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        邊坡開挖對楔型巖塊穩(wěn)定性的影響

        2022-01-28 01:43:42秦邦民張莉萍許寶田
        江蘇水利 2022年1期
        關鍵詞:巖塊塊體節(jié)理

        秦邦民, 唐 波, 張莉萍, 許寶田

        (1.南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司, 江蘇 南京 210022; 2.南京大學地球科學與工程學院, 江蘇 南京 210046)

        根據(jù)南京城市防洪規(guī)劃,南京主城防洪標準為200年一遇,由于城市發(fā)展需要,大量跨河建筑物的興建,加上城市主要泄洪河道存在局部縮窄現(xiàn)象,目前城市河道行洪能力不足。為保障南京城市防洪安全,擬在城東地區(qū)新開一條河道(秦淮東河),分秦淮河上游來水,經七鄉(xiāng)河、九鄉(xiāng)河入長江。秦淮東河新開河道在江寧區(qū)銅家山段形成的人工邊坡長300m,最大高度接近70m。邊坡等級為Ⅰ級。故該段邊坡的穩(wěn)定問題是河道工程的關鍵技術問題[1-2]。本文從銅家山基本地質條件出發(fā),研究楔型體成因,利用離散元模擬坡形、結構面,以及開挖過程,對楔型滑動條件下的結構體變形發(fā)展趨勢和穩(wěn)定性問題進行相關探討。

        巖質邊坡穩(wěn)定性評價是進行加固設計方案確定的前提。掌握邊坡的可能失穩(wěn)模式將有助于進行穩(wěn)定計算時選擇合適的計算方法,同時也可與穩(wěn)定性計算得到的失穩(wěn)模式相互印證。巖質邊坡可能的失穩(wěn)模式通常根據(jù)巖體結構分為平面型、楔型、傾倒(崩塌)型和圓弧型(碎裂結構)[3]。基于赤平投影法、極限平衡穩(wěn)定性計算結果,南京秦淮東河工程銅家山邊坡開挖后形成規(guī)模較大的楔型體,其穩(wěn)定性對邊坡未來安全運行造成隱患。在開挖設計中必須對其變形和穩(wěn)定性做出正確的評價。實踐表明,考慮變形本構關系的離散元法(UDEC)對解釋塊體的變形機制,分析多組結構面組合條件下形成不同形狀結構體的變形和穩(wěn)定性問題效果良好[3-5]。

        1 工程地質條件

        銅家山邊坡地處南京市江寧區(qū)麒麟智慧園東、銅家山山體北側,東側緊靠繞越高速,該段以低山丘陵、崗地地貌為主,地勢起伏較大,中間高、兩端低(東、西側)。中部銅家山-塔山為低山丘陵區(qū),呈北東向展布,地勢起伏明顯,地面標高10.0~79.4 m(吳淞,下同)。山體外圍地貌類型以崗地為主,地勢起伏較緩,在山體西側表現(xiàn)為東高、西低,山體東側為西高、東低,兩側地面標高1 232 m,為第四系覆蓋區(qū)。為滿足秦淮東河河道泄洪需要,同時受鄰近建(構)筑物條件限制,需要對山體北側進行開挖,河道開挖形成高邊坡,最大絕對高差超過70 m,開挖邊坡長度約300 m。

        勘察揭示,該段邊坡內三疊系黃馬青組(T2h)地層厚度超過1 000 m,為影響邊坡穩(wěn)定性最主要的巖體,巖性以紫紅色泥質粉細砂巖為主,鐵質、泥質膠結,節(jié)理、裂隙發(fā)育,砂粒狀結構,層狀、塊狀構造,巖體中發(fā)育包括層面在內的多組結構面。銅家山邊坡中切割巖體形成楔型體的結構面主要包括層面和節(jié)理面,露頭范圍內未見有斷層。根據(jù)統(tǒng)計,優(yōu)勢結構面有以下4組:(1)層面,傾角28°~61°,傾向307°~335°;(2)節(jié)理組1,傾角72°~78°,傾向120°~133°;(3)節(jié)理組3,傾角48°~64°,傾向201°~212°(4)節(jié)理組4,傾角85°~90°,傾向65°~85°。銅家山邊坡地形地貌、地層及結構面基本地質特征如圖1,巖土基本物理力學性質指標見表1。

