柏俊磊

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 西安 710065)

在水電工程的邊坡問題分析中，往往會(huì)運(yùn)用到較多的數(shù)值計(jì)算分析，而影響巖土工程數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果的關(guān)鍵是采用的巖體力學(xué)參數(shù)的正確與否。但是在現(xiàn)實(shí)工程中，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行工程巖體參數(shù)選取時(shí)，往往會(huì)根據(jù)地質(zhì)提供的參數(shù)范圍，選取一組數(shù)值進(jìn)行計(jì)算分析，但地質(zhì)提供的參數(shù)有時(shí)往往是一定的取值參考范圍，具體的參數(shù)取值還需設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行確定，由于巖土體結(jié)構(gòu)本身存在的復(fù)雜性以及受外部環(huán)境影響較為敏感等諸多不確定因素的存在，如何選取較為準(zhǔn)確的計(jì)算參數(shù)一直是困擾設(shè)計(jì)人員的一個(gè)難題。

目前運(yùn)用較多的辦法是參數(shù)反演分析，采用反演分析可以綜合考慮諸多因素的影響，可以經(jīng)濟(jì)有效地得到合理的參數(shù)取值。目前常用的巖體參數(shù)反演分析方法有正反分析法、逆反分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[1-6]。筆者針對(duì)某水電站進(jìn)水口邊坡工程，采用極限平衡理論，以特定的安全系數(shù)為研究目標(biāo)對(duì)變形體巖體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反演分析，以準(zhǔn)確確定變形體的強(qiáng)度參數(shù)，為變形體乃至邊坡的穩(wěn)定性分析提供參數(shù)依據(jù)。

1 工程概況

該水電站位于瀾滄江上游河段，以發(fā)電為主。樞紐主要建筑物由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪建筑物、右岸地下引水發(fā)電廠房系統(tǒng)等組成。工程為Ⅱ等大(2)型工程，永久性主要水工建筑物(擋水建筑物、泄水建筑物、輸水發(fā)電系統(tǒng)建筑物等)級(jí)別為2級(jí)，次要建筑物(護(hù)坡、擋土墻等)級(jí)別為3級(jí)，臨時(shí)性水工建筑物級(jí)別為4級(jí)。

引水發(fā)電進(jìn)水口邊坡位于瀾滄江右岸，設(shè)計(jì)開挖邊坡最大高度約106 m。開挖邊坡走向SE110°與自然邊坡的走向基本一致。進(jìn)水口基巖裸露，洞臉邊坡巖體無全風(fēng)化，強(qiáng)風(fēng)化水平深度10～18 m，弱風(fēng)化上帶水平深度44～57 m，弱風(fēng)化下帶水平深度60～82 m。沿隧洞軸線巖體強(qiáng)卸荷水平深度3～25 m，弱卸荷水平深度27～44 m，洞臉上部邊坡卸荷及風(fēng)化深度隨高程增高逐漸加深。巖層走向與洞臉邊坡面的走向近垂直，傾角陡傾，對(duì)洞臉邊坡的整體穩(wěn)定有利。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)提供的資料顯示，在進(jìn)行水電站進(jìn)水口邊坡開挖過程中，進(jìn)水口邊坡設(shè)計(jì)開口線上方邊坡出現(xiàn)了多條裂縫和坍塌，局部形成倒懸，對(duì)目前施工和電站后期的運(yùn)行存在影響。根據(jù)相關(guān)資料及工程類比，傾倒變形體強(qiáng)風(fēng)化線以上部分和松動(dòng)體(淺層)屬于Ⅴ類巖體，強(qiáng)風(fēng)化線以下部分屬于Ⅳ2類巖體。

2 參數(shù)反演

2.1 計(jì)算模型

為了研究右岸進(jìn)水口軸線開挖邊坡開口線以上邊坡穩(wěn)定性，結(jié)合工程開挖設(shè)計(jì)和邊坡高度，選擇的計(jì)算典型地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 計(jì)算地質(zhì)剖面圖

為了減輕邊界效應(yīng)的影響，在1-1剖面的基礎(chǔ)之上對(duì)計(jì)算模型邊界范圍進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，X軸長(zhǎng)度為變形體水平投影長(zhǎng)度的4倍，Y軸高度為變形體豎直向投影長(zhǎng)度的5倍。計(jì)算邊坡在2 026.00～2 050.00 m高程坡比取為1∶0.6(設(shè)計(jì)下限值)，2 050.00 m高程以上坡比取為1∶0.8(設(shè)計(jì)下限值)，建立相關(guān)二維模型并進(jìn)行材料賦值，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型圖

