析中對fmax的位置向岸邊移動10m和15m作了Kc與Kf的分析，計算結(jié)果見表2。

3.4 邊坡的穩(wěn)定性評價

從表2計算結(jié)果可看出：

（1）壩址區(qū)邊坡走向約NW320°～325°，邊坡應(yīng)力分析的最小抵抗線方向多為NE69°，接近垂直邊坡走向，在第1次開挖、錨噴與水庫蓄水后，最小抵抗線方向偏轉(zhuǎn)為NE55°～60°，這與開挖荷載和滲流力接面力施加于fmax結(jié)構(gòu)面有關(guān)。

表2 不同工況邊坡安全系數(shù)

（2）安全系數(shù)Kc：隨著fmax結(jié)構(gòu)面位置的外移Kc值下降。就fmax設(shè)定的位置分析，在任何工況下，邊坡的穩(wěn)定性是可以保證的，因Kc的最小值為1.36。

由于fmax結(jié)構(gòu)面的位置不同，初始狀態(tài)的Kc值由1.79降至1.52與1.36，fmax向外移10m，Kc值下降約15%。

第1次開挖至146.5m高程后，Kc值從1.79，1.52，1.36提高到2.84，2.41，2.13，提高了約37%，由于對邊坡穩(wěn)定起控制作用的fmax結(jié)構(gòu)面傾角70°，坡頂卸載以后fmax面的滑動力下降值比抗滑力下降值大的多，故坡頂減載可以提高邊坡的穩(wěn)定性。

第1次噴錨后，對邊坡表層的巖體剛度有所提高，應(yīng)力分布有所調(diào)整，由于噴錨只加固了巖體表層，對邊坡的整體穩(wěn)定性影響不大，Kc值提高0.01～0.02，噴錨對邊坡表層的局部失穩(wěn)和防止巖體風(fēng)化有重要意義。

第2次開挖從146.5m挖至大壩建基面74.0m高程，這次開挖卸載是在邊坡的中部至坡腳，因此，安全系數(shù)Kc下降為2.37，1.97和1.71，與第1次開挖后比較，Kc值下降17%～20%，但與初始狀態(tài)Kc值相比，第2次開挖后的Kc值仍提高20%。說明按設(shè)計施工，邊坡開挖終結(jié)時，邊坡的整體穩(wěn)定性不僅沒有下降，反而有所改善。

第2次錨固后，Kc值也略有所提高，其值為0.01～0.02。

水庫蓄水后，在庫水位146.3m時，右壩肩地下水位與初始水位比較，平均水位提高20m，再附加滲流力作用下，Kc值下降為2.00，1.63和1.39，與第2次錨固后比較，Kc值下降17%～19%。與初始狀態(tài)比較，Kc還有所提高，提高幅度在10%以內(nèi)。

（3）安全系數(shù)Kf：在巖體力學(xué)參數(shù)中，摩擦系數(shù)f值比較穩(wěn)定，可信度高，凝聚力C值變化較大，一旦有裂隙存在，C值就大幅度下降，即保證率低，為此，作了純摩擦的安全系數(shù)分析。

隨著工況的變化與fmax位置的變化，Kf值的提高與下降的規(guī)律性與Kc相似，不再重復(fù)。

當(dāng)fmax位置外移15m時，初始狀態(tài)Kf＝1.01，邊坡的整體穩(wěn)定性處于極限狀態(tài)。

當(dāng)fmax位置外移15m時，水庫蓄水后，Kf＝0.85，不能滿足邊坡穩(wěn)定性的要求。做防滲帷幕后，帷幕下游水頭損失按70%考慮，地下水位比初始狀態(tài)水位還低，這時，對穩(wěn)定起控制作用的是初始地下水位，對應(yīng)第2次錨固后的工況Kf＝1.09，可滿足邊坡穩(wěn)定要求。

4 結(jié)語

（1）利用赤平投影分析，選擇不利的剖面進行穩(wěn)定計算分析，對F103、F151斷層泥是否在高水頭作用下泥化產(chǎn)生管涌，破壞巖體的穩(wěn)定分析，結(jié)果表明綜合評價右岸高邊坡巖體是穩(wěn)定的。

（2）利用三維彈塑性有限元穩(wěn)定分析右岸高邊坡巖體在各種工況下是穩(wěn)定的。

（3）對右岸高邊坡巖體穩(wěn)定性進行定性定量分析，為今后類似工程地質(zhì)條件建設(shè)場地提供借鑒意義。

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