黃培杰 房敬年 左旭軍
(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)
極限平衡法在某水電站邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用
黃培杰 房敬年 左旭軍
(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)
通過運(yùn)用三種常見的極限平衡法對某工程邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,得到邊坡潛在滑面以及邊坡安全系數(shù),對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià),并結(jié)合強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。
極限平衡法,邊坡穩(wěn)定性,安全系數(shù)
極限平衡法是目前邊坡穩(wěn)定性分析中采用的最常用的方法,極限平衡法是基于力平衡的觀念來分析邊坡的整體穩(wěn)定性,經(jīng)由力的平衡計(jì)算,可計(jì)算出邊坡的整體安全系數(shù)。多數(shù)情況下,邊坡穩(wěn)定性的問題是非靜定的,其解決方法是引入一些簡化假定,使問題變得靜定可解。極限平衡法的優(yōu)點(diǎn)是可以快速、簡便地得到滑動(dòng)面的位置與安全系數(shù),但是這種方法只能提供宏觀的穩(wěn)定性,并沒有考慮巖土體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系,因此無法對邊坡的應(yīng)力分布、變形大小作全面的分析[1-4]。
極限平衡法中的Bishop法、Janbu法和Morgenstern-Price法等都是基于條分法理論[5]。這些方法的基本出發(fā)點(diǎn)都是一樣,即假定滑動(dòng)體是理想塑性材料(以Mohr-Coulomb準(zhǔn)則為基礎(chǔ)),同時(shí)把滑體作為一個(gè)剛體,按極限平衡的原則進(jìn)行力的平衡分析,而不考慮滑動(dòng)體本身的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。上述各種方法最大的不同之處在于相鄰條塊間的內(nèi)力作用假定有差異,也就是如何增加已知條件使超靜定問題變成靜定問題。
選取某水電站工程邊坡的典型剖面進(jìn)行分析,該二維計(jì)算邊坡剖面坐標(biāo)系X軸方向約為:N107°E,坐標(biāo)軸Y方向以鉛直方向?yàn)檎?。剖面?jì)算范圍為:X向取311 m,Y向自高程587.5 m至高程為853.9 m。結(jié)合邊坡工程地質(zhì)特點(diǎn),建立如圖1所示的數(shù)值模型,模型左右邊界采用X方向約束的邊界,底部采用固定邊界,邊坡涉及的巖土體材料采用摩爾庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。
該邊坡穩(wěn)定分析考慮的主要荷載有:自重、地下水滲透力、車荷載和地震荷載等,計(jì)算工況共考慮六種荷載組合,分別為:
工況一:自重+地下水+車荷載(未加支護(hù))。工況二:自重+地下水(暴雨時(shí))+車荷載(未加支護(hù))。工況三:自重+地下水(暴雨時(shí))+車荷載+地震(未加支護(hù))。工況四:自重+地下水+車荷載(支護(hù)加上)。工況五:自重+地下水(暴雨時(shí))+車荷載(支護(hù)加上)。工況六:自重+地下水(暴雨時(shí))+車荷載+地震(支護(hù)加上)。
計(jì)算剖面所涉及的巖土體主要有:河床沖、洪積物,坡積土,強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化紫紅色鈣質(zhì)粉砂巖,粉砂質(zhì)泥巖,微風(fēng)化紫紅色鈣質(zhì)粉砂巖以及粉砂質(zhì)泥巖。其物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。
表1 邊坡巖土體力學(xué)指標(biāo)建議值
對于坡面系統(tǒng)錨桿,主要采用兩種方法進(jìn)行處理。一種是直接施加錨桿支護(hù),不考慮巖土體抗剪強(qiáng)度的加強(qiáng);另一種是采用等效的方法進(jìn)行處理,即認(rèn)為系統(tǒng)錨桿增強(qiáng)了加錨巖體的抗剪強(qiáng)度,增強(qiáng)后的抗剪強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)的選取按照下式的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行:
其中,C0,φ0分別為加錨前巖體的粘聚力和內(nèi)摩擦角;C1,φ1分別為加錨后巖體的粘聚力和內(nèi)摩擦角;τ為錨桿材料的抗剪強(qiáng)度,120 MPa;s為錨桿的截面積;a,b分別為錨桿的縱、橫向間距;η為綜合系數(shù),一般取10~15,為反映錨桿作用效應(yīng)大小的參數(shù),對于軟巖取大值,硬巖取小值,對于此處擾動(dòng)的坡面巖體取中值12.5。
預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)分成錨固段、自由段和錨頭段。根據(jù)錨索的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),錨索的自由段只承受拉力作用,錨索的錨頭段固定于錨墩。所采用的錨索設(shè)計(jì)方案為:1 000 kN級和1 500 kN級,水平下俯15°。錨索的幾何與力學(xué)參數(shù)分別為:彈性模量為200 GPa,抗拉強(qiáng)度為2 215 kN,鋼絞線的公稱直徑為15.2 mm,錨索鉆孔直徑為130 mm,錨固段長度8 m。