        表1 巖體物理、力學參數(shù)表

        2 楔型塊體成因

        2.1 邊坡開挖方案

        根據(jù)秦淮東河工程規(guī)劃設計方案,銅家山段現(xiàn)有地表標高約10~80 m,開挖后河底標高為3.0 m,河岸以下放坡坡比為1∶2.5,在8.0 m標高處設置寬2.5 m平臺,在13m標高設置寬10.0 m平臺,作為未來防洪通道,在平臺以上分2~3級放坡,在坡面臺階高度處設置2.0 m寬減壓平臺,平臺上下坡比設計為1∶1。結合現(xiàn)在地形及工程地質剖面,銅家山段河道開挖方案典型剖面如圖1所示。

        圖1 銅家山邊坡工程地質剖面示意圖

        2.2 邊坡破壞模式

        銅家山邊坡開挖的形態(tài)要素和巖體結構、力學條件主要作如下考慮:(1)邊坡傾向NE45°,且根據(jù)《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》(SL386—2007),在邊坡的平均坡度滿足抗滑穩(wěn)定要求下,邊坡開挖臺階坡比為1∶1(45°)~1∶0.5(63°);(2)巖體結構:根據(jù)前述分析,含層面在內共4組優(yōu)勢結構面。

        極射赤平投影法確定邊坡巖體沿結構面可能發(fā)生的破壞模式的判定方法(圖2),表明巖體有發(fā)生楔型塊體滑動的可能性。

        圖2 邊坡破壞模式確定

        圍成楔型體的結構面組合為層面(傾向NW)和節(jié)理組J1(傾向SE),層面傾角28°~61°,傾向307°~335°,節(jié)理(J1)傾角72°~78°,傾向120°~133°,兩組結構面交線產狀受結構面產狀變化影響,總體上傾向NE,傾角大約在30°~50°之間。在結構面交線傾角一定的情況下,坡面傾角越大,楔型體體積也越大,穩(wěn)定性越差,下滑力越大。

        滑體尺寸受坡角和坡高兩個因素控制:(1)當坡面傾角減小時,可能失穩(wěn)的結構體尺寸減??;(2)邊坡高度越小,滑體體積越小,邊坡開挖后,設置的臺階越多、臺階寬度越大,滑體體積越小。當坡面傾角大于27°時,銅家山邊坡即可能發(fā)生楔型或傾倒型破壞。

        3 離散元模擬

        3.1 離散元(UDEC)軟件及特點

        離散單元法(UDEC)興起于1971年,近50多年中已在巖土工程領域得到充分的發(fā)展與應用。與其他軟件不同,UDEC更加注重巖體中的裂隙、節(jié)理等不連續(xù)結構面對巖體工程的影響及邊坡的變形破壞過程[4-5]。

        UDEC自身內置多種變形體材料模型,如彈性模型、德魯克—普拉格塑性模型、庫倫—摩爾塑性模型等。節(jié)理模型包括:庫侖滑移模型、連續(xù)屈服模型、具有殘余強度庫侖滑移模型等。此外,UDEC還內置節(jié)理自動生成器,更加細化了節(jié)理化模型的建立。故離散單元分析法主要用于模擬離散型介質的數(shù)值模擬,能夠在反映巖塊之間的大位移的同時還可對其內部變形、應力進行計算分析,且不受巖體材料限制。大量工程實踐和研究成果表明,為了分析邊坡開挖后的變形和穩(wěn)定性發(fā)展趨勢,可采用塊體離散元法對其變形特征進行模擬[5]。

