盧功臣，張興安

(陜西省水利電力勘測設(shè)計院勘察分院，陜西 咸陽 712000)

1 工程概況

瀝水溝渡槽是漢中石門水庫灌區(qū)渠首的重點建筑物，位于漢中市褒河瀝水溝口，為東干渠跨越瀝水溝的引水建筑物。距石門水庫壩區(qū)約2.1 km，渡槽設(shè)計輸水流量30 m3/s，加大流量32 m3/s，渡槽全長241.1 m，渡槽為予應(yīng)力薄殼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，最大建筑高度43.3 m，渡槽屬Ⅱ等工程3級建筑物。

1.1 工程地質(zhì)條件

瀝水溝渡槽位于瀝水溝入褒河流域處，為丘陵和低山地形，溝口有漢江三級階地分布，溝內(nèi)有褒河的一、二級階地。基巖出露于渡槽進出口兩岸山坡，大面積為人工堆積和第四系的土、石所覆蓋。

右岸邊坡在工程區(qū)總體呈近EW向展布，梁頂?shù)孛嫦蜃蟀秲A斜見圖1；右岸相對高差約79 m，屬中低山峽谷地形。右岸基巖邊坡傾向157°，自然邊坡坡角40°～60°，坡高約65 m，屬高邊坡；邊坡表層大部分基巖裸露，部分有少量坡積壤土覆蓋。邊坡上緩下陡，發(fā)育有5～33 m厚的傾倒(變形體)巖體，裂隙發(fā)育，地下水埋藏較深，主要位于未變形弱風(fēng)化綠泥石絹云母千枚巖中。

左岸山坡總體呈EW向展布，梁頂?shù)孛嫦蛳掠蝺A斜；左岸相對高差約80 m。自然邊坡坡角25°～40°，坡高約37 m，屬中邊坡，邊坡表部堆有大量施工期隧洞棄渣物見圖2。底部基巖發(fā)育有7～22 m厚的變形體巖體，裂隙發(fā)育，地下水埋藏較深，主要位于未變形弱風(fēng)化綠泥石絹云母千枚巖中。

圖1 右岸形態(tài)圖

圖2 左岸形態(tài)圖

1.2 物理地質(zhì)現(xiàn)象

本區(qū)地處漢江盆地西南部，地勢南高北低，海拔高程900～2 200 m，褒河由北向南僅湍流而下，河谷深切100～300 m，兩岸基巖裸露，階地不甚發(fā)育，僅局部有殘留堆積階地，岸坡陡峭，一般谷底寬度約50～150 m 。瀝水溝以上為丘陵區(qū)及中低山堆積地貌，河谷岸坡高傾角構(gòu)造結(jié)構(gòu)面發(fā)育，不穩(wěn)定巖體形成的崩塌及坡面不穩(wěn)定的滾石異常發(fā)育，山區(qū)坡麓分布著含壤土的砂、碎石組成的坡積及殘積物。河谷為漢江階地堆積地貌。沖溝口及支流出口，多發(fā)育著洪積扇，但規(guī)模均不大。測區(qū)內(nèi)物理地質(zhì)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)有基巖傾倒、滑坡、崩塌等。

1)傾倒巖體：主要出露于斜坡上的千枚巖，由于地形坡度較陡，巖層的片理走向與岸坡走向夾角小于45°，在重力其它外力作用下，局部巖體，傾倒變形，順層或逆層向坡外傾倒，形成的非構(gòu)造成因的地表巖層呈拖拉式變形，或地表撓曲。傾倒巖層的位移隨深寬愈來愈小，實際上是巖體長期蠕變的結(jié)果(見圖3)。

