錦屏一級水電站碼頭營地危巖體的穩定性分析

宋 慧,楊 濤,秦永濤

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072;2.西南交通大學 巖土工程系,四川 成都 610031)

1 前 言

錦屏一級水電站大壩壩高 305 m,正常蓄水位為 1880 m,電站裝機容量為 3200 MW,庫容為 77億 m3,是雅礱江流域規劃擬建的最大庫容水電站。該水電站地處青藏高原向四川盆地過渡的斜坡地帶,河床高程為 1625～1640m,河床比降為 3‰左右,沿河兩岸山勢陡峻,呈典型高山峽谷地貌景觀。

碼頭營地邊坡(約壩 1+182～1+291m,高程1655～1718m)位于泄洪霧化區內,該段邊坡為兩個小沖溝之間一突出的小山脊上,上游側沖溝較明顯,邊坡上緩下陡,在 1715m高程以上坡度 45°～55°,以下坡度約 70°。由于受長期的風化卸荷影響,邊坡體發育多條卸荷裂隙,這些卸荷裂隙相互聯通構成了巖石邊坡失穩塊體的邊界。一般而言,卸荷裂隙并非規則平面,因此潛在失穩塊體的邊界也不平直。本文介紹了點安全系數穩定性分析方法,然后采用該方法計算了危巖體的穩定性,并驗算了支護后的塊體穩定性。

2 碼頭營地邊坡工程地質條件

邊坡體基巖裸露,巖性主要為第 8層大理巖,巖層產狀 N50°～60°E/NW∠30°～40°,巖層走向與邊坡近平行,緩傾山里,邊坡為逆向坡。裂隙主要發育第①、④組裂隙。第①組層面裂隙產狀 N50°～60°E/NW∠30°～40°,延伸一般 1～3m,間距 30～50cm,裂面多輕度銹染,表層局部微張 0.3～0.5cm;第 ④組裂隙產狀 N30°～ 40°E/SE∠70°～80°,延伸一般 1～3m,局部大于 10m,間距 50～80cm,裂面多銹染,張開 0.5～2cm。

該段邊坡發育一條長大卸荷裂隙 XL,產狀N30°～40°E/SE(NW)∠70°～ 80°,走向與邊坡近乎平行,上部靠下游側張開約 10～20cm,上游側未見發育,上下延伸約 20m,自坡頂向下延伸至約1672m高程,裂面銹染,局部充填有碎塊石。該部位坡體處于強卸荷帶內,巖體松弛強烈、破碎。根據對邊坡體地質條件的分析,危巖體可能存在以卸荷裂隙 XL為后緣切割面,剪斷下部大理巖,向河床內滑塌破壞(見照片 1)。

3 點安全系數計算方法

在數值計算中,破壞面上一點達到塑性破壞,只表明該點在最危險截面上的正應力和最大剪應力間滿足屈服準則,但這一正應力并不一定在該點垂直于滑面,即使這一正應力在該點垂直于滑面,也不能保證滑面上的最大剪應力方向與滑動方向一致[1]。因此,滑帶上一點達到塑性屈服,并不意味著垂直滑帶的正應力和平行滑動方向的剪應力間也滿足屈服準則。任何一個滑帶單元,都受到相鄰滑帶單元的約束,其變形需要滿足變形協調條件,并不是說,滑帶單元全部塑性屈服就意味著滑坡整體安全系數小于 1,滑坡一定會失穩。而只有當所有滑帶單元垂直滑面的正應力和平行滑動方向的剪應力間都滿足屈服條件時,滑坡才會整體失穩。

照片 1 碼頭營地危巖體

該點在滑動方向的抗剪強度由下式確定:

式中 τu、σn——分別為滑面抗剪強度和垂直滑面的正應力(以壓為正);

c、φ——分別為滑帶材料的內聚力和內摩擦角。

滑面上該點的點安全系數 Fp定義為[2]:

式中 τ——滑面滑動方向剪應力,由數值計算結果通過應力分析確定[1]。

滑坡的整體安全系數 F3d定義為:

式中 ne——滑帶單元總數;

Fip——單元 i的點安全系數;

SiE——單元 i所代表的滑帶面積。

在單元點安全系數計算中,需要得到滑帶單元的真實應力狀態和單元的滑動方向,計算分為 3步:

(1)計算步 1:全計算域選用彈性本構模型計算坡體的初始應力場;

(2)計算步 2:選用與坡體材料相應的本構模型,滑帶采用 Mohr-Coulomb模型,計算坡體實際應力場;

(3)計算步 3:分析計算步 1和計算步2,得到滑帶單元節點計算步 2相對于計算步 1的位移增量。

通過上述計算步驟,得到了滑帶單元的實際應力狀態和單元各節點真實的滑動方向,據此可計算滑帶單元的點安全系數和滑坡的整體安全系數。

4 危巖體穩定性

4.1 計算模型

建立危巖體的三維實體模型,并據此劃分計算網格,建立計算模型(見圖1)。

根據點安全系數的計算理論,計算主要是要得到潛在滑動面的應力場,對應力場影響較大的是滑體(危巖體)的重力和滑動面的抗剪參數。計算中所取的材料參數見表1。滑動面的抗剪強度參數是根據危巖體的破壞特征通過反算確定,是考慮了后緣拉裂面(卸荷裂隙 XL)與底滑面(Ⅳ1類巖體)的空間面積比按加權平均后得到的滑面綜合參數。

圖1 計算模型

4.2 計算結果

在自重作用下,模型達到平衡后的潛在滑面的點安全系數等值線如圖 2所示。滑面最小安全系數略低于 1.0,位于危巖體底部偏下游側;滑面最大安全系數為 1.18,位于滑面上部偏下游側。點安全系數的分布符合現場危巖體的破壞特征,表明所選用的計算參數基本符合實際情況。滑面大部分點安全系數為 1.08～1.12,點安全系數對面積的加權平均值(三維整體安全度)為 1.12,表明在自重工況下危巖體的穩定性較差,達不到設計安全系數。點安全系數的分布規律同時也表明,危巖體中部安全系數較小,可能發生自中部開始的失穩,故需優先考慮在中部采取加固措施。

按照規范要求應采用二維剛體極限平衡分析方法確定危巖體的單寬支護力,據此換算整個危巖體總支護力為 4800t,然后采用點安全系數復核危巖體的加固效果。將支護力重點布置在中部,加固后的滑面點安全系數如圖 3所示。由于支護力的施加,極大地改善了滑面的應力狀態,大大提高了滑面各點的安全系數。除局部極少區域的點安全系數小

表1 材料計算參數

圖2 無支護滑面點安全系數等值線

5 結 論

對于復雜破壞面的滑坡體(危巖體)由于其滑動面并非規則平面,采用楔形體計算理論評價塊體的穩定性結果偏差較大。針對錦屏一級水電站左岸碼頭營地邊坡由多組不規則的風化卸荷裂隙圍限出一較大規模的危巖體的實際情況,本文采用點安全系數方法評價塊體的穩定性。在地質調查分析的基礎上建立塊體的數值計算模型,計算獲得滑動面的應力狀態,對滑動面應力狀態進行分析,定義點安全系數。通過點安全系數的分布評價塊體的失穩機理,通過點安全系數對破壞面的加權平均值評價塊體的整體穩定性。結果表明,底部偏下游側穩定性于 1.2外,絕大部分滑面的點安全系數均大于 1.2,最大安全系數達到 1.78。點安全系數對面積的加權平均值(三維整體安全度)為 1.41,表明整個危巖體的穩定性已滿足設計要求,特別是滑面中部的穩定性得到極大改善,成為整個滑面最穩定的區域。較差,危巖體上部偏下游側穩定性略高,點安全系數分布特征符合現場宏觀變形現象。點安全系數對面積的加權平均值為 1.12,塊體穩定性不滿足設計要求,需要進行加固。采用 4800t總支護力對危巖體進行加固,支護力重點布置在中部,加固后絕大部分滑面的點安全系數均大于 1.2,最大安全系數達到1.78。點安全系數對面積的加權平均值為 1.41,表明整個危巖體的穩定性已滿足設計要求。

圖3 支護后滑面點安全系數等值線

[1]楊濤.工程高邊坡病害空間預測理論及其應用[D].成都:西南交通大學,2006.

[2]楊濤,周德培,馬惠民,等.滑坡穩定性分析的點安全系數法[J].巖土力學,2010,31(3):971-975.