基于赤平投影法的某順層邊坡穩(wěn)定性研究

吳順彬

摘 要：將赤平投影法運(yùn)用于水利樞紐岸坡順層位置施工過(guò)程中，能對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)面組合的穩(wěn)定性進(jìn)行深度分析?；诖?，本文首先分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性與赤平投影法相關(guān)理論，并結(jié)合實(shí)際案例，探討赤平投影法在某順層邊坡施工中的應(yīng)用，以研究巖質(zhì)順層邊坡的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：赤平投影法;順層邊坡;穩(wěn)定性

Abstract： The stereographic projection method is applied to the construction of the bedding position of the bank slope of the hydro-junction， and the stability of the combination of the structural planes of the slope can be analyzed in depth. Based on this， this paper firstly analysed the related theories of rock slope stability and stereographic projection method， and then discussed the application of stereographic projection method in the construction of a bedding slope， in order to study the stability of rock bedding slope.

Keywords： stereographic projection method;bedding slope;stability

1 研究背景

赤平投影法是邊坡穩(wěn)定性分析的定性分析方法之一，其簡(jiǎn)易直觀，在我國(guó)工程地質(zhì)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛。例如，在楔形體滑坡破壞邊坡工程中，可在結(jié)構(gòu)面控制與巖體穩(wěn)定性控制中使用赤平投影法，以對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行精細(xì)描述與深度研究。一般來(lái)說(shuō)，由于巖體結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)變化較大，所以可能會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性計(jì)算困難。在采用赤平投影法后，主要對(duì)邊坡中結(jié)構(gòu)面組合進(jìn)行定性分析，并利用赤平投影法中的Swedge軟件對(duì)邊坡穩(wěn)定性、概率性?xún)?nèi)容進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，深度分析其結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)與其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的客觀影響，最后在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上融入微型樁加固方案，以完成整個(gè)施工過(guò)程。本文希望合理利用赤平投影法對(duì)水利樞紐工程的岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，同時(shí)求解水利工程順層邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，最后利用微型樁對(duì)順層邊坡坡體進(jìn)行有效防護(hù)[1]。

2 水利樞紐工程中巖質(zhì)順層邊坡的穩(wěn)定性案例分析

2.1 水利樞紐工程概況

某水利樞紐工程左岸是岸坡式溢洪道工程，其緊靠左邊壩肩，主要由進(jìn)水渠、控制段、泄槽、緩槽段以及消能段共同組成。在溢洪道開(kāi)挖施工過(guò)程中，對(duì)水利樞紐的邊坡巖體產(chǎn)生擾動(dòng)，造成巖土體本身的應(yīng)力重新分布。從整體上來(lái)看，溢洪道開(kāi)挖對(duì)坡體穩(wěn)定性影響較大，所以需要對(duì)其采取相關(guān)的支護(hù)措施。從該水利樞紐工程的巖質(zhì)邊坡順層來(lái)看，其地表上有黏土夾雜碎石的巖土體外露，下伏基巖則主要為灰?guī)r和中風(fēng)化層巖體，在受到層間裂隙影響后，其巖石質(zhì)量表現(xiàn)為一般。在該水利樞紐工程路基開(kāi)挖施工中，出現(xiàn)了5處邊坡滑移垮塌事件[2]。

2.2 水利樞紐工程施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查

對(duì)水利樞紐工程施工現(xiàn)場(chǎng)存在的5處邊坡滑移垮塌問(wèn)題中的一處進(jìn)行深入研究分析。案例水利樞紐工程左岸岸坡典型斷面如圖1所示。

通過(guò)分析圖1和對(duì)當(dāng)?shù)毓こ痰刭|(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，該水利樞紐工程中存在截水溝與坡口線(xiàn)，地層地質(zhì)為炭質(zhì)頁(yè)巖2層和薄層粉砂巖3層。在邊坡滑塌底部及周邊位置沒(méi)有看到明顯的積水現(xiàn)象，土體整體表現(xiàn)濕潤(rùn)，在滑塌以后其節(jié)理面與層面相對(duì)平坦。而在雨季的影響下，豐富的雨水所形成的強(qiáng)滲透作用使得含砂軟黏土中的含水量大漲，巖體整體抗剪強(qiáng)度嚴(yán)重下降，形成沿地質(zhì)結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的雙滑面楔形滑移體。以文中分析的某一處邊坡滑移垮塌現(xiàn)象為例，其結(jié)構(gòu)面傾向角度為85°，傾斜角為30°，巖體容重為23kN/m2，水容重為9.8kN/m2，坡體高度H為50m。

2.3 水利樞紐工程施工現(xiàn)場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定性分析

利用赤平投影法分析水利樞紐工程施工現(xiàn)場(chǎng)的順層巖質(zhì)邊坡，對(duì)其邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，創(chuàng)設(shè)[J1]～[J3]共3個(gè)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行相互組合并深度分析，有效判斷邊坡穩(wěn)定性。

在邊坡穩(wěn)定性分析過(guò)程中，首先要考慮楔形體本身的幾何方向，準(zhǔn)確獲得楔形體的安全系數(shù)，并對(duì)楔形體本身的極限穩(wěn)定性進(jìn)行分析，充分考量楔形體的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度以及順層邊坡周邊的地下水分布情況。之后，再利用赤平投影法給出楔形體的穩(wěn)定性系數(shù)分析過(guò)程，其穩(wěn)定性系數(shù)Fs為：