2.2 建議參數(shù)計(jì)算驗(yàn)證

根據(jù)地質(zhì)建議值選取的巖體物理力學(xué)參數(shù)，利用上述計(jì)算模型，根據(jù)規(guī)范，利用slide軟件對(duì)變形體進(jìn)行各種工況的剛體極限平衡法分析時(shí)，計(jì)算方法宜選用簡(jiǎn)化畢肖普法(圓弧滑帶)和摩根斯坦法(指定滑帶)，計(jì)算結(jié)果如圖3、4所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)建議參數(shù)選取的巖體物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算的邊坡安全系數(shù)為自由搜索圓弧滑面為2.466，指定滑帶為2.973，不論是自由搜索滑帶還是指定滑帶，其安全系數(shù)值是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[7]中所規(guī)定的施工工況上限值1.05,甚至大于持久設(shè)計(jì)工況條件下邊坡安全系數(shù)上限值1.15。從這一點(diǎn)來講，說明該邊坡是穩(wěn)定的，在水電站進(jìn)水口邊坡開挖過程中，進(jìn)水口邊坡設(shè)計(jì)開口線上方邊坡應(yīng)該不會(huì)出現(xiàn)多條裂縫和坍塌，形成局部地方倒懸的疑似失穩(wěn)狀況。顯然用該建議參數(shù)計(jì)算的結(jié)果偏于保守，已不能完全反映邊坡目前的實(shí)際巖體力學(xué)性質(zhì)；同時(shí)考慮到右岸電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)開口線以上邊坡為傾倒巖體，巖性為砂質(zhì)、泥質(zhì)板巖與變質(zhì)砂巖，邊坡淺表部巖體破碎，穩(wěn)定性較差的實(shí)際情況，需要對(duì)邊坡巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，從而選取適應(yīng)于目前邊坡特征的力學(xué)參數(shù)。

圖3 建議參數(shù)計(jì)算結(jié)果圖(自動(dòng)搜索)

圖4 建議參數(shù)計(jì)算結(jié)果圖(指定滑帶)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)邊坡的傾倒變形體淺表部巖體破碎、穩(wěn)定性較差的實(shí)際情況，現(xiàn)確定僅對(duì)該巖質(zhì)邊坡表層的強(qiáng)度力學(xué)參數(shù)即粘聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值進(jìn)行分析選取，并結(jié)合文獻(xiàn)[7]中關(guān)于邊坡安全系數(shù)的規(guī)定，采用參數(shù)反演的方法進(jìn)行分析計(jì)算，并最終選定合適的強(qiáng)度力學(xué)參數(shù)用于后續(xù)計(jì)算。

2.3 參數(shù)反演分析思路

根據(jù)工程類比以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分析，判斷變形體可能的破壞模式為淺層滑動(dòng)或深層滑動(dòng)。根據(jù)規(guī)范，利用Side軟件對(duì)變形體進(jìn)行不同工況下的剛體極限平衡法分析時(shí)，計(jì)算方法宜選用簡(jiǎn)化畢肖普法。在參數(shù)反演分析中，以進(jìn)水口邊坡縱剖面反演為主。

常見的參數(shù)反演一般是以詳實(shí)的巖體變形或者應(yīng)力監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)，但對(duì)于該工程而言工程仍處于施工期，缺少上述相關(guān)監(jiān)測(cè)資料，給定的參數(shù)也只是一定范圍的建議值?；诖耍P者假定反演的對(duì)象在相應(yīng)工況下處于極限平衡狀態(tài)，并以規(guī)范規(guī)定的天然工況下的最低安全系數(shù)為反演目標(biāo)?？紤]到天然工況下邊坡的安全系數(shù)滿足要求并不能確定暴雨或地震等特殊不利工況下邊坡的安全系數(shù)滿足要求，因此對(duì)最不利工況下處于極限平衡狀態(tài)的巖體參數(shù)進(jìn)行反演，最后結(jié)合反演結(jié)果以及工程實(shí)際情況確定巖體的強(qiáng)度參數(shù)。

該工程進(jìn)水口邊坡為A類樞紐工程區(qū)邊坡，根據(jù)規(guī)模以及失穩(wěn)造成的損失程度，確定其Ⅱ級(jí)邊坡。根據(jù)水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)的規(guī)定和變形體的現(xiàn)狀，在參數(shù)反演分析中，天然工況安全系數(shù)取1.15，暴雨工況安全系數(shù)取1．05，地震工況安全系數(shù)取1.05。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]中關(guān)于邊坡在開挖完成后安全系數(shù)在1.05～1.15之間的取值規(guī)定，以及目前邊坡傾倒變形體的實(shí)際狀態(tài)，同時(shí)考慮到傾倒變形體淺表部巖體破碎、穩(wěn)定性較差的實(shí)際情況，將目前邊坡的安全系數(shù)選定為下限值1.05，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)反演分析。

