謝良甫,張佳琪,譚順利,王 博
(新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院,新疆烏魯木齊830046)
一般認(rèn)為,反傾斜坡穩(wěn)定性較好,不易產(chǎn)生貫通性的滑面,因而對(duì)其關(guān)注度遠(yuǎn)不如順層斜坡。然而,隨著人類(lèi)工程活動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)大,此類(lèi)邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題不斷凸顯,且發(fā)育規(guī)模巨大,嚴(yán)重威脅著工程建設(shè)[1]。大量工程案例表明,反傾巖質(zhì)斜坡變形破壞的一個(gè)典型特征是其彎曲折斷面一般需經(jīng)歷較長(zhǎng)的孕育時(shí)間,而一旦失穩(wěn),其破壞規(guī)模是巨大的,破壞程度也通常是非常劇烈的,危害相當(dāng)嚴(yán)重[2]。因此,研究反傾斜坡長(zhǎng)期時(shí)效變形演化特征,對(duì)反傾斜坡的防災(zāi)減災(zāi)具有重要的理論意義。
目前,對(duì)反傾邊坡變形演化研究主要借助工程地質(zhì)分析[3]、物理模型試驗(yàn)法[4-7]以及數(shù)值模擬法[8-11]。張國(guó)新等[12]采用數(shù)值流形法進(jìn)行了反傾斜坡傾倒變形破壞特征的模擬,并與離心機(jī)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析;任光明等[13]從河谷演化、成坡角度研究了反傾斜坡變形演化過(guò)程;羅勇和龔曉南[14]采用離散元UDEC軟件進(jìn)行了節(jié)理發(fā)育的反傾斜坡的變形破壞分析。這些研究成果的應(yīng)用一般需要較為豐富的工程經(jīng)驗(yàn)或較為完備的科研條件,多停留于理論層次,在實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目中難以推廣應(yīng)用。為此,本文依托具體工程實(shí)例,選用常用的極限平衡分析法[15-19],通過(guò)穩(wěn)定性的變化研究反傾斜坡的變形演化特征,研究成果更易于應(yīng)用于實(shí)踐。
反傾斜坡不同于一般滑坡,對(duì)其條分時(shí)必須依托現(xiàn)有的巖層結(jié)構(gòu)面,因此各條塊的邊界為不規(guī)則四邊形,現(xiàn)行規(guī)范建議的傳遞系數(shù)法難以準(zhǔn)確計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)。為此,本文選用Sarma法計(jì)算反傾斜坡穩(wěn)定性系數(shù)。
Sarma法是一種基于極限平衡法的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算方法,該方法既能夠滿足力的平衡,亦能滿足力矩的平衡。Sarma法假定的邊坡體破壞形式和力學(xué)模型見(jiàn)圖1。圖1中,E、X分別為單元條塊兩側(cè)在法向與切向的作用力;T為條塊底部切向作用力;U為條塊所受水壓力;N為條塊底部支撐反力;Wi為條塊自重;KcWi為Sarma法構(gòu)建的一個(gè)體積力;Fi為條塊所受外力。
圖1 Sarma法
根據(jù)條塊受力分析,體積力KcWi中的Kc是邊坡臨界加速度系數(shù),即ηb。假定滑坡體在該力的作用下處于極限平衡狀態(tài),分別對(duì)條塊水平和鉛垂線方向建立力的平衡方程得
Nicosαi+Ticosαi=Wi+Xi+1cosδi+1-Xisinδi-
Ei+1sini+1+Eisinδi
(1)
Ticosαi-Nisinαi=KcWi+Xi+1sinδi+1-Xisinδi+
Ei+1cosδi+1-Eicosδi
(2)
式中,αi為條塊底面與水平方向的夾角;δi為條塊左側(cè)邊界與鉛垂線方向夾角。
根據(jù)摩爾-庫(kù)侖破壞判據(jù),分別對(duì)條塊底部、左側(cè)、右側(cè)進(jìn)行受力分析,有
Ti=(Ni-Ui)tanφi+ci+bisecαi
(3)
(4)
(5)
Ei+1=ai-piηb+Eiei
(6)
由于式(6)是迭代循環(huán)式,故
En+1=an-pnKc+Enen
(7)
En+1=(an+an-1en)-(pn+pn-1en)Kc+En-1enen-1
(8)
進(jìn)一步迭代得
En+1=(an+an-1en+an-2enen-1+…)-Kc(pn+pn-1en+pn-2enen-1+…)+E1en-1en-2…e1
