基于楔形體穩(wěn)定方法的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析

何 帥

（新疆水利電力建設(shè)總公司，烏魯木齊 830000）

0 引言

在水利工程的建設(shè)過程中，邊坡開挖勢必將原有的邊坡應(yīng)力平衡狀態(tài)打破，巖質(zhì)邊坡的應(yīng)力也將因此重新分布。為了減少和避免滑坡災(zāi)害，應(yīng)該預(yù)先對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行研究，以便能及時(shí)對(duì)邊坡進(jìn)行安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的加固處理[1]。為此，許多學(xué)者對(duì)相關(guān)巖石邊坡工程開展了研究：鄭惠峰等[2]將塊體單元法與極限分析上限法相結(jié)合，提出了巖石邊坡穩(wěn)定的塊體單元極限分析上限法。基于一個(gè)巖質(zhì)楔形體邊坡算例和小灣水電站進(jìn)水口邊坡實(shí)例，通過將塊體單元法上限分析計(jì)算結(jié)果與剛體極限平衡法相比較，驗(yàn)證了該方法的正確性。張社榮等[3]采用貝葉斯方法對(duì)斷層帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行分析，以原工程采用的邊坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)分析方法為基礎(chǔ)，通過RSSAP程序研究了巖石邊坡的可靠性。張文華[4]等采用ANSYS 有限元數(shù)值模擬軟件建立了三維數(shù)值邊坡模型，通過數(shù)值計(jì)算確定了邊坡臨界破壞時(shí)滑裂面的位置，基于此確定了小型抗滑樁的布設(shè)位置。還有許多學(xué)者[5～8]在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性方面做了卓越的研究，然而，對(duì)于巖質(zhì)邊坡而言，基于連續(xù)均勻理論的穩(wěn)定計(jì)算是有所欠缺的。巖體的節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)往往對(duì)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定起到了重要作用。當(dāng)前在工程應(yīng)用方面，采用楔形體穩(wěn)定計(jì)算軟件計(jì)算邊坡穩(wěn)定的應(yīng)用較少。因此，本文采用楔形體穩(wěn)定計(jì)算軟件，計(jì)算分析了新疆某水利樞紐巖質(zhì)邊坡的楔形體穩(wěn)定性和上覆破碎巖體的穩(wěn)定性，并得出了相應(yīng)的安全系數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了相應(yīng)工程措施。

1 工程概況

新疆某輸水工程位于天山北麓，根據(jù)泵站選址及該區(qū)地形條件，泵站開挖后將形成3處開挖邊坡：1#、2#及3#邊坡。泵站廠址處巖體斷裂構(gòu)造不發(fā)育，主要為小斷層和裂隙，斷裂走向與區(qū)域主要構(gòu)造線基本一致，以NWW～NW向和NE向?yàn)橹鳌?/p>

宏觀分析判斷認(rèn)為：邊坡開挖后，弱風(fēng)化巖體部位邊坡的整體穩(wěn)定條件較好；上部強(qiáng)風(fēng)化巖體因其完整性較差，且淺表層以較破碎～破碎巖體為主，則該部位邊坡穩(wěn)定性相對(duì)較差，故應(yīng)對(duì)強(qiáng)風(fēng)化巖體部位的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)。

2 計(jì)算方法

（1）楔形體穩(wěn)定計(jì)算方法。采用赤平投影法搜索開挖邊坡各馬道平臺(tái)部位可能構(gòu)成的潛在不穩(wěn)定塊體，并采用規(guī)范推薦的楔體法對(duì)開挖邊坡上的塊體進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算采用某楔形體計(jì)算軟件進(jìn)行。

（2）上部強(qiáng)風(fēng)化巖體抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法。開挖邊坡上部強(qiáng)風(fēng)化巖體的抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用詹布法，并采用試算法推求最危險(xiǎn)滑面和相應(yīng)的安全系數(shù)，具體計(jì)算采用某詹布法計(jì)算程序進(jìn)行。

3 計(jì)算工況及荷載

3.1 計(jì)算工況

工程邊坡穩(wěn)定性分析按持久設(shè)計(jì)工況、短暫設(shè)計(jì)工況和偶然設(shè)計(jì)工況3 種狀況進(jìn)行，其中持久和短暫設(shè)計(jì)工況采用基本組合，偶然設(shè)計(jì)工況采用偶然組合。計(jì)算工況、作用效應(yīng)組合及相應(yīng)工況見表1。

