水利工程楔形體穩定性分析及支護優化處理

關玉春

(福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州 362000)

0 引 言

在節理化巖質邊坡中，由于結構面的切割作用，楔形體破壞是一種常見的邊坡破壞形式。如何在眾多結構面中尋找出優勢結構面，即對邊坡產生破壞性的結構面，并且對該結構面構成的楔形體進行穩定性分析，判別其滑移方式，為楔形體支護提供有力的數據支撐。

在楔形體穩定性分析中，在定性分析方法中赤平極射投影是一種重要的分析方法，將三維的邊坡數據投射到二維平面中，能夠直觀準確地判別坡體穩定性以及優勢結構面。在現行的楔形體穩定性分析方法中，Swedge作為一種極限平衡法分析軟件，能夠快速對四面體的楔形體進行穩定性分析并提供簡便快捷的支護計算。

本文利用赤平極射投影對某巖質邊坡進行定性分析，從多組結構面尋找出優勢結構面，并對該優勢結構面進行穩定性分析，尋找出最佳支護方式。

1 楔形體穩定性分析

邊坡受兩個相交的結構面切割時，構成的可能滑移體多數是楔形體，在自重作用下，一般是由兩個結構面的組合交線的傾斜方向控制。

在楔形體穩定性分析中，只考慮楔形體的幾何方向，很難準確地得到楔形體安全系數。1973年，Hoek等在對楔形體極限穩定性分析中，同時考慮了楔形體的幾何尺寸、結構面的抗剪強度和地下水分布。圖1為楔形體分析要素和水壓力分布圖。

圖1 楔形體分析要素和水壓力分布圖

根據圖1楔形體的分析要素及水壓力分布圖，將其進行極限平衡法分析。圖2為赤平極射投影的楔形體穩定性分析赤平極射投影圖。

圖2 赤平極射投影楔形體穩定性分析

Hoek等所進行的楔形體穩定性分析，穩定性系數FS可計算為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

ψ5=tanψacos(αa-α5)=tanψbcos(αb-α5)

(7)

式(1)～式(7)中：αa、ψa分別為結構面A的傾向和傾角；αb、ψb分別為結構面B的傾向和傾角；α5、ψ5為結構面A和結構面B的交線5的傾向和傾角；na,nb分別為結構面A和結構面B的極點；θ13、θ24、θ45、θ35、θna,nb分別為圖2中赤平極射投影圖交線的交點；ca,φa分別為結構面A的黏聚力和內摩擦角；cb、φb分別為結構面B的黏聚力和內摩擦角；γc為楔形體巖體容重；γw為水容重；H為楔形體高度，HCR為楔形體的臨界高度。

2 工程概況

某水利工程庫岸邊坡，坡體地質情況復雜。結合地質調查及相關勘探發現，該巖質邊坡有多組結構面，節理裂隙發育，巖體多屬于灰巖和白云巖，該邊坡屬于典型的多級復雜性巖質邊坡。圖3為該滑坡全貌圖。

圖3 滑坡全貌圖

3 赤平極射投影分析

經過現場地質調查和相關技術手段分析，現場查明該坡體有8條不同發育程度的結構面，表1為坡體及結構面產狀數據。利用赤平極射投影技術，對該坡體進行定性分析，圖4為該坡體及結構面的赤平極射投影圖。

表1 坡體及結構面產狀數據

圖4 坡體赤平極射投影圖

根據現場地質調查發現，該巖質邊坡沿著某個結構面發生順層滑移的可能性很小，最有可能發生楔形體滑移。從圖4中的坡體赤平極射投影圖中可以看出，有3組結構面交線位于自然坡面與開挖坡面之間的月牙形的區域。根據楔形體滑移原理可知，該3組結構面組合形成的塊體最容易發生楔形體滑移。表2為根據式(6)和式(7)求解得到的結構面交線的產狀數據。

表2 結構面交線的產狀數據

根據上述對結構面交線的分析，有3組結構面交線容易造成坡體滑移。下面利用Swedge軟件對該坡體進行穩定性分析，為楔形體支護提供數據支撐。

4 Swedge穩定性分析

利用極限平衡法軟件Swedge，對上述所篩選出的易發生滑移的結構面交線進行穩定性分析。該坡體結構面屬于軟弱結構面，通過現場地質調查和相關實驗室試驗，參照相關規范，對該結構面的物理力學參數進行取值，表3為結構面的物理力學參數。

表3 結構面力學參數

4.1 結構面J2和J4

對結構面J2和J4組合進行穩定性分析，根據現場地勘資料，利用Swedge進行確定性分析。圖5為結構面J2和J4組合楔形體滑移圖，圖6為該楔形體結果輸出。

從該結果輸出可知，當結構面J2和J4組合時，楔形體的安全系數為1.697。該組合形式的楔形體不易發生滑移，無需對其進行支護處理。

圖5 結構面J2和J4組合楔形體滑移圖

圖6 結構面J2和J4組合楔形體結果輸出

4.2 結構面J4和J5

對結構面J4和J5組合進行穩定性分析，根據現場地勘資料，利用Swedge進行確定性分析。圖7為結構面J4和J5組合楔形體滑移圖，圖8為該楔形體結果輸出。

圖7 結構面J4和J5組合楔形體滑移圖

圖8 結構面J4和J5組合楔形體結果輸出

從該結果輸出可知，當結構面J4和J5組合時，楔形體的安全系數為1.622。該組合形式的楔形體不易發生滑移，無需對其進行支護處理。

4.3 結構面J4和J8

對結構面J4和J8組合進行穩定性分析，根據現場地勘資料，該楔形體高35 m，利用Swedge進行確定性分析。圖9為結構面J4和J8組合楔形體滑移圖，圖10為該楔形體結果輸出。

從該結果輸出可知，當結構面J4和J8組合時，楔形體的安全系數為1.086。根據《建筑邊坡技術規范》(GB50330-2013)[9]的安全要求，該組合形式的楔形體易發生潛在滑移，需對其進行支護處理。

圖9 結構面J4和J8組合楔形體滑移圖

圖10 結構面J4和J8組合楔形體結果輸出

5 Swedge支護分析

從以上坡體穩定性分析結果可知，當該坡體結構面J4和J8組合時，該組合形式形成的楔形體易發生潛在滑移，需要對其進行支護處理。對該楔形體支護擬采用端錨支護處理，錨桿長度為20 m，設定安全系數為1.4，利用Swedge進行優化支護分析。圖11為錨桿支護示意圖，圖12為錨桿支護后結果輸出。

圖11 錨桿支護示意圖

圖12 錨桿支護后結果輸出

從上述結果可知，最優化的錨桿支護產狀為313°∠69°，結構面J4和J8的結構面交線的產狀為134°∠24°，在赤平極射投影圖中，最優化的錨桿支護位置與結構面交線是垂直的，符合工程實際要求。

6 結 論

利用赤平極射投影對某巖質邊坡進行定性分析，從多組結構面尋找出優勢結構面，結構面J2和J4、J4和J5、J4和J8組合形成的楔形體易發生潛在滑移。利用極限平衡法軟件Swedge并對該3組優勢結構面進行穩定性分析，求解出結構面J4和J8組合形成的楔形體安全系數不符合規范要求，對其進行優化支護分析，確定最優支護方案。本文分析方法對實際工程有一定的參考意義，在工程實踐中可靈活運用。