3 反演結(jié)果分析

3.1 正交組合設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是分析因式設(shè)計(jì)的主要方法。是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

表1中參數(shù)為根據(jù)地質(zhì)建議提取的巖體物理力學(xué)參數(shù)，具體的適用性需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)一步通過計(jì)算驗(yàn)證。

變形體參數(shù)反演是基于表1中的參數(shù)取值范圍，按照正交設(shè)計(jì)的思路，內(nèi)摩擦角按照每2°一段劃分，黏聚力按照每20 kPa一級(jí)劃分，按照正交組合方式分成56組進(jìn)行試算，正交組合方式如表2所示。

表1 邊坡變形體巖體物理力學(xué)參數(shù)表

表2 變形體強(qiáng)度參數(shù)正交組合試驗(yàn)表

3.2 強(qiáng)度參數(shù)反演結(jié)果

為了保證參數(shù)反演的合理性，在反演之前首先根據(jù)傾倒變形體的實(shí)際狀態(tài)、結(jié)合建議參數(shù)計(jì)算結(jié)果中的滑帶位置以及相關(guān)的施工經(jīng)驗(yàn)確定可能的淺層滑帶區(qū)域作為指定滑帶，如圖1中推測(cè)蠕變底界所示。反演成果如表3所示。

表3 傾倒變形體淺層滑帶反演成果表

依據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果，作F-φ、F-c關(guān)系曲線分別如圖5、6所示。

結(jié)合反演分析的結(jié)果(如表3所示)，以及現(xiàn)場(chǎng)邊坡的傾倒變形體淺表部巖體破碎，穩(wěn)定性較差,電站進(jìn)水口邊坡開挖過程中，進(jìn)水口邊坡設(shè)計(jì)開口線上方邊坡出現(xiàn)了多條裂縫和坍塌，形成局部地方倒懸的實(shí)際情況，同時(shí)考慮1.05的安全系數(shù)，綜合考慮c值、φ值對(duì)邊坡安全系數(shù)的不同影響，可取變形體淺層強(qiáng)度參數(shù)為：c=80 kPa，φ=20°。利用該參數(shù)計(jì)算邊坡目前的穩(wěn)定系數(shù)如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)F=1.048，是小于1.05的，同時(shí)該參數(shù)下自由搜索最危險(xiǎn)滑帶的位置與推測(cè)蠕變底界基本吻合，說明該參數(shù)取值更能反映該邊坡傾倒變形體目前的實(shí)際情況，同時(shí)該參數(shù)取值明顯比地質(zhì)建議參數(shù)趨于保守，在該參數(shù)條件下設(shè)定的加固方案也會(huì)偏于安全。

圖5 F-φ關(guān)系曲線圖

圖6 F-c關(guān)系曲線圖

圖7 反演之后參數(shù)計(jì)算結(jié)果圖

3.3 強(qiáng)度參數(shù)反演結(jié)果驗(yàn)證

綜合上述反演結(jié)果可知，變形體巖體強(qiáng)度參數(shù)：c=80 kPa，φ=20°，顯然該參數(shù)滿足表1中建議參數(shù)值的取值范圍。再將該參數(shù)值賦予模型中進(jìn)行計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)，在施工工況下，自有搜索滑帶其安全系數(shù)為1.048，指定滑帶其安全系數(shù)為1.076，同時(shí)該參數(shù)下自由搜索最危險(xiǎn)滑帶的位置與推測(cè)蠕變底界基本吻合，說明該參數(shù)取值更能反映該邊坡傾倒變形體目前的實(shí)際情況，邊坡處于極限平衡狀態(tài)，同時(shí)該參數(shù)取值明顯比地質(zhì)初始建議參數(shù)小，在該參數(shù)條件下設(shè)定的加固方案也會(huì)偏于安全。

4 結(jié) 語

基于正交設(shè)計(jì)原理，運(yùn)用極限平衡方法，文章結(jié)合某水電站進(jìn)水口邊坡變形體參數(shù)反演分析為工程背景，運(yùn)用反分析的方法確定了合理的變形體巖體強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)，結(jié)果表明：

(1) 進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算時(shí)，合理的計(jì)算參數(shù)應(yīng)該結(jié)合工程實(shí)際，前期提供的地質(zhì)參數(shù)有時(shí)隨著工程環(huán)境的改變已不能準(zhǔn)確反映工程實(shí)際，因此需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程實(shí)際以及工程經(jīng)驗(yàn)重新確定合理的計(jì)算參數(shù)。

(2) 采用參數(shù)反分析的思想，在沒有相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以規(guī)范規(guī)定的相關(guān)工況下的最低安全系數(shù)要求為反演目標(biāo)，反演結(jié)果較為可靠，能為工程邊坡后續(xù)的穩(wěn)定性分析以及加固措施的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。