(9)
在無(wú)外荷載作用時(shí),En+1=E1=0,故KC可表達(dá)為
Kc=(an+an-1en+an-2enen-1+…+a1enen-1…e3e2)/
(pn+pn-1en+pn-2enen-1+…+p1enen-1…e3e2)
(10)
Sarma法在斜坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算過(guò)程中引入了邊坡臨界加速度系數(shù)Kc,在無(wú)地震動(dòng)荷載作用下,可類(lèi)似于強(qiáng)度折減法通過(guò)同時(shí)折減滑面、滑體的抗剪強(qiáng)度值,直至Kc趨于0,此時(shí)的折減系數(shù)即為斜坡穩(wěn)定性系數(shù)。
根據(jù)Sarma法計(jì)算原理,本文采用Matlab結(jié)合CAD編制Sarma法穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算程序,通過(guò)CAD提取各條塊角點(diǎn)坐標(biāo)和地下水位線坐標(biāo),并將坐標(biāo)信息導(dǎo)入Matlab中,計(jì)算不同折減系數(shù)F所對(duì)應(yīng)的Kc值。最后,通過(guò)Matlab中的CFtool工具進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,取Kc=0所對(duì)應(yīng)的折減值F,即斜坡的穩(wěn)定性系數(shù),見(jiàn)圖2。
圖4 勘察成果
圖2 穩(wěn)定性系數(shù)
中梁水庫(kù)斜坡位于重慶巫溪縣中梁水庫(kù)上游約1.2 km右岸,斜坡坡腳高程526 m、坡頂高程1 183 m,坡體寬約700 m,坡面溝谷發(fā)育,斜坡中前部坡度較陡,后部相對(duì)較緩。自水庫(kù)蓄水后,斜坡體不同部位出現(xiàn)了較為明顯的變形破壞現(xiàn)象。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查,中梁水庫(kù)斜坡為一典型反傾斜坡,斜坡體局部已發(fā)育形成一定規(guī)模的傾倒折斷面,目前折斷面尚未貫通,處于變形發(fā)展階段,急需對(duì)其變形演化方向做出準(zhǔn)確判斷。中梁水庫(kù)反傾斜坡變形特征見(jiàn)圖3。
圖3 反傾斜坡變形特征
圖5 反傾斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型
在地表地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上,分別通過(guò)瞬變電磁法、平硐三維激光掃描、鉆孔攝像等勘察成果(見(jiàn)圖4),獲取反傾斜坡傾倒變形范圍及巖層傾角隨深度變化規(guī)律。選取斜坡典型縱斷面(見(jiàn)圖5),構(gòu)建斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位直剪試驗(yàn)并結(jié)合室內(nèi)巖石試驗(yàn),獲取中梁水庫(kù)斜坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)。巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。
表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)
表2 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)
反傾斜坡傾倒變形演化過(guò)程實(shí)質(zhì)是穩(wěn)定性降低的過(guò)程,通過(guò)分析傾倒變形穩(wěn)定性演化路徑能在一定程度上表征傾倒變形的演化過(guò)程。根據(jù)Goodman-Bary理論,反傾斜坡發(fā)生變形的巖層條塊分為下部滑移區(qū)、中部?jī)A倒區(qū)和上部穩(wěn)定區(qū)(見(jiàn)圖6),圖6中,ΔL為條塊寬度;k為節(jié)理連通率;b為臺(tái)階高度。在傾倒變形演化過(guò)程中,穩(wěn)定區(qū)條塊將逐級(jí)發(fā)生傾倒成為傾倒塊體,而傾倒塊體傾角將進(jìn)一步增大,從而提供了更大的下滑力,進(jìn)而推動(dòng)滑移區(qū),使斜坡發(fā)生整體破壞。本文采用變化巖層傾倒傾角與傾倒條塊數(shù)2個(gè)變量分析反傾斜坡整體穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律。