工程區(qū)范圍內(nèi)分布的基巖傾倒體有兩處：

(1)渡槽進口段傾倒體，長190 m，寬100 m。面積約19 000 m2，厚度5～20 m，呈NEE向長方形分布，向SE20～300(瀝水溝)傾倒。經(jīng)勘探查明：該傾倒體的結(jié)構(gòu)是，沿岸坡表層巖體深度5～15 m范圍巖性內(nèi)傾倒劇烈，巖石風(fēng)化破碎張裂，15 m以下傾倒微弱分界線不很明顯，屬于漸變狀態(tài)，巖體稍完整。巖層傾倒后產(chǎn)狀較亂，一般為10°～30°∠30～60°。(正常巖層的產(chǎn)狀為340°～355°∠70°～80°)。該傾倒體的厚度與范圍見圖3。(2)渡槽出口段傾倒體，長210 m，寬70 m，面積約15 000 m2。為一長方形，呈NEE向分布，向330°～340°方向傾倒，傾倒體內(nèi)巖層產(chǎn)狀混亂，一般為230°～250°∠35°～60°。

2)滑坡：工程區(qū)分布有兩處滑坡體，一處位于距渡槽進口約500.0 m渠道左岸山坡上，另一處位于瀝水溝口右岸基巖山坡上。巖性均為碎石質(zhì)壤土。兩處滑坡，遠離渡槽，目前穩(wěn)定，對渡槽安全無影響。

3)危巖：于渡槽進口段的左側(cè)邊坡上有一處危巖，長約100 m，寬約60 m，厚約 3～6 m，巖體十分破碎，巖石呈強～全風(fēng)化，地形坡度大于450，前緣因修公路人工削成陡坎，形成臨空面，后緣的 LO4張裂隙，伸延較長，垂直深度達6 m以上，寬10 cm左右，無充填物，在雨季易于灌水，當(dāng)巖石處于飽和狀態(tài)時，產(chǎn)生基巖滑坡的可能是存在的。

圖3 傾倒體圖

4)巖石風(fēng)化特征：測區(qū)范圍內(nèi)基巖的風(fēng)化程度可分為：全風(fēng)化帶、強風(fēng)化帶和弱風(fēng)化帶三種：

(1)全風(fēng)化帶：在傾倒巖體范圍內(nèi)，全風(fēng)化巖體的厚度一般0～2 m，局部可達3 m，巖石風(fēng)化后雖保持原巖的片理結(jié)構(gòu)，但已風(fēng)化成土狀．或碎片，石英脈已成碎石。

(2)強風(fēng)化帶：傾倒巖體范圍內(nèi)和深度到正常巖層1 m左右，均為強風(fēng)化帶，厚度達10～20 m，在傾倒體范圍以外，其厚度為3～15 m。該巖體多呈碎塊狀，節(jié)理面均具鐵銹色、石英巖節(jié)理面上多見銹斑，錘擊即成碎屑。

(3)弱風(fēng)化帶：傾倒體分界線1 m以下的正常巖層和傾倒體以外地段的深度3～15 m以下巖層為弱風(fēng)化帶。巖體較完整、堅硬、裂隙減少，巖石斷口新鮮，強度較高。

1.3 地層參數(shù)

整個工程的剖面圖如圖4所示。其中不同地層相應(yīng)的參數(shù)如表1所示。

表1 各巖土層參數(shù)取值表

2 穩(wěn)定性計算

瑞典條分法又稱為費倫紐斯法，該法假定土坡沿著圓弧面滑動，并認為土條間的作用力對土坡的整體穩(wěn)定性影響不大，可以忽略，即假定土條兩側(cè)的作用力大小相等、方向相反且作用于同一直線。瑞典條分法假設(shè)滑動面為圓弧面，將滑動體分為若干個豎向土條，并忽略各土條之間的相互作用力。按照這一假設(shè)，任意土條只受自重力Fwi，滑動面上的剪切力FTi和法向力FNi，如圖5所示。將Fwi分解為沿滑動面切向方向分力和垂直于切向的法向分力，并由第i條土的靜力平衡條件可得FNi=Fwicosθ，其中，F(xiàn)wi=bi(γ1ih1i+γ2ih2i+…+γkihki)，bi為第i個土條寬度。

設(shè)土坡安全系數(shù)為Ks，它等于第i個土條的安全系數(shù)，由庫侖強度理論有

(1)

