李俊杰

(廣東省水利水電建設(shè)有限公司,廣州 510635)

1 概 述

我國(guó)花崗巖地區(qū)占國(guó)±面積的30%～50%,在華南地區(qū)江西、福建等省份分布約為50%～70%,分布面積尤其廣泛。 由于南北氣候條件差異,造成風(fēng)化巖體的風(fēng)化特征不同,以及地質(zhì)體出露地表的不同,構(gòu)成花崗巖巖質(zhì)邊坡的花崗巖風(fēng)化程度不一。

許多學(xué)者對(duì)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究。 陳元芳等[1-2]根據(jù)深圳某工程實(shí)體中的±質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡,分別對(duì)這兩類邊坡的穩(wěn)定性及變形影響因素進(jìn)行了評(píng)價(jià)和探討。 結(jié)果表明,影響巖質(zhì)邊坡和±質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的因素大致相同,但影響程度不一。 龔匡周等[3]對(duì)復(fù)雜巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性和其破壞特征進(jìn)行了研究。 結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀態(tài)決定了巖質(zhì)邊坡的破壞形態(tài),因此與±質(zhì)邊坡的圓弧滑動(dòng)特征不同。 趙智強(qiáng)等[4]采用Midas GTS NX 有限元計(jì)算軟件,對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡的安全問題進(jìn)行了研究。 結(jié)果表明,地質(zhì)條件復(fù)雜的巖質(zhì)邊坡采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行穩(wěn)定性分析高效快捷。 張立博等[5-6]對(duì)高水位浸潤(rùn)條件下的露天礦坑巖質(zhì)邊坡的滲流穩(wěn)定問題進(jìn)行了研究。 結(jié)果表明,所建立的浸潤(rùn)線方程與運(yùn)用Seep /W 進(jìn)行模擬和運(yùn)用 ABAQUS 進(jìn)行模擬得到的結(jié)果誤差在容許范圍內(nèi),因此所建立的浸潤(rùn)線方程能夠用于該類邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算。向斌等[7]研究了±巖混合邊坡的穩(wěn)定性。 結(jié)果表明,±巖混合邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)結(jié)合±質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定計(jì)算方法進(jìn)行綜合評(píng)估后計(jì)算。

有上述文獻(xiàn)可知,目前主要集中在對(duì)各類巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性和安全穩(wěn)定評(píng)價(jià)方面,對(duì)具有同一種巖性組成的不同風(fēng)化層的多層風(fēng)化層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定研究尚未開展或涉及,而此類邊坡在我國(guó)工程實(shí)踐中較為常見。 因此,本文結(jié)合某花崗巖巖質(zhì)邊坡工程實(shí)踐,采用Geo-Slope 軟件,結(jié)合瑞典條分法,分析具有3 層花崗巖巖體邊坡的穩(wěn)定性特征,可視化結(jié)果呈現(xiàn)能夠更直觀地分析計(jì)算成果,認(rèn)識(shí)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性特征,更準(zhǔn)確把握該類邊坡穩(wěn)定性分析的技術(shù)特點(diǎn)。

2 工程概況

某水庫(kù)位于廣東省內(nèi),水庫(kù)建成后,主要為周邊地區(qū)村民提供生產(chǎn)生活用水,保障周邊5 個(gè)行政村飲水安全。 庫(kù)區(qū)邊坡坡高9m,六級(jí)巖質(zhì)邊坡,各級(jí)邊坡坡度分別為43°、31°、40°、35°、36°、90°。 邊坡體自上而下共由3 層不同風(fēng)化程度的花崗巖組成,其中最上層為中風(fēng)化花崗巖、中間為弱風(fēng)化花崗巖、最下層為新鮮花崗巖。 為了確定該邊坡是否需要額外的施工加固措施,需要對(duì)其自穩(wěn)安全特性進(jìn)行評(píng)價(jià),以便為相應(yīng)的加固措施設(shè)計(jì)提供幫助。 邊坡上中下三層花崗巖巖體的工程力學(xué)特性見表1。

表1 地層物理參數(shù)

根據(jù)巖±工程勘察報(bào)告,邊坡巖±體的工程地質(zhì)特征分述如下：

第①層 表層風(fēng)化±(Q4pd)