圖6 反傾斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型
無(wú)外因作用下,反傾斜坡將在自重作用下其坡體一定范圍內(nèi)巖層塊體發(fā)生一定程度的傾倒變形。因此,在上述反傾斜坡穩(wěn)定性計(jì)算程序中,通過(guò)遍歷不同的傾倒條塊數(shù)和傾倒角度即可得出不同組合下反傾斜坡穩(wěn)定性系數(shù),采用插值法即可得出穩(wěn)定性系數(shù)云圖,見(jiàn)圖7。
圖7 斜坡傾倒變形演化路徑
從圖7可知,不同傾倒條塊數(shù)和傾倒角度的組合下,斜坡穩(wěn)定性系數(shù)主要變化范圍在1.26~1.50間。傾倒條塊數(shù)為120~175塊、傾倒角度為20°~40°時(shí),斜坡穩(wěn)定性系數(shù)最低。斜坡傾倒變形演化初期狀態(tài)為傾倒條塊數(shù)為0、傾倒角度為0,即坐標(biāo)原點(diǎn),從系統(tǒng)演化的角度分析,反傾斜坡會(huì)沿坐標(biāo)原點(diǎn)沿穩(wěn)定性系數(shù)降低最快、最短的路徑進(jìn)入穩(wěn)定性最低的區(qū)域。因此,以坐標(biāo)原點(diǎn)為初始點(diǎn),按穩(wěn)定性系數(shù)降低最短路徑,即可得出系統(tǒng)演化路徑。采用Goodman-Bary法分析當(dāng)前斜坡變形狀態(tài)時(shí),傾倒條塊和穩(wěn)定條塊的分界點(diǎn)位于第76個(gè)條塊,得出斜坡當(dāng)前傾倒條塊已發(fā)生約8°的偏轉(zhuǎn)傾角。此時(shí),斜坡穩(wěn)定性系數(shù)已演化至路徑拐點(diǎn)處,斜坡前期變形主要以?xún)A倒條塊數(shù)增加為主,后續(xù)演化將表現(xiàn)為傾倒條塊數(shù)和傾倒角度同步快速增加,表明變形在加劇,穩(wěn)定性加速降低。
實(shí)際中,反傾斜坡不可避免受到外因作用而加劇其變形演化。其中,地下水是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的一個(gè)最常見(jiàn)也是影響較為顯著的因素。因此,本文以庫(kù)水作用為例,分析外因?qū)Ψ磧A斜坡穩(wěn)定性演化路徑的影響。
受大壩調(diào)度庫(kù)水位會(huì)發(fā)生變化,由于Sarma法中沒(méi)有考慮水的動(dòng)水壓力,故本文將庫(kù)水位視為不變簡(jiǎn)化計(jì)算。在上述研究基礎(chǔ)上,從當(dāng)前斜坡演化階段開(kāi)始加入庫(kù)水作用,分析庫(kù)水作用加入前后反傾斜坡穩(wěn)定性演化路徑的變化情況。庫(kù)水作用下斜坡傾倒變形演化路徑見(jiàn)圖8。
圖8 庫(kù)水作用下斜坡傾倒變形演化路徑
從圖8可知,庫(kù)水作用加入后,斜坡穩(wěn)定性演化路徑發(fā)生輕微偏移,無(wú)顯著差異,但斜坡的穩(wěn)定性降低較明顯,平均降低約0.2左右。因此可以推斷,庫(kù)水因素只是降低了反傾斜坡各階段的穩(wěn)定性,但對(duì)其演化路徑影響較小,即只是加速了反傾斜坡的變形。
本文在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查與各種勘測(cè)技術(shù)成果的基礎(chǔ)上,獲取了反傾斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)剖面,利用Sarma法計(jì)算反傾斜坡傾倒變形穩(wěn)定性系數(shù),并通過(guò)穩(wěn)定性演化路徑研究了傾倒變形演化特征,得出以下結(jié)論:
(1)反傾斜坡傾倒變形穩(wěn)定性演化路徑拐點(diǎn)位于傾倒條塊數(shù)80塊(約斜坡整體條塊數(shù)的一半)、傾倒角度8°附近,拐點(diǎn)前后反傾斜坡變形特征差異較明顯。
(2)反傾斜坡傾倒變形前期變形方式表現(xiàn)為以?xún)A倒條塊數(shù)增加為主,條塊傾倒傾角增加較緩慢,因此宏觀上傾倒變形特征不夠明顯;進(jìn)入拐點(diǎn)后,其變形將發(fā)生較明顯轉(zhuǎn)變,表現(xiàn)為傾倒條塊數(shù)和傾倒角度同步快速增加,宏觀上呈現(xiàn)典型的傾倒變形特征。
(3)庫(kù)水等外因?qū)Ψ磧A斜坡穩(wěn)定性降低較明顯,但對(duì)穩(wěn)定性演化路徑的改變較小,表明庫(kù)水等外因只是加劇了反傾斜坡的變形速率,對(duì)其演化方向影響較小。