某邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中塊體理論的應(yīng)用

游 萍,林曉強(qiáng),況磊強(qiáng)

(1.四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,成都,610072;2.貴州桐梓河水電開(kāi)發(fā)有限公司,貴州遵義,5630002;3.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,成都,610065)

1 前言

巖體是一種復(fù)雜的地質(zhì)體,通常認(rèn)為由巖塊和結(jié)構(gòu)面兩部分組成。結(jié)構(gòu)面如節(jié)理、斷層、巖層層面、剪切帶、軟弱夾層等;巖塊則是被結(jié)構(gòu)面切割后形成的不同大小的巖石塊體,巖塊內(nèi)物質(zhì)相對(duì)連續(xù)致密。結(jié)構(gòu)面發(fā)育可能存在很大的差異,巖體變形失穩(wěn)往往是由于結(jié)構(gòu)面發(fā)生張開(kāi)、閉合、錯(cuò)動(dòng)而引起的,因此,結(jié)構(gòu)面的存在及其強(qiáng)度,控制著巖體的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

1985年GoodmanR E與石根華正式提出塊體理論(Block Theory)[1～2]。其基本假設(shè)為:(1)結(jié)構(gòu)面為平面并貫穿研究的巖體;(2)結(jié)構(gòu)體為剛體,不考慮巖體的變形;(3)巖體破壞沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切滑移。其核心是尋找關(guān)鍵滑移塊體。由于結(jié)構(gòu)面的組合是隨機(jī)的,則由結(jié)構(gòu)面切割而成的巖石塊體為隨機(jī)塊體。在邊坡開(kāi)挖面處,隨機(jī)塊體有可能成為關(guān)鍵滑移塊體。

隨機(jī)塊體主要是指由地質(zhì)勘探階段位置不能確定的裂隙或裂隙面與巖體開(kāi)挖面切割形成的塊體。隨機(jī)塊體研究方法是根據(jù)裂隙產(chǎn)狀及開(kāi)挖臨空面的方位,利用塊體理論搜索在多組裂隙切割條件下,巖體開(kāi)挖面上各類關(guān)鍵塊體的類型,分析塊體幾何特征及其穩(wěn)定性?？梢苿?dòng)塊體的判斷準(zhǔn)則為:若節(jié)理錐完全落于某邊坡開(kāi)挖面或交角的空間錐內(nèi),則該節(jié)理錐為相應(yīng)的可移動(dòng)塊體,且當(dāng)節(jié)理錐的剩余滑動(dòng)力為正(即滑動(dòng)力大于阻滑力),則該節(jié)理錐相應(yīng)的塊體為關(guān)鍵塊體。目前,塊體理論已在我國(guó)被廣泛應(yīng)用[3～9]。

2 工程概述

某水電站泄水建筑物由泄洪洞和放空洞組成,其放空洞進(jìn)口位于一凹腔陡崖之上,下游側(cè)緊鄰泄洪洞進(jìn)口,整個(gè)坡段全長(zhǎng)100m,邊坡總體呈上緩下陡,在約1630m高程以下為陡崖,坡度約為65°～70°,之上自然坡度35°～50°,自然邊坡高度500m～700m。放空洞縱軸線方向S11.4°W,縱剖面呈臺(tái)階狀地形,在1590m和1700m高程左右均有一緩坡平臺(tái),其上下陡坎坡度65°～70°。放空洞進(jìn)口開(kāi)挖坡高約140m,洞臉邊坡走向?yàn)镹78°33′03″W,開(kāi)挖坡比1∶0.5。

該放空洞進(jìn)口邊坡巖體裂隙比較發(fā)育,由于裂隙面和結(jié)構(gòu)面的組合切割,使巖體被切割成不連續(xù)的塊體。

坡體內(nèi)主要出露澄江～晉寧期花崗閃長(zhǎng)巖(δ02(3))和中粗粒花崗巖(γ2(4)),其下部公路邊侵入少量細(xì)晶花崗巖脈(γl),洞口一帶基巖直接裸露。