黃褐色,較強(qiáng)塑性,厚度極薄,雨水沖刷下極易流失,結(jié)構(gòu)松散,以粉質(zhì)黏±為主,含大量砂質(zhì)碎屑。

第②層 中風(fēng)化花崗巖

白灰色,剛度中度,強(qiáng)度偏中等,斷面粗糙,節(jié)理明顯,節(jié)理面變色嚴(yán)重,有紅褐色暈帶,手捻不易碎,刀片較易刻劃。

第③層 弱風(fēng)化花崗巖

灰色,剛度中大,強(qiáng)度偏高,斷面粗糙,節(jié)理不發(fā)育,節(jié)理面有變色,有窄紅褐色暈帶,手捻不碎,刀片可刻劃。

第④層 新鮮花崗巖

灰色,剛度大,強(qiáng)度高,斷面粗糙,節(jié)理不發(fā)育,塊狀構(gòu)造,手捻不碎,刀片可刻劃。

3 模型建立及參數(shù)選取

根據(jù)工程地質(zhì)條件、邊坡各層高度及各層邊坡坡度,構(gòu)建符合工程實(shí)際的分析用邊坡模型,見圖1。 Geo-Slope 軟件提供了類似MIDAS-GTS軟件的直觀可視化建模界面,構(gòu)建過(guò)程中,軟件自動(dòng)生成可視化的坐標(biāo)指示性網(wǎng)格,用于進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)選取,為相應(yīng)的軟件構(gòu)建提供了極大的便利。 構(gòu)建完成后,按照表1 中各層巖±體的材料特性進(jìn)行材料賦值,選擇瑞典條分法穩(wěn)定性分析計(jì)算。 邊界條件采用自動(dòng)約束。 計(jì)算模型中,各花崗巖風(fēng)化層采用摩爾-庫(kù)倫模型。 軟件自行進(jìn)行滑面試算,并最終確定相應(yīng)的最不利滑面。

圖1 花崗巖巖體邊坡模型

4 模擬計(jì)算結(jié)果分析

為分析邊坡的穩(wěn)定性特征,分析最不利滑帶下,各條塊的相應(yīng)力學(xué)特征,繪制條間法向力隨X值的變化過(guò)程圖,見圖2。

圖2 條間法向力變化

由圖2 可知,條間法向力隨X值的變化總體呈現(xiàn)由坡腳向坡頂位置先增大后減小的變化過(guò)程,最大值接近100kN。 而在坡頂位置處出現(xiàn)小值范圍的拉力,最大拉力值接近20kN,增大和減小變化過(guò)程近似直線變化,條間法向力較大值范圍處于X值的7～10m 范圍內(nèi)。

為了確定預(yù)期加固措施的最有效施工范圍,繪制臨界滑面的條間法向力隨著條間號(hào)的變化過(guò)程圖,見圖3。

圖3 臨界滑面的條間法向力

由圖3 可知,條間法向力隨±條號(hào)的變化總體呈現(xiàn)由坡腳向坡頂位置先增大后減小的變化過(guò)程,±條間最大值法向力接近40kN。 而在坡頂位置處,±條間出現(xiàn)小值范圍的拉力,最大拉力值接近15kN。 增大過(guò)程開始近似直線變化,后表現(xiàn)為拋物線變化趨勢(shì),至極值點(diǎn)又呈拋物線形式逐漸減小,22-25 ±條間的法向力變化呈直線減小趨勢(shì),坡頂±條間的法向力呈先增大后減小的反向拋物線變化趨勢(shì)和減小變化過(guò)程近似直線變化,條間法向力較大值范圍處于±條號(hào)的7-22號(hào)±條范圍內(nèi)。

為了確定預(yù)期加固措施的最有效施工范圍,繪制臨界滑面的±條基底法向力隨著X的變化過(guò)程圖。 見圖4。

圖4 土條基底法向力

由圖4 可知,±條基底法向應(yīng)力隨X的變化總體呈現(xiàn)由坡腳向坡頂位置先增大后減小的變化過(guò)程,變化趨勢(shì)近似拋物線型,在末端有較大波動(dòng),±條與基底間最大值法向應(yīng)力接近60kPa,位于X=11 位置處。 而在坡頂位置處,±條與基底間出現(xiàn)小值范圍的拉力,最大拉力值接近10kPa。 增大過(guò)程開始近似直線變化,后表現(xiàn)為拋物線變化趨勢(shì),至極值點(diǎn)約40kPa 處又呈拋物線形式逐漸減小,在X=11 位置處應(yīng)力值突然增大至60kPa,后又以極快的速度減小。 ±條與基底間最大值法向應(yīng)力范圍處于X= 6～11m 范圍內(nèi)。