式中：FTi為土條i在其滑動面上的抗力；Ks為土坡和土條的安全系數(shù)。

按整體力矩平衡條件，滑動體ABC上所有外力對圓心的力矩之和應(yīng)為0。在各土條上作用的重力產(chǎn)生的滑動力矩之和為

(2)

滑動面上的法向力FNi通過圓心，不引起力矩，滑動面上設(shè)計剪力FTi產(chǎn)生的滑動力矩為

(3)

由于極限情況下抗滑力矩和滑動力矩相平衡；所以令上述兩式相等，則

(4)

該工程地層物質(zhì)成分主要為人工堆積物和千枚巖的風(fēng)化體，滑動面應(yīng)與風(fēng)化界線相似，由于邊坡變形破壞形式，為局部崩塌或滑動(傾倒巖體)，邊坡先期傾體已產(chǎn)生變形，下部未變形弱風(fēng)化巖體為邊坡破壞下限，最不利滑面假定位于傾倒巖體與穩(wěn)定巖體邊界進行計算。本次邊坡穩(wěn)定計算采用條分法計算，在右岸和左岸邊坡分別選取最危險滑面進行計算。每個滑面分為20個條塊，按非地震和地震兩種工況條件進行計算。根據(jù)各巖土不同抗剪強度指標(biāo)，具體取值見表1，分析計算最危險滑面的安全系數(shù)Ks，計算結(jié)果如表2。

圖4 瀝水溝渡槽(Ⅰ—Ⅰ’)工程地質(zhì)剖面圖

位置安全系數(shù)Ks非地震地震左岸邊坡1．881．75右岸邊坡1．030．98

從計算結(jié)果看，左岸邊坡整體穩(wěn)定系K≥1.62，由此說明左岸邊坡基本穩(wěn)定。但是右岸天然狀態(tài)下穩(wěn)定系數(shù)為1.03左右，安全系數(shù)偏低，說明邊坡處于極限狀態(tài)；在地震條件下計算發(fā)現(xiàn)安全系數(shù)小于1處于不平衡狀態(tài)。由于該工程地處地殼板塊運動活躍地區(qū)，2008年發(fā)生汶川地震時，屬于受災(zāi)區(qū)；因此該工程在施工過程中需要進行相應(yīng)的護坡處理，防止在地震條件下出現(xiàn)護坡等地質(zhì)災(zāi)害，對于工程安全造成威。

圖5 條分法計算示意圖

3 FLAC 3D數(shù)值模擬分析

3.1 模型范圍和參數(shù)取值

采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件[2]，根據(jù)工程地質(zhì)條件對于該邊坡剖面進行建模，如圖6所示。

3.1.1 參數(shù)取值

本次所用的物理力學(xué)參數(shù)采用勘察工作成果，主要參數(shù)詳見表1。

3.1.2 范圍及邊界條件的確定

本次模擬建立與圖4剖面圖1:1等大的模型。

模型邊界條件約束如下：

(1)固定模型左右兩邊的X方向位移。

(2)固定模型下底X、Y、Z方向的位移，即模型下邊界為全約束邊界

(3)固定模型Y方向全部的位移。

計算中首先采用彈性模型，模型初始地應(yīng)力，然后采用莫爾庫侖模型進行計算。

3.2 計算分析穩(wěn)定性

3.2.1 自然狀態(tài)下安全系數(shù)計算分析

在自然狀體下計算，利用FLAC 3D軟件自帶邊坡穩(wěn)定性分析方法折減法計算該邊坡邊坡穩(wěn)定性，在自然狀態(tài)安全系數(shù)計算結(jié)果為結(jié)果1.01，軟件計算結(jié)果與條分法計算結(jié)果1.03接近，說明該坡體確實處于極限平衡狀態(tài)。從圖7可以看出，發(fā)生塑性變形的地方與弱風(fēng)化下線一致，也就是未來出現(xiàn)滑移時候的滑移面。

