某水電站壩肩隨機(jī)塊體穩(wěn)定系數(shù)敏感性影響分析

楊昌斌,嚴(yán)華,譚錦榮

(1.中交四航工程研究院有限公司,廣州 510230;2.廣東省科源工程監(jiān)理咨詢公司,廣州 510170; 3.中交第四航務(wù)工程局有限公司,廣州 510230)

某水電站壩肩隨機(jī)塊體穩(wěn)定系數(shù)敏感性影響分析

楊昌斌1,嚴(yán)華2,譚錦榮3

(1.中交四航工程研究院有限公司,廣州 510230;2.廣東省科源工程監(jiān)理咨詢公司,廣州 510170; 3.中交第四航務(wù)工程局有限公司,廣州 510230)

針對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件,運(yùn)用三維極限平衡法對(duì)某水電站壩肩隨機(jī)塊體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,并研究了塊體穩(wěn)定系數(shù)Fs的敏感性影響因子。通過(guò)敏感性計(jì)算,確定了結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)(包括粘聚力C、抗剪斷摩擦系數(shù)f)和結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀(包括傾向和傾角)兩組主要影響因子,分析了以上影響因子與Fs的變化規(guī)律。根據(jù)主要影響因子的變化規(guī)律比較,得出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀是影響隨機(jī)塊體穩(wěn)定性主導(dǎo)因素的結(jié)論。敏感性影響因子的變化規(guī)律分析,為壩肩抗滑設(shè)計(jì)和治理提供了一定的理論依據(jù)。

三維極限平衡法;抗剪強(qiáng)度參數(shù);產(chǎn)狀;敏感性分析

壩肩所在地形地質(zhì)條件,包括巖體斷層、裂隙等一般較為復(fù)雜,是影響壩肩安全穩(wěn)定的主要因素。影響壩肩巖體穩(wěn)定的因素很多,通過(guò)隨機(jī)塊體理論搜索壩肩潛在的不穩(wěn)定塊體,并進(jìn)行因素敏感性分析,可以找出決定壩肩巖體穩(wěn)定的主導(dǎo)因素,從而為壩肩抗滑設(shè)計(jì)和治理提供依據(jù)。

1 工程概況

某水電站擋水建筑物為拋物線型碾壓混凝土雙曲拱壩,壩頂高程1452.5 m,壩底高程1285 m,最大壩高167.5 m,為目前世界上最高的碾壓混凝土拱壩。壩肩巖體主要由中厚層-塊狀灰?guī)r和中厚層-塊狀白云巖組成。壩肩抗滑的主要工程地質(zhì)問(wèn)題是在左岸壩肩存在一組以J14為代表的張性裂隙及沿裂隙發(fā)育的夾泥溶洞(表1)。該張性裂隙和層面裂隙組合可形成楔形塊體,對(duì)壩肩穩(wěn)定不利,因此需要對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,從而為設(shè)計(jì)和治理提供依據(jù)。

表1 壩肩發(fā)育的結(jié)構(gòu)面一覽表Table 1 Schedule of structural p lanes developing in the dam abutment

2 塊體理論計(jì)算基本原理

2.1 運(yùn)動(dòng)模式分析

塊體的運(yùn)動(dòng)形式有3種,即脫離巖體(脫落或上托)、單面滑動(dòng)及雙面滑動(dòng)[1]。

(1)塊體脫離巖體運(yùn)動(dòng)

(2)單面滑動(dòng)

其中,

塊體沿結(jié)構(gòu)面i的滑動(dòng)還必須滿足下列兩個(gè)條件:

(3)雙面滑動(dòng)

塊體沿兩個(gè)結(jié)構(gòu)面i和j運(yùn)動(dòng),即沿兩結(jié)構(gòu)面的交線運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)方向Sij與主動(dòng)力合力呈銳角相交,即:

式中,k代表塊體各結(jié)構(gòu)面,但k≠i≠j。

2.2 穩(wěn)定性安全系數(shù)

(1)塊體脫離巖體運(yùn)動(dòng)

(2)單面滑動(dòng)

按極限平衡的概念,塊體的穩(wěn)定安全系數(shù)為作用在塊體上的阻滑力與滑動(dòng)力之比,阻滑力為主動(dòng)力引起的在滑面上反作用力造成的抗剪力,滑動(dòng)力為在滑動(dòng)方向上的分量。當(dāng)考慮滑移面的粘聚力作用時(shí),安全系數(shù)Fc的計(jì)算公式為:

式中,fi、Ci分別為滑動(dòng)面摩擦系數(shù)和粘聚力;Ai為塊體滑動(dòng)面的面積;Ni、Ti為合力在滑動(dòng)面i上沿法向和切向上的分量。

(3)雙面滑動(dòng)

考慮滑移面的粘聚力時(shí),塊體的安全系數(shù)為:

式中,fi、Ci、fj、Cj分別為滑面i、j的摩擦系數(shù)和粘聚力;Ai、Aj為滑面i、j的面積;Ni、Nj為合力在滑面i、j法向上的分量;Tij為合力沿滑面i、j交線方向上的滑動(dòng)力分量。

其中,Ni、Nj、Tij通過(guò)以下各式進(jìn)行計(jì)算:

3 壩肩穩(wěn)定性分析

3.1 穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算

根據(jù)張性裂隙、層面溶濁裂隙、卸荷裂隙以及切層裂隙的空間組合關(guān)系及其與邊坡坡面的方位關(guān)系,利用塊體理論搜索出左壩肩邊坡潛在可移動(dòng)塊體類型主要有2組(1#、2#),右壩肩下游邊坡潛在可移動(dòng)塊體類型有1組(3#)。楔形體塊體參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

表2 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table 2 Shearing resistance parameters of structural p lane

表3 潛在楔形體結(jié)構(gòu)面組合Table 3 Structural p lane combination of potential sphenoid

根據(jù)剛體極限平衡分析,壩肩楔形體受力分析模型(為突出楔形體所受外力,圖示未列重力和塊體與母體之間的作用力;圖示豎向力、順河力、橫河力均為拱壩傳遞給壩肩上楔形體的外部作用力)如圖1所示。根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5346-2006),在該拱壩壩肩穩(wěn)定計(jì)算報(bào)告中,對(duì)1#～3#楔形體在不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算,其穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

圖1 拱壩楔形體受力分析模式Fig.1 Force analysismode of arch dam sphenoid

表4 拱壩壩肩穩(wěn)定計(jì)算成果Table 4 Stability calculation results of arch dam abutment

3.2 穩(wěn)定影響因素敏感性分析

壩肩穩(wěn)定影響因素敏感性分析就是研究和分析由于影響壩肩巖體各因素的不確定性變化所產(chǎn)生的影響,即研究工程主體發(fā)生變化而使穩(wěn)定系數(shù)發(fā)生變化程度。如果某些不確定性因素在一定范圍內(nèi)變化使穩(wěn)定系數(shù)產(chǎn)生很大變化幅度,則說(shuō)明這些不確定性因素是敏感性強(qiáng)的,反之則是敏感性不強(qiáng)的。由于各因素對(duì)穩(wěn)定系數(shù)Fs的影響程度不同(即敏感性大小不同),因此需要以定量的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)找出其中影響較大的因子,并分析其影響規(guī)律[2,3]。敏感因子對(duì)穩(wěn)定系數(shù)Fs影響程度的大小可用敏感性系數(shù)來(lái)反映。因素敏感性系數(shù)的定義如下:

式中,|Δx|為X因素的變化量;Fso為各因素的基準(zhǔn)值計(jì)算出的穩(wěn)定性系數(shù)基準(zhǔn)值;|ΔFs|為某一因素變化所引起的穩(wěn)定性系數(shù)變化量。

一般來(lái)說(shuō),結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)和結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對(duì)壩肩楔形體穩(wěn)定性影響較大,因此取結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)和結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等因素進(jìn)行敏感性分析。以1#楔形體在校核洪水位加溫升工況的穩(wěn)定性分析為例,根據(jù)塊體理論計(jì)算結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)和結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀變化引起的穩(wěn)定性系數(shù)變化值,并分析出各因子對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)的敏感性。

假定1#楔形體后緣拉裂面連通率為100%,圖2～4為后緣拉裂面傾角、傾向與楔形體穩(wěn)定系數(shù)的敏感性分析結(jié)果。由計(jì)算可知,隨著拉裂面傾角在40°～90°范圍的增大,穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大。在拉裂面傾向在90°～130°范圍內(nèi)逐漸增大時(shí),穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小。其原因是由于拉裂面傾角、傾向的改變,使得楔形體體積發(fā)生變化,抗滑力和下滑力也隨之發(fā)生改變。

圖2 拉裂面傾角敏感性分析Fig.2 Suscep tibility analysis on the dip angle of pull apart p lane

圖3 拉裂面傾向敏感性分析Fig.3 Suscep tibility analysis on the dip of pull apart plane

圖4 側(cè)裂面②抗剪斷摩擦角敏感性分析Fig.4 Suscep tibility analysis on the shearing resistance friction angle of sideslip surface②

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,拉裂面傾角與穩(wěn)定系數(shù)呈正相關(guān)(圖2),相關(guān)系數(shù)大于0.99;拉裂面傾向與穩(wěn)定系數(shù)呈負(fù)相關(guān)(圖3);側(cè)裂面抗剪強(qiáng)度參數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)呈正相關(guān)(圖4、圖5)。

圖5 側(cè)裂面②粘聚力敏感性分析Fig.5 Suscep tibility analysis on the cohesive strength of sideslip surface②