表1 邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算工況及作用組合

3.2 荷載

（1）巖土體的自重作用。在地下水位以上時(shí)，巖土體的自重采用天然重度（26.0 kN/m3）；在地下水位以下時(shí)，則應(yīng)根據(jù)具體采用的計(jì)算方法正確選擇。在邊界面上和計(jì)算的分條、分塊面上以面力計(jì)算水壓力時(shí)采用飽和重度（26.5 kN/m3）；以體力法計(jì)算水壓力時(shí)采用浮重度，同時(shí)在滑面上扣除自坡外水位起算的靜水壓力；降雨情況下的非飽和巖、土體采用具一定含水量的重度。

（2）地下水作用。具體結(jié)合各部位邊坡所處工程環(huán)境條件、在不同計(jì)算工況下的邊坡地下水位變化情況等，按《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5353-2006）規(guī)定考慮。在暴雨條件下，坡面少量入滲雨水只使坡體淺層的部分滑體飽水，不足以抬高坡體內(nèi)的地下水位，也難以在潛在滑面處形成暫態(tài)孔隙水壓力。即計(jì)算僅考慮降雨對(duì)坡體容重和滑面力學(xué)參數(shù)的影響，不計(jì)作用在滑面上的滯留孔隙水壓力。具體穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，坡體容重采用濕容重或飽和容重，滑面強(qiáng)度指標(biāo)采用水下飽水參數(shù)。

（3）地震作用。泵站采用50年超越概率10%的工程場地的基巖峰值加速度0.167 g，地震作用考慮水平向地震慣性力，按擬靜力法計(jì)算，水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值取0.167 g，考慮豎向設(shè)計(jì)地震加速度代表值取水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值的2/3，地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)取0.25，質(zhì)點(diǎn)動(dòng)態(tài)分布系數(shù)取1.0。

4 計(jì)算斷面及模型

選取1#、2#、3#邊坡進(jìn)行楔形體穩(wěn)定計(jì)算分析。首先根據(jù)邊坡開挖形態(tài)及坡體結(jié)構(gòu)特征，分別將1#、2#、3#邊坡優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面、開挖面、巖層面繪制在赤平投影圖中（見圖1）。

圖1 開挖邊坡赤平投影分析圖

（1）1#開挖邊坡斷層不發(fā)育，發(fā)育3組裂隙：①走向NE60°～80°，傾向SW或NE，傾角75°～82°；②走向NW300°～325°，傾向SW，傾角5°～35°；③走向NW300°～330°，傾向SW，傾角75°～81°。其中①組、②組裂隙較發(fā)育，③裂隙發(fā)育較少，多為硬性結(jié)構(gòu)面。

（2）2#開挖邊坡主要發(fā)育3 組長大裂隙：①走向近SN，傾向W，傾角15°；②走向近EW，近直立；③NE80°NW∠83°。

（3）3#開挖邊坡，主要發(fā)育3組長大裂隙：①走向近NW330°～340°傾向SW∠30°～40°；②走向近

NW345°，SW∠20°～30°；③NE20°NW∠20°～25°。

由圖1 可看出，1#邊坡有一種楔形體組合為結(jié)構(gòu)面②+結(jié)構(gòu)面③，2#邊坡有一種楔形體組合為結(jié)構(gòu)面①+結(jié)構(gòu)面③，3#邊坡有一種楔形體組合為結(jié)構(gòu)面②+結(jié)構(gòu)面③。

假定最大楔形體不跨越一級(jí)坡，即最大楔形體高度控制在20 m 內(nèi)，以開挖馬道平臺(tái)為坡頂面，頂寬度控制在2.0 m 以內(nèi)，1#、2#、3#邊坡部位楔形體組合情況及計(jì)算模型見圖2。

圖2 楔形體組合情況及計(jì)算模型圖

對(duì)1#、2#、3#邊坡進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)化巖體抗滑穩(wěn)定計(jì)算。通過滑弧面搜索及可能出現(xiàn)的底滑面進(jìn)行敏感性分析，找出危險(xiǎn)滑動(dòng)面，計(jì)算其相應(yīng)滑面的穩(wěn)定安全系數(shù)。3#邊坡為順層邊坡，同時(shí)對(duì)3#邊坡按順層滑動(dòng)的模式進(jìn)行計(jì)算。1#、2#、3#邊坡上部強(qiáng)風(fēng)化巖體穩(wěn)定計(jì)算模型見圖3。