圖2和圖3分別為極限平衡法條件下邊坡工況三(未施加支護(hù))和工況六(施加錨索支護(hù)后)的滑動(dòng)面示意圖。從圖中可以看出,在施加預(yù)應(yīng)力錨索及錨桿后,由于錨索對邊坡體的加固作用,改變了潛在滑面的形式,潛在滑動(dòng)面的范圍變大,由原本比較脆弱的表層強(qiáng)度較低的坡積土及強(qiáng)風(fēng)化巖向基巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移,但是可以看出,大大降低了滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。
表2為施加支護(hù)和不施加支護(hù)兩種情況共六種工況下邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果,天然工況、暴雨工況以及暴雨+地震工況下的邊坡安全系數(shù)呈遞減趨勢,即影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素是地震和暴雨。此外,從表2中可以看出,強(qiáng)度折減法求得的安全系數(shù)和極限平衡法求得的安全系數(shù)很接近,說明兩種計(jì)算邊坡穩(wěn)定性方法的可行性。由計(jì)算結(jié)果可以明顯看出,極限平衡法求得的邊坡安全系數(shù)要大于強(qiáng)度折減法計(jì)算出的邊坡安全系數(shù),極限平衡法求得的結(jié)果偏于不安全,因此在利用極限平衡法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性時(shí)要有一定的安全儲(chǔ)備。同時(shí)從表2可以看出,Bishop法、Janbu法和M-P法的安全系數(shù)逐漸增大,可見Bishop法計(jì)算邊坡安全系數(shù)最為安全。
表2 各工況下邊坡安全系數(shù)表(以公路以上邊坡為例)
運(yùn)用極限平衡法得到了邊坡潛在滑動(dòng)面形態(tài)及邊坡安全系數(shù),對比分析了極限平衡法中常用的三種方法Bishop法、Janbu法和M-P法所求得的安全系數(shù),并與強(qiáng)度折減法進(jìn)行對比。得出極限平衡法求得的邊坡安全系數(shù)要大于強(qiáng)度折減法計(jì)算出的邊坡安全系數(shù),并且Bishop法、Janbu法和M-P法的安全系數(shù)逐漸增大,可見Bishop法計(jì)算邊坡安全系數(shù)最為安全。
[1] 方建瑞,朱合華,蔡永昌.邊坡穩(wěn)定性研究方法與進(jìn)展[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2007(2):343-349.
[2] 鄭穎人,趙尚毅,時(shí)衛(wèi)民,等.邊坡穩(wěn)定分析的一些進(jìn)展[J].地下空間,2001(4):262-271,337-338.
[3] 陳祖煜,彌宏亮,汪小剛.邊坡穩(wěn)定三維分析的極限平衡方法[J].巖土工程學(xué)報(bào),2001(5):525-529.
[4] 林 峰,黃潤秋.邊坡穩(wěn)定性極限平衡條分法的探討[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),1997(4):9-13.
[5] 陳昌富,朱劍鋒.基于Morgenstern-Price法邊坡三維穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工報(bào),2010(7):1473-1480.
Theapplicationoflimitequilibriummethodinslopestabilityanalysisofahydropowerstation
HuangPeijieFangJingnianZuoXujun
(TheYellowRiverSurveyandDesignLimitedCompany,Zhengzhou450003,China)
Through the application of three common limit equilibrium methods calculated the slope stability of a engineering, gained the slope potential slide surface and slope safety coefficient, evaluated the slope stability, and combining with the strength reduction calculation results made comparison and analysis.
limit equilibrium method, slope stability, safety coefficient
1009-6825(2017)23-0078-02
2017-06-07
黃培杰(1984- ),男,工程師; 房敬年(1982- ),男,工程師; 左旭軍(1981- ),男,工程師
TU413.62
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China
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Through the application of three common limit equilibrium methods calculated the slope stability of a engineering, gained the slope potential slide surface and slope safety coefficient, evaluated the slope stability, and combining with the strength reduction calculation results made comparison and analysis.
limit equilibrium method, slope stability, safety coefficient
1009-6825(2017)23-0078-02
2017-06-07
黃培杰(1984- ),男,工程師; 房敬年(1982- ),男,工程師; 左旭軍(1981- ),男,工程師
TU413.62
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