根據(jù)式(18)～(20)可以得出表5。

由表5可知,拉裂面的傾向是影響1#楔形體穩(wěn)定性大小的最敏感的因素,其敏感性系數(shù)達(dá)3.884;其次是拉裂面傾角的影響,敏感性系數(shù)為1.092;然后是側(cè)裂面②抗剪斷摩擦系數(shù)的影響,敏感性系數(shù)為0.700;側(cè)裂面②粘聚力的影響最小,敏感性系數(shù)為0.085。同理對(duì)楔形體2#和3#進(jìn)行分析,得到類似結(jié)果。

表5 因素敏感性系數(shù)計(jì)算Table 5 Suscep tibility coefficient calculation of factors

4 結(jié)論

對(duì)于隨機(jī)塊體而言,組成塊體的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和抗剪強(qiáng)度參數(shù)是具有隨機(jī)性的。潛在楔形體結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)在一定程度上是通過(guò)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)來(lái)預(yù)估。由于地質(zhì)體的復(fù)雜性,潛在楔形體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和延伸程度卻很難預(yù)測(cè)。

對(duì)一般巖土體邊坡而言,若確定了潛在滑面的位置,則潛在滑面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)往往是影響穩(wěn)定性最主要的因素(如文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]其結(jié)論是滑面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是影響穩(wěn)定性最主要的因素),但是對(duì)于隨機(jī)塊體理論而言,人們更應(yīng)該重視可能形成塊體的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀,更應(yīng)該關(guān)注野外的工程地質(zhì)調(diào)查工作。隨著巖體結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬理論與應(yīng)用的發(fā)展,從宏觀角度對(duì)壩肩塊體系統(tǒng)整體穩(wěn)定性分析的研究越來(lái)越得到工程地質(zhì)學(xué)者和技術(shù)人員的重視。

對(duì)拱壩壩肩設(shè)計(jì)而言,結(jié)構(gòu)面力學(xué)指標(biāo)和產(chǎn)狀等是控制穩(wěn)定計(jì)算的關(guān)鍵指標(biāo)。拱肩槽開(kāi)挖后將形成三面凹坡,若挖后揭露的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和力學(xué)性質(zhì)與目前提供的數(shù)據(jù)有差別,或出現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)面時(shí),應(yīng)對(duì)實(shí)際揭露的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行調(diào)查與試驗(yàn),并進(jìn)行塊體穩(wěn)定性分析或其他必要的分析研究。

[1]楊昌斌,池為,姜清輝,等.萬(wàn)家口子水電站高碾壓混凝土拱壩壩肩三維可視化穩(wěn)定分析[J].紅水河,2008,27(4):47-50.

[2]周佳榮,易發(fā)成,侯莉.多因素作用下邊坡穩(wěn)定影響因素敏感性分析[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,23(2):31-36.

[3]任奮華,楊志軍,劉艷,等.滑動(dòng)帶穩(wěn)定系數(shù)的敏感性影響規(guī)律的研究[J].金屬礦山,2009,5:155-157.

STABIL ITY SENSIBIL ITY ANALYSISONDAM ABUTM ENT BASE BY RANDOM BLOCK THEORY

YANG Chang-bin1,YAN Hua2,TAN Jin-rong3
(1.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.,L td,Guangzhou 510230,China; 2.Guangdong Keyuan Engineering Supervision Consultant Company,Guangzhou 510170,China; 3.CCCC Fourth Harbo r Engineering Co.,L td,Guangzhou 510230,China)

There are lo ts of discontinuities w hose geometry exhibits a random behavio r in rock excavated slopes,and the failure surface of the slope is no rmally consisted of the joints and rock-bridges.The rock mass of dam abutment is enclosed by faults,joint fissures and bedding planes,and it is necessary to carry out stability sensibility analysis in o rder to make the abutment w ithstand potential slide.In the paper,three-dimensional limiting equilibrium method is emp loyed for stability analysison the dam abutment.The facto r influencing the dam abutment stability is numerous.The leading facto r can be found out through the sensitivity analysis,w hich offered the basis for administration and design of the dam abutment.The sensitivity study indicates that the two main influencing factors are shear strength parameters and occurrences of rock mass structure.The change law sof Fs under different conditions are analyzed and it is concluded that the occurrences of rock mass structure are the most sensitive one of the two.The analysisof sensitivity influencing facto rs can p rovide a theo retical basis for the dam abutment stability analysis.

three-dimensional limiting equilibrium method;shear strength parameters;occurrences;sensibility analysis

P642;TU 457

:A

1006-4362(2010)02-0044-04

楊昌斌(1977- ),男,湖北云夢(mèng)人,高級(jí)工程師,博士,主要從事巖土工程設(shè)計(jì)與施工、隧道與地下空間工程設(shè)計(jì)與施工、水利水電工程設(shè)計(jì)與施工、地質(zhì)災(zāi)害治理、軟土地基處理及其相關(guān)科研教學(xué)工作。

2009-12-27改回日期:2010-05-07