坡體中主要結(jié)構(gòu)面有J4、J7、J2、J6四組,此外,還零星發(fā)育延伸較短小的J9組裂隙。巖體結(jié)構(gòu)總體為塊狀結(jié)構(gòu),局部次塊狀。放空洞進(jìn)口段裂隙發(fā)育統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。

表1 放空洞進(jìn)口裂隙發(fā)育統(tǒng)計(jì)和計(jì)算參數(shù)取值

3 節(jié)理組合

此邊坡巖體的結(jié)構(gòu)面發(fā)育具有明顯的不均衡性,其主要發(fā)育有J4、J7、J2和J6四組節(jié)理。因此,可能出現(xiàn)某3組或4組節(jié)理面(加臨空面)切割而成的塊體。為了找出各臨空面上的可移動(dòng)塊體,根據(jù)地質(zhì)資料和調(diào)研分析,分別按不同危險(xiǎn)節(jié)理組合(表2)計(jì)算分析搜索最大關(guān)鍵塊體,分析其穩(wěn)定性。

表2 隨機(jī)塊體分析中的不同節(jié)理組合

4 關(guān)鍵塊體搜索

對(duì)不同節(jié)理組合進(jìn)行下極點(diǎn)全空間赤平投影,分析可移動(dòng)塊體的類型。然后根據(jù)塊體的剩余滑動(dòng)力大小,初步判斷該可移動(dòng)塊體是否為力學(xué)可移即關(guān)鍵塊體。采用石根華博士的關(guān)鍵塊體搜索程序SRM,搜尋邊坡的最大關(guān)鍵塊體,并計(jì)算各最大關(guān)鍵塊體的滑動(dòng)力系數(shù)和安全系數(shù)。

4.1 J4、J7和J2組合

根據(jù)關(guān)鍵塊體搜索程序SRM,搜尋出由J4、J7和J2三組節(jié)理形成的最大關(guān)鍵塊體,其滑動(dòng)力系數(shù)和安全系數(shù)見(jiàn)圖1和圖2。最大關(guān)鍵塊體只有001(其形狀見(jiàn)圖3),由J4和J7構(gòu)成滑動(dòng)面。其滑動(dòng)力系數(shù)為0.70,安全系數(shù)為0.26,體積為50.48m3,滑動(dòng)力為900.36kN(巖體容重取2.60×103kg/m3)。塊體在坡面出露面積為54.48m2,平均深度0.93m,小于設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度6m～9m;按施工設(shè)計(jì)的3.0m×3.0m錨桿布置(錨桿深度6m～9m),平均每塊出露塊體約布置6根錨桿,每根錨桿平均受力148.74kN,在錨桿受力范圍之內(nèi)。圖1中,“110”等為節(jié)理錐的編號(hào)。

圖1 邊坡最大關(guān)鍵塊體位置及滑動(dòng)力系數(shù)分布(J4、J7和J2組合)

4.2 J4、J7和J6組合

根據(jù)關(guān)鍵塊體搜索程序SRM,搜尋出由J4、J7和J6三組節(jié)理形成的最大關(guān)鍵塊體,其滑動(dòng)力系數(shù)和安全系數(shù)見(jiàn)圖4和圖5。只找到最大關(guān)鍵塊體001,其形狀見(jiàn)圖6,由J4和J7構(gòu)成滑動(dòng)面。其滑動(dòng)力系數(shù)為0.70,安全系數(shù)為0.26,體積為67.59m3,滑動(dòng)力為1205.54kN,塊體在坡面出露面積為75.29m2,平均深度0.90m,小于設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度6m～9m;每根錨桿平均受力144.11kN。