圖6 瀝水溝渡槽改線工程剖面模型圖

3.2.2 自然狀態(tài)下應(yīng)力分析

自然狀態(tài)下，計算平衡后邊坡體的各個應(yīng)力狀體如圖8～圖11。

圖7 安全系數(shù)及塑性變形位移云圖

圖8 最大主應(yīng)力等值云圖(單位pa)

圖9 最小主應(yīng)力等值云圖(單位pa)

圖10 方向應(yīng)力等值云圖(單位Pa)

圖11 方向應(yīng)力等值云圖(單位Pa)

通過圖8～圖11比較發(fā)現(xiàn)最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力變化較為平緩，并沒有出現(xiàn)特別明顯的突變。說明在自然狀態(tài)下，該邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖12 最大切應(yīng)力等值云圖(單位Pa)

通過圖12最大切應(yīng)力圖，發(fā)現(xiàn)在最大切應(yīng)力變化較大的地方與弱風(fēng)化下線基本吻合，因此如果發(fā)生滑動那么在滑移面最可能出現(xiàn)的位置就是弱風(fēng)化下線的這個面。通過數(shù)值模型得出的結(jié)果與之前勘察得出的結(jié)果一通致，相互驗證了其準(zhǔn)確性。從圖13中強度與應(yīng)力之比看出，比值為1的線基本上也與弱風(fēng)化下線一致，與之前計算出的安全系數(shù)K=1.03結(jié)果一致。

圖13 強度與應(yīng)力之比等值云圖

3.2.3 地震狀態(tài)下位移圖

在模型右邊界施加一個2008年汶川地震的地震波，計算10 s之后得到如圖14的位移圖。

圖14 地震狀態(tài)下位移等值云圖(單位m)

通過圖14看出，在汶川地震的地震波作用下，整個邊坡出現(xiàn)較大位移，而且破壞。因此如果發(fā)生地震，該邊坡很有可能出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)，甚至大范圍滑坡的情況。

3.2.4 邊坡穩(wěn)定性分析[3]

通過數(shù)值模擬分析，得到以下結(jié)論

(1)自然狀態(tài)下，折減法計算出的安全系數(shù)K=1.01，與條分法計算結(jié)果K=1.03，一致。

(2)自然狀態(tài)下，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力沒有明顯突變，說明邊坡暫時處于穩(wěn)定狀態(tài)，與實際工程情況一致。

(3)自然狀態(tài)下，最大切應(yīng)力變化較大的區(qū)間與弱風(fēng)化下線基本一致，說明如果滑動，滑移面就是弱風(fēng)化下線這個面。

(4)強度與應(yīng)力之比為1的值與弱風(fēng)化下線基本一致，說明邊坡處于極限平衡狀態(tài)。

(5)在地震狀態(tài)下，邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)，滑坡等情況。

4 結(jié)語

本文通過通過FLAC 3D數(shù)值模擬與條分法[4]對于石門水庫灌區(qū)瀝水溝渡槽兩岸傾倒體穩(wěn)定性進行了分析。兩種方法結(jié)果都證明了該邊坡處于極限平衡狀態(tài)，對于工程安全存在較大風(fēng)險，并且通過數(shù)值模擬得出地震條件下將會出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

通過對于FLAC 3D模擬結(jié)果的分析，得出了如果邊坡發(fā)生失穩(wěn)，其滑移面可能出現(xiàn)的位置，對于之后工程的后續(xù)施工與處理提供了參考的依據(jù)。

[1]鄭穎人,趙尚毅．有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2004.23(19):3381-3388.

[2]謝建華,夏斌,徐振華,等.數(shù)值模擬軟件FLAC及其在地學(xué)應(yīng)用簡介[J].地質(zhì)與勘探.2005.41(2):77-80.

[3]李靜.滑坡穩(wěn)定性評價研究綜述及思考[J].西部探礦工程.2006.18(8):278-280.

[4]曾亞武，田偉明.邊坡穩(wěn)定性分析的有限元法與極限平衡法的結(jié)合[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2005.24(A02):5355-5359.