圖3 邊坡風(fēng)化巖體抗滑穩(wěn)定計(jì)算剖面圖

5 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)邊坡基本地質(zhì)資料，各部位開挖邊坡馬道平臺(tái)部位可能構(gòu)成的楔形塊體主要由裂隙（小斷層）而成，屬于Ⅳ～Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面，裂隙結(jié)構(gòu)面以硬性～巖塊型為主，少量為巖屑夾泥型，個(gè)別小規(guī)模斷層為泥夾巖屑型，Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面多屬局部充填巖屑、碎屑型硬性結(jié)構(gòu)面，Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面屬硬性結(jié)構(gòu)面，計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 邊坡松動(dòng)體穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

6 計(jì)算成果及分析

6.1 楔形體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由于邊坡位于泵站上側(cè)，邊坡失穩(wěn)可能將造成泵站建筑物及其附屬設(shè)備破壞或者功能完全喪失。根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5353-2006）規(guī)定，本工程邊坡安全級(jí)別為I 級(jí)。因此，持久工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.30；短暫工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.20；偶然工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.10，以上安全系數(shù)均取上限值。

邊坡楔形體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表3。由計(jì)算結(jié)果可知，邊坡組合楔形體在各計(jì)算工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.30，滿足設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)要求，即泵站周開挖邊坡馬道平臺(tái)部位由結(jié)構(gòu)面切割組合而成的楔形塊體在各工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 邊坡楔形體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

6.2 上部強(qiáng)風(fēng)化巖體抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果及分析

1#、2#、3#邊坡上部強(qiáng)風(fēng)化巖體在偶然計(jì)算工況下，采用搜索滑弧法及假定滑動(dòng)面法邊坡最危險(xiǎn)滑面的計(jì)算結(jié)果見圖4、圖5。上部邊坡各工況穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。

圖4 偶然工況搜索滑弧計(jì)算結(jié)果

圖5 假定滑動(dòng)面偶然工況計(jì)算結(jié)果

表4 邊坡上部強(qiáng)風(fēng)化巖體穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表4 所列計(jì)算結(jié)果顯示，計(jì)算選取1#、2#、3#邊坡進(jìn)行滑弧面搜索及可能出現(xiàn)的底滑面進(jìn)行敏感性分析，其在各計(jì)算工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.30，滿足規(guī)范安全標(biāo)準(zhǔn)要求。由此可見，開挖邊坡上部強(qiáng)風(fēng)化巖體在各工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

7 結(jié)語

本文基于新疆某輸水泵站工程，采用楔形體穩(wěn)定計(jì)算軟件，考慮巖質(zhì)邊坡節(jié)理裂隙構(gòu)造，計(jì)算了巖質(zhì)邊坡楔形體及上覆破碎巖體的穩(wěn)定性，得出了安全系數(shù)。通過計(jì)算分析，泵站邊坡在各個(gè)工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。考慮工程安全儲(chǔ)備，最終確定泵站邊坡綜合處理措施如下：

（1）表面保護(hù)。清除邊坡上部地表孤危石、堆積體及松動(dòng)巖體。對(duì)人工邊坡采用掛網(wǎng)噴砼封閉坡面，C25噴砼厚10 cm，掛Φ6@150×150鋼筋網(wǎng)。

（2）坡面排水、截水。全坡面布置排水孔，間排距3 m×3 m，孔深4.5 m，間隔布置，仰角10°。沿開口線設(shè)截水溝，各級(jí)馬道內(nèi)側(cè)設(shè)排水溝，其間聯(lián)通，形成有效的截、排水系統(tǒng)。截水溝為梯形斷面，底寬60 cm，深80 cm，視需要再布置消能工；排水溝為矩形斷面，100 cm×100 cm。截、排水溝均采用C20混凝土。

（3）邊坡錨固。全坡面采用系統(tǒng)錨桿支護(hù)，錨桿直徑Φ25、L=4.5 m，直徑Φ28、L=6.0 m，間隔布置，間排距2.0 m×2.0 m。沿開口線布置Φ28，L=9 m錨筋樁進(jìn)行鎖口。