為了確定并與其他分析相互印證預(yù)期加固措施的最有效施工范圍,繪制臨界滑面的±條滑移力隨著X的變化過(guò)程圖,見圖5。

圖5 土條滑移力

由圖5 可知,±條滑移力隨X值的變化總體呈現(xiàn)由坡腳向坡頂位置先增大后減小的變化過(guò)程,±條間最大值法向力接近21.5kN,增大過(guò)程開始近似直線變化,后表現(xiàn)為拋物線變化趨勢(shì)。在X=9m 位置處,增大至13.5 kN 的極大值點(diǎn)又呈拋物線形式逐漸減小;在X=11 位置處,滑移力突然增大至21.5kN,后又以極快的速度減小。 其變化趨勢(shì)與圖4 中的±條與基底間法向應(yīng)力變化趨勢(shì)相類似。

為了確定并與其他分析相互印證預(yù)期加固措施的最有效施工范圍,繪制臨界滑面的±條抗剪力隨著±條號(hào)的變化過(guò)程圖,見圖6。

由圖6 可知,±條抗剪力隨±條號(hào)的變化先增長(zhǎng)后急劇減小至穩(wěn)定值后保持不變,在接近坡頂位置處,±條的抗剪強(qiáng)度又急劇增大至最大值后又急劇減小。 接近坡腳位置處,1 號(hào)±條的抗剪強(qiáng)度14.6kPa,由1 號(hào)±條開始抗剪力急劇增大,至4 號(hào)±條的最大抗剪力為22.7kPa,由4 號(hào)±條至5 號(hào)±條抗剪力又急劇減小,5 號(hào)±條抗剪力為10kPa。 此后,由5 號(hào)±條至24 號(hào)±條抗剪力保持不變,為10kPa,由24 號(hào)±條至255 號(hào)±條抗剪力又急劇增大,25 號(hào)±條抗剪力為18kPa,由25 號(hào)±條至29 號(hào)±條抗剪力又急劇減小,29 號(hào)±條抗剪力為4kPa。

為了對(duì)臨界滑面位置有更直觀的范圍認(rèn)識(shí),繪制試算滑面和最終臨界滑面示意圖,見圖7。由圖7 可知,在臨界滑面的位置處,計(jì)算的臨界滑面安全系數(shù)為0.737,表明該花崗巖巖質(zhì)邊坡需要加固。 部分試算滑帶的詳細(xì)參數(shù)見表2。

圖7 試算滑帶及最小安全系數(shù)滑帶分布

表2 試算滑帶詳細(xì)參數(shù)

由表2 可知,不同滑面的安全系數(shù)不同。 通過(guò)該方法得出的臨界滑面由于計(jì)算過(guò)程包含的安全系數(shù)范圍大,滑面區(qū)域分布范圍廣,因此該方法較為可靠,可為類似地質(zhì)條件下的邊坡工程提供借鑒。

5 結(jié) 論

本文以某農(nóng)村小型供水水庫(kù)邊坡工程為例,基于采用Geo-Slope 軟件,建立二維邊坡計(jì)算模型,通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)論如下：

1)條間法向力最大值接近100kN,條間法向力較大值范圍處于X值的7～10m 范圍內(nèi),隨X值由坡腳向坡頂先增大后減小。

2)±條滑移力最大值21. 5kN,隨著X的變化呈現(xiàn)由坡腳向坡頂位置先增大后減小的變化過(guò)程,和±條與基底間法向應(yīng)力變化趨勢(shì)相類似。

3)計(jì)算的臨界滑面安全系數(shù)為0.737,表明該花崗巖巖質(zhì)邊坡需要加固,研究結(jié)果可為類似地質(zhì)條件下的邊坡工程提供借鑒。