式中，[tan?a、tan?b]分別代表結(jié)構(gòu)面A、B的傾向和傾角;[γc]代表楔形體巖體的容重;[γW]代表水容重;H代表楔形體高度。結(jié)合式（1）分別計(jì)算出其中的X、Y、P、Q，然后對(duì)3個(gè)結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析。首先分析結(jié)構(gòu)面[J1]、[J2]的穩(wěn)定性，兩結(jié)構(gòu)面組合形成赤平投影，配合赤平投影交線(xiàn)法求解其交線(xiàn)產(chǎn)狀數(shù)值，再利用Swedge求解兩結(jié)構(gòu)面在組合過(guò)程中，保證坡體的安全系數(shù)始終>1。[J1]、[J2]赤平投影結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性分析示意圖如圖2所示。

同理，還要對(duì)[J2]和[J3]、[J1]和[J3]的結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)合3類(lèi)結(jié)構(gòu)面組合穩(wěn)定性分析獲得3個(gè)結(jié)構(gòu)面組合的中交線(xiàn)赤平極限投影點(diǎn)，其應(yīng)該位于自然坡面與開(kāi)挖面之間。在分析過(guò)程中，要注意其滑移破壞的可能性，并特別對(duì)[J1]、[J3]結(jié)構(gòu)面組合進(jìn)行深度分析，主要分析其發(fā)生滑移破壞的可能性。

2.4 水利樞紐工程施工現(xiàn)場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定性加固設(shè)計(jì)分析

在該工程中，主要采用微型樁進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性加固設(shè)計(jì)，并提出設(shè)計(jì)方案。工程中首先對(duì)順層邊坡的滑坡推力進(jìn)行計(jì)算，專(zhuān)門(mén)選取寬度為1m的坡體作為核心計(jì)算單元，取安全系數(shù)K值為1.25，然后再計(jì)算出滑坡推力E的最終推力數(shù)值。之后，為工程施工選擇確定微型樁，工程中設(shè)計(jì)并采用孔徑為200mm的微型樁，樁內(nèi)加入筋體，其規(guī)格應(yīng)該為的鋼筋以及的無(wú)縫套管，套管厚度為3mm。水利樞紐工程中的微型樁如圖3所示。

工程施工中采用的微型樁主要呈現(xiàn)梅花樁布置，其樁間距離為1.5m，樁排距為1.5m，共設(shè)置3排，每樁樁長(zhǎng)為12m。由微型樁形成的支護(hù)體系計(jì)算單元為1.5m寬度的順層邊坡坡體，要結(jié)合驗(yàn)算過(guò)程了解其整體抗滑性與滑面位置的抗剪能力，進(jìn)而驗(yàn)證得出該工程中加固方案的可行性。結(jié)合設(shè)計(jì)方案的核心內(nèi)容，在1.5m寬的坡體中設(shè)置5根微型樁，嚴(yán)格遵照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2014）計(jì)算出工程施工中所使用鋼材的抗剪強(qiáng)度，其鋼體橫截面設(shè)置為A，然后計(jì)算出5根微型樁的結(jié)構(gòu)抗剪力，計(jì)算公式應(yīng)該為：

式中，[Rc]代表結(jié)構(gòu)抗剪力;[fv]代表鋼材抗剪強(qiáng)度;[A]代表鋼體的橫截面積;[n]代表整體抗滑穩(wěn)定性系數(shù)。然后再驗(yàn)算整個(gè)微型樁的抗滑穩(wěn)定性，對(duì)其畫(huà)面整體抗剪強(qiáng)度與微型樁的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行組合分析，獲得其滑面參數(shù)。最后再計(jì)算出微型樁組合的整體穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)該為：

式中，[RJ]代表滑體自身所產(chǎn)生的抗剪力;T表示滑體自身所產(chǎn)生的下滑力。

工程施工中，保證微型樁組合的整體穩(wěn)定系數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)安全要求，然后對(duì)滑面處的整體抗剪力進(jìn)行驗(yàn)算，按照最不利的影響情況進(jìn)行分析，但并不考慮注漿與樁周土體的抗剪強(qiáng)度影響，即要求滑坡所有推力都要作用到5根微型樁上，然后再計(jì)算出微型樁的抗剪力結(jié)果，保證結(jié)果滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)安全要求。

在計(jì)算微型樁抗剪力后展開(kāi)微型樁施工，其主要施工流程如下：施工現(xiàn)場(chǎng)整理→鋼管鋼筋制作→測(cè)量放線(xiàn)→孔距定位→鉆孔→鋼管與鋼筋安裝→注漿→綁扎框架鋼筋→澆筑混凝土→定期養(yǎng)護(hù)[3]。

在整個(gè)施工流程中，要運(yùn)用成孔、注漿、水泥漿液配置等工藝技術(shù)內(nèi)容。以水泥漿液配置要求為例，其要求水泥砂漿的水灰比控制在0.4～0.55，同時(shí)要求灰砂比例為1∶1，保證砂漿強(qiáng)度>30MPa。水泥漿攪拌3min以上，再進(jìn)行注漿，保證漿液均勻[2]。

3 結(jié)語(yǔ)

在水利樞紐巖質(zhì)邊坡加固施工中，要合理使用赤平投影法，直觀分析節(jié)理化巖質(zhì)邊坡的相關(guān)物理內(nèi)容，并進(jìn)行定性和定量分析，主要針對(duì)其結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性進(jìn)行支護(hù)計(jì)算，獲得支護(hù)后的穩(wěn)定性系數(shù)變化，確定最佳支護(hù)位置。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭金華.基于赤平投影法的某順層邊坡穩(wěn)定性分析及加固措施研究[J].吉林水利，2018（6）：6-10.

[2]向國(guó)澤，楊淑萍.赤平投影分析法在邊坡工程中的應(yīng)用[J].西部資源，2018（3）：135，137.

[3]馮登.基于赤平極射投影和可靠度的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2018.