        3.2 銅家山邊坡幾何模型

        根據(jù)開挖前后山體幾何特征,建立相關幾何模型,模型長度400 m,寬度350 m,高度145 m,開挖臺階設置情況與前述邊坡開挖方案一致。

        坐標軸設置:y軸正方向為正N,x軸正方向為正E,z方向為垂直方向。開挖臺階走向NW(315°)-SE,開挖后坡腳標高3.0 m,東側坡底標高約30 m(自然標高),西側坡底標高約20 m,幾何模型如圖3。

        圖3 銅家山邊坡楔型體結構幾何模型

        4 楔型結構體開挖變形特征

        基于上述離散元模型,模擬兩種情況下銅家山邊坡穩(wěn)定性計算:(1)結構面切割圍成的塊體為剛體,結構體發(fā)生的變形或破壞主要位于結構面上,在模擬過程中塊體只發(fā)生位移或轉動,不發(fā)生形狀和體積的改變;(2)結構體為可變形塊體,結構面和塊體均可能發(fā)生變形或破壞。

        4.1 剛性體結構體變形特征

        結合極射赤平投影分析,受節(jié)理幾何和坡面幾何的影響,結構面切割形成的楔型體可分為以下兩種情況:(1)并排型楔型體,同一臺階高度范圍內,相鄰結構面形成的楔型體并排,并有相互嵌入情況,最上一級臺階內楔型體為標準“四面體”,體積受地形和節(jié)理間距影響而變化;(2)連串型楔型體:結構面切割形成的楔型體跨越至少2個(或多個)臺階,導致楔型體形狀為不規(guī)則四面體。

        對剛性結構體穩(wěn)定性進行分析時,輸入巖體重度,結構面剛度和強度參數(shù),對模型底部位移進行約束,模型東、西側和南、北側水平方向進行約束。在坡頂,上部兩個臺階上設置水平、垂直位移監(jiān)測點共3個。計算時只考慮巖體自重的影響,不考慮地震、地下水的影響,對開挖前巖體的自重應力進行計算后,將開挖前巖體變形設為0,13m標高以上臺階坡角設為45°,采用強度折減法計算出邊坡楔型體穩(wěn)定性系數(shù)為4.08,楔型體穩(wěn)定,無破壞跡象。

        在上述幾何模型中再加入J2(201°~212°∠48°~64°)節(jié)理組,力學參數(shù)取值與J1一致,計算得結構體的穩(wěn)定性系數(shù)小于1.0,結構體不穩(wěn)定。

        通過對巖體應力和變形進行計算,邊坡巖體變形結果見圖4,楔型體與兩側巖體之間發(fā)生明顯錯動,受J2節(jié)理組的影響,在J2節(jié)理兩側錯動不同步,且在J2結構面上有較大的拉裂和拉伸位移。表明該組節(jié)理對結構體的穩(wěn)定性影響大,滑動塊體形狀仍然為四面體形,滑動面還是位于層面和J1節(jié)理面,滑體的形狀和尺寸受結構面切割和坡形影響。在坡體和坡面中間(接近邊坡最高處)變形最為明顯,形成并排型滑動塊體。

        圖4 考慮3組結構面的巖體變形

        在邊坡中部沿切坡傾向上設置觀測剖面,計算3 000步后得該剖面上的位移等值線圖,見圖5,結合坡頂巖體沿結構面破壞特征,不穩(wěn)定結構體的滑動在坡面引起較大的變形,表明如不對坡面不穩(wěn)定塊體采取加固措施,則可能引起大范圍的巖體破壞,特別在結構面位置處有位移值突變現(xiàn)象(位移等值線呈不規(guī)則形狀)。