4.3 J4、J7、J2和J6組合

洞臉邊坡以上開(kāi)挖邊坡方向?yàn)镹78°33′03″W,開(kāi)挖坡比1∶0.5。計(jì)算取值為:傾向11.5°,傾角63°。根據(jù)關(guān)鍵塊體搜索程序SRM,搜尋出由J4、J7、J2和J6四組節(jié)理形成的最大關(guān)鍵塊體,其滑動(dòng)力系數(shù)和安全系數(shù)見(jiàn)圖7和圖8。最大關(guān)鍵塊體只有0010這一塊,其形狀見(jiàn)圖10,由J2和J6構(gòu)成滑動(dòng)面。其滑動(dòng)力系數(shù)為0.09,安全系數(shù)為0.82,體積為37.33m3,滑動(dòng)力為85.61kN,塊體在坡面出露面積為27.54m2,平均深度1.36m,小于設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度6m～9m;按施工設(shè)計(jì)的3.0m×3.0m錨桿布置(錨桿深度6m～9m),平均每塊出露塊體約布置3根錨桿,每根錨桿平均受力27.98kN。

圖9 邊坡最大關(guān)鍵塊體0010形狀示意(J4、J7、J2和J6組合)

4.4 J4、J7、J2和J9組合

根據(jù)關(guān)鍵塊體搜索程序SRM,搜尋出由J4、J7、J2和J9四組節(jié)理形成的最大關(guān)鍵塊體,其滑動(dòng)力系數(shù)和安全系數(shù)見(jiàn)圖10和圖11。找到最大關(guān)鍵塊體0000和0010,其安全系數(shù)各為1.93和1.76,均不可動(dòng),所以在J4、J7、J2和J9組合下右岸放空洞進(jìn)口邊坡以上沒(méi)有可動(dòng)的關(guān)鍵塊體。

表3給出了上述分析的綜合結(jié)果。經(jīng)分析可知,此邊坡在各種危險(xiǎn)節(jié)理組合情況下形成的塊體條件較好,關(guān)鍵塊體在坡面的出露面積相對(duì)較大,平均深度為1m～1.5m左右,小于錨桿的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度6m～9m,且錨桿受力最大約150kN,均在錨桿受力范圍之內(nèi),能達(dá)到穩(wěn)定要求。

表3 邊坡最大關(guān)鍵塊體匯總

5 結(jié)論

應(yīng)用塊體理論赤平解析法分析某水電站放空洞進(jìn)口邊坡的穩(wěn)定性,可以得到如下結(jié)論:

5.1 從塊體理論分析結(jié)果來(lái)看,此邊坡穩(wěn)定性總體情況較好,只是由于結(jié)構(gòu)面切割在局部可形成不穩(wěn)定塊體,局部塊體的穩(wěn)定性主要受控于J4、J7兩組陡傾角裂隙,需密切關(guān)注J4、J7的發(fā)育情況。

5.2 塊體理論是裂隙巖體穩(wěn)定性識(shí)別、分析的有效方法,一定程度上彌補(bǔ)了連續(xù)介質(zhì)理論的局限性。

5.3 塊體理論通過(guò)關(guān)鍵塊搜索,可明確不穩(wěn)定塊體的幾何特征與穩(wěn)定性。放空洞進(jìn)口邊坡小斷層和擠壓破碎帶較發(fā)育,其產(chǎn)狀對(duì)上游側(cè)邊坡穩(wěn)定不利,應(yīng)加強(qiáng)錨固措施;在下游側(cè)邊坡巖體中,不存在控制邊坡穩(wěn)定的軟弱結(jié)構(gòu)面。因此,工程邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中,應(yīng)采取相應(yīng)的支護(hù)措施。

〔1〕Shi Genhua,Goodman R E.Block Theory and Its App lication to Rock Engineering[M].New York:Prentice Hall,1985.

〔2〕Shi G H,Goodman R E.The Key Blocks of Unrolled Joint Traces in Developed Maps of Tunnel Walls[J].international Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics.1989,(13):131～158.

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〔4〕鄔愛(ài)清,張奇華.巖石塊體理論中三維隨機(jī)塊體幾何搜索[J].水利學(xué)報(bào),2005,36(4).

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