順層巖質邊坡的穩定性及敏感性研究

侯爭軍

(中國大唐集團四川分公司，四川成都 610091)

0 引言

隨著我國水利水電工程建設的快速發展，出現了大量的順層巖質邊坡工程問題，有些順層巖質邊坡的穩定性問題直接決定著工程修建的可行性。順層巖質邊坡是指傾斜方向與邊坡層狀基巖的傾向接近或大體一致的邊坡。影響其穩定性的主要因素有結構面傾角大小、粘聚力、內摩擦角、地下水以及節理裂隙切割狀況等。

本文結合某水電站的順層巖質邊坡工程，運用有限元法，對影響順層巖質邊坡的穩定性分析，并對粘聚力、內摩擦角、結構面傾角和地下水影響因子的敏感性問題進行分析，從而得到了順層巖質邊坡穩定性的一些規律。

1 邊坡工程概況

某水電站邊坡工程位于西南部山區，地形地貌條件十分復雜，自然邊坡高陡，基巖裸露，邊坡穩定性較差，其中順層邊坡的穩定性問題較為突出。自然邊坡高大于300 m，開挖邊坡高約125 m，寬約130 m，開挖坡比1∶0.5，巖性以花崗巖為主，巖石組分中石英含量約占35%，鉀長石含量大于20%，斜長石約占40%，黑云母3%，角閃石1%，鐵礦石少許。其軟弱夾層厚度為1 mm～5 mm，其傾斜方向與基巖傾向呈順層關系，依據試驗資料，軟弱夾層的強度參數為c=30 kPa，φ=25°，邊坡設計斷面如圖1所示。巖體物理力學指標如表1所示。

圖1 順層邊坡設計斷面圖

表1 巖體物理力學指標值表

2 順層巖質邊坡穩定性數值模擬研究

2.1 有限元模型［4］

本次分析計算將巖土體材料視為各向同性的理想彈塑性材料，Drucker-Prager屈服準則可以較準確描述這類材料，Drucker-Prager函數的表達式如下:

其中，I1為應力第一不變量;J2為偏應力第二不變量;a，δy均為Drucker-Prager準則的相關參數。

2.2 邊坡穩定性與粘聚力關系

在無地下水位時，取 c=15°，20°，25°，30°，35°，40°，50°共7個值，其他參數不變，c與邊坡的穩定安全系數的關系見圖2。

圖2 順層邊坡穩定性與粘聚力c的關系

由圖2可以看出，安全系數與粘聚力基本上保持線性關系，隨著粘聚力c的增大，安全系數Fs也隨之增大。邊坡穩定安全系數Fs對于巖體粘聚力c的變化率為0.006～ -0.028，平均值為0.017。

2.3 邊坡穩定性與內摩擦角關系

在無地下水位時，取 φ =15°，20°，25°，30°，35°，40°，45°的 7個值，其他參數不變，φ與邊坡的穩定安全系數的關系見圖3。

圖3 順層邊坡穩定性與內摩擦角φ的關系

由圖3可以看出，安全系數與內摩擦角φ基本上保持線性關系，隨著內摩擦角φ的增大，安全系數Fs也隨之增大。邊坡穩定安全系數Fs對于巖體內摩擦角φ的變化率為0.008～-0.04，其平均值為 0.02。

2.4 邊坡穩定性與地下水位的關系

本文將地下水位的高度以水位線距邊坡頂面的距離來表示，地下水位為0時表示地下水位線沿邊坡坡面分布。計算中考慮了滲水壓力的影響作用，取地下水位為0，1，2，3，4，5 共6 個值，其他參數不變，hw與邊坡的穩定安全系數的關系見圖4。

圖4 順層邊坡穩定性與地下水位hw關系

由圖4可以看出，邊坡穩定安全系數Fs對地下水位hw的反應比較敏感，隨著地下水位hw的不斷升高，邊坡穩定安全系數Fs逐漸減小。邊坡穩定安全系數Fs對于地下水位hw的變化率為0.02 ～0.04，其平均值為0.03。

2.5 邊坡穩定性與結構面傾角關系

為研究結構面傾角與邊坡穩定安全系數的關系，依次改變結構面傾角為 15°，20°，25°，30°，34°，35°，40°，45°共 8 個值，保持其他參數不變，邊坡結構面傾角與邊坡穩定安全系數的關系見圖5。

圖5 邊坡結構面傾角與安全系數關系

由圖5可以看出，當邊坡結構面傾角小于34°時，結構面傾角與邊坡安全系數成反比關系，計算表明此范圍內結構面傾角越小則越有利于增強邊坡的穩定性;當結構面傾角大于34°時，邊坡安全系數與結構面傾角成正比關系，計算表明在此范圍內順層傾角越大則越有利于增強邊坡的穩定性;邊坡穩定安全系數Fs對于結構面傾角的變化率為0.002 4～ -0.09，平均值為0.05。

3 結語

1)根據上述計算結果，順層巖質邊坡的4個主要影響因素對邊坡穩定性影響按敏感程度大小依次排序為結構面傾角、地下水、內摩擦角和粘聚力。其中結構面傾角的變化對邊坡穩定性影響最敏感，在本工程地質條件下傾角為34°時，順層邊坡穩定性最差，是邊坡工程治理中應重點關注的巖體部位。

2)順層巖質邊坡的穩定性受軟弱結構面的強度參數控制非常明顯，其軟弱結構面的強度越高，則邊坡的穩定性越好。注意加強邊坡排水設施的修建，保持邊坡排水順暢，盡可能降低邊坡的地下水位。

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