        圖5 邊坡巖體垂直位移等值線

        考慮13 m平臺以上放坡坡角為60°時,仍采取上述計算步驟,根據(jù)計算結果發(fā)現(xiàn),在只考慮層面和節(jié)理組J1時,邊坡穩(wěn)定,如加入節(jié)理組J2時,邊坡不穩(wěn)定,楔型結構體變形與破壞特征見圖6,滑動塊體的體積比45°放坡時大,計算同樣3 000步后,塊體變形量更大,沿J2節(jié)理組也發(fā)生較大的拉裂破壞。13 m標高以下坡面沒有楔型塊體滑動跡象,故河道開挖后邊坡的穩(wěn)定性問題主要集中在13 m平臺以上。

        圖6 塊體變形(13 m標高平臺以上60°放坡)

        4.2 彈塑性結構變形特征

        將巖塊視為可變形的彈塑性材料,對于一般的巖石力學問題如邊坡穩(wěn)定性和地下開挖,一般采用Mohr-Colum彈塑性模型。

        采用四面體網格對塊體進行劃分,假設塊體力學性質服從莫爾-庫倫強度準則,計算時輸入巖塊的抗剪強度、抗拉強度、體積模量和剪切模量,根據(jù)臺階設置,由上而下分4步(4級臺階)開挖,計算得不同開挖階段坡面位移變化,見圖7。第一級臺階開挖范圍較小,導致的坡面位移變化小,第二級臺階開挖導致的變形速率和變形量最大。與前面假設塊體為剛體相比,相應位置巖體的位移量要增大10 cm以上。

        圖7 坡面監(jiān)測點位移結果

        在邊坡中部沿切坡傾向方向設置觀測剖面,計算3 000步后得該剖面上的位移等值線圖見圖8,最大位移位置在13 m標高平臺以上坡面,巖體的變形仍主要發(fā)生在結構面附近,巖塊中也有明顯的變形。

        圖8 中間剖面水平位移等值線

        對13 m標高以上臺階按60°放坡考慮,計算得邊坡高度最大處橫切剖面上水平位移等值線,見圖9,坡面位移值比45°放坡時更大,沿J2結構面有剪切錯動現(xiàn)象。

        圖9 13 m標高以上臺階按60°放坡時水平位移

        根據(jù)3維模型的破壞特征可以看出巖體的破壞包括:

        (1)巖塊沿形成楔型體結構面的錯動(巖層層面和J1節(jié)理組),結構面強度低于巖塊強度,結構面組合條件下巖體首先沿結構面發(fā)生錯動;

        (2)側向結構面J2受拉力作用,加劇了巖體的破壞;

        (3)變形塊體內的完整巖塊的斷裂、崩塌,巖塊發(fā)生位移后,受力不均勻,發(fā)生彎曲折斷,巖塊進一步解體,發(fā)生崩塌;

        (4)13 m平臺以下巖體沿層面的張裂,如巖塊抗變形能力差,大角度開挖后側向變形大,13 m標高以下雖然放坡很緩,受側向擠壓,巖體沿擠壓方向發(fā)生張裂。

        5 結論與建議

        (1)結構面對巖質邊坡穩(wěn)定性影響很大,尤其計算楔型體穩(wěn)定性時,開挖面和層面、節(jié)理面等結構面的影響不容忽略。

        (2)離散元(UDEC)能很好地模擬巖體結構面的位移、變形以及應力特征,可用于分析邊坡開挖變形和穩(wěn)定性發(fā)展趨勢。

        (3)除開挖坡面外,影響銅家山高邊坡楔型巖塊穩(wěn)定的結構面主要為層面和J1、J2節(jié)理面。。

        (4)銅家山邊坡開挖后巖體變形邊界受結構面控制,邊坡穩(wěn)定性受巖體結構控制。在假設巖塊為可變形固體條件下,邊坡開挖后巖體側向位移比假設巖塊為剛體時大大增加,巖體發(fā)生變形后巖塊也可能發(fā)生破裂,加速了巖體的破壞,建議邊坡采取加固方案設計,從邊坡開挖對楔型巖塊變形特征和穩(wěn)定性影響綜合分析入手。

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