含不利組合結(jié)構(gòu)面的高邊坡開挖穩(wěn)定性分析

黨 莉， 劉 軍，劉海飛，盧 鵬，陳 星

（1.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002；2.二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610021；3.中國葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，湖北宜昌 443002；4.南方電網(wǎng)天生橋水力發(fā)電總廠，貴州 興義 562400）

0 引言

為了滿足高速發(fā)展的國民經(jīng)濟(jì)對電力和水資源的巨大需求，我國已經(jīng)和即將建成一大批大型水利水電工程。這些工程的建設(shè)都不可避免地要在各種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件下，人為地開挖形成各種各樣的高陡巖石邊坡，其工程穩(wěn)定性問題會對工程修建的可行性決策起到重要作用，并直接影響投資效益[1]。

對于邊坡穩(wěn)定性的分析方法很多[2-4]，目前，較為流行的是以FLAC3D為代表的有限差分法，在邊坡穩(wěn)定性分析中得到廣泛應(yīng)用[5]。塊體極限平衡理論是近年來發(fā)展和完善的一種巖體工程穩(wěn)定性分析的研究方法，是用于分析非連續(xù)體穩(wěn)定性的有效方法之一，故塊體理論在工程巖體穩(wěn)定性分析中具有獨特的生命力，發(fā)展較為迅速[6-7]。

本文綜合運用有限差分法和塊體極限平衡法對某開挖高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。有限差分法對邊坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行評價，塊體極限平衡法對邊坡局部穩(wěn)定性進(jìn)行評價，所得結(jié)論對工程施工具有指導(dǎo)意義。

1 工程地質(zhì)概況

某開挖巖質(zhì)高邊坡的開挖步驟為：①460～493 m高程，坡比為1∶0.3；②430～460 m高程，坡比為1∶0.3； ③400～430 m 高程， 坡比為 1∶0.3； ④370～400 m 高程， 坡比為 1∶0.3； ⑤ 360～370 m 高程，坡比為 1∶0.3；⑥ 310～360 m高程，近似垂直。

邊坡整體基本穩(wěn)定，巖質(zhì)堅硬，巖體較完整；邊坡靠近上游側(cè)有影響邊坡穩(wěn)定性的不利結(jié)構(gòu)面組合，穩(wěn)定性相對較差，開挖爆破等外力作用會影響邊坡巖體的穩(wěn)定性。其中，不利結(jié)構(gòu)面主要有張開的層面L1及小斷層f1、f2，見圖1。

圖1 邊坡結(jié)構(gòu)面示意

（1）f1斷層在坡面揭露，在465 m高程開挖邊坡自上游起與坡底約交于0+24樁號處，產(chǎn)狀50°∠84°，切割L1，略有錯動，錯距約20 cm；L1以上為閉合面，稍彎曲，L1以下局部破碎夾泥，厚5～10mm，擦痕明顯。該小斷層自坡頂延伸至高程460 m左右，跡長約20 m。

（2）f2小斷層在465 m高程開挖邊坡自上游起與坡底約交于0+36樁號處，產(chǎn)狀332°∠69°，斷面明顯擦痕，面稍起伏，局部夾泥，泥厚一般1～5 cm；斷層帶糜棱巖化，寬20～40 cm，局部風(fēng)化碎石夾泥。目前該小斷層自頂部延伸至已開挖邊坡435 m高程處。

2 三維有限元差分分析

計算中運用的數(shù)值方法是有限差分法，其基本力學(xué)模型是彈塑性本構(gòu)關(guān)系，采用帶抗拉截斷的M-C屈服準(zhǔn)則，采用專業(yè)計算軟件FLAC3D作為計算平臺。邊坡模型網(wǎng)格見圖2?？紤]巖體開挖卸荷作用，模型中劃分了寬約10 m的卸荷帶，以反映開挖過程中開挖面附近巖體參數(shù)的弱化。

圖2 邊坡網(wǎng)格模型和結(jié)構(gòu)面

整個邊坡位移等值線見圖3。X、Y、Z向最大相對位移分別為11、10、18 mm，X向向坡外的最大相對位移發(fā)生在開挖邊坡的上部，Y向向坡外的最大相對位移發(fā)生在開挖邊坡中上部，Z向最大相對位移發(fā)生在邊坡底部。

邊坡第一主應(yīng)力等值線見圖4。從圖4中可以看出，最大拉應(yīng)力值為1.0 MPa，主要集中在底部隆起部位，對坡體穩(wěn)定性威脅較小。從邊坡整體來看，開挖以后并未出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力區(qū)，基本上以壓應(yīng)力為主。

開挖后邊坡塑性區(qū)分布見圖5。從圖5中可以看出，開挖以后邊坡的塑性區(qū)集中在馬道圈頂和斷層附近。塑性區(qū)的具體分布情況為：430～460 m高程之間沿斷層f1擴(kuò)展，寬約1 m；400 m高程處沿馬道外側(cè)向下擴(kuò)展，寬5～10 m；370 m高程處同樣沿馬道外側(cè)向下擴(kuò)展，寬2～3m。

3 塊體極限平衡分析

邊坡的穩(wěn)定性分析中，軟弱結(jié)構(gòu)面的起著控制性作用。因此，有必要用極限平衡法進(jìn)行進(jìn)一步的分析。下面用塊體極限平衡理論詳細(xì)分析邊坡的局部穩(wěn)定性。

3.1 可能塊體組合及失穩(wěn)模式判斷

邊坡發(fā)育的主要結(jié)構(gòu)面有：控制性斷層f1、f2產(chǎn)狀分別為 50°∠84°、 332°∠69°； 上游開挖面產(chǎn)狀為180°∠73°； 下游開挖面產(chǎn)狀為 0°∠73°； 內(nèi)側(cè)開挖面產(chǎn)狀為90°∠73°。在施工過程中，開挖面是動態(tài)移動的。

采用赤平投影法分析可知，上述結(jié)構(gòu)面和下游開挖面之間的組合，可能構(gòu)成潛在的不穩(wěn)定塊體。判斷以上組合中可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定塊體失穩(wěn)模式見圖6。從赤平投影分析可知塊體存在雙面滑動的可能性。

圖3 相對位移等值線 （單位：mm）

3.2 塊體穩(wěn)定性分析

（1）計算參數(shù)。依據(jù)開挖揭露出的小斷層性狀，f1小斷層抗剪斷強(qiáng)度 f′取 0.50， c′取 0.1 MPa； f2小斷層抗剪斷強(qiáng)度 f′取 0.35， c′取 0.03 MPa。

圖4 第一主應(yīng)力等值線

圖5 塑性區(qū)分布

圖6 塊體的可能失穩(wěn)模式判斷 （坡面產(chǎn)狀0°∠73°）

（2）計算方法及假設(shè)。采用極限平衡方法，假設(shè)作用在滑面上的切向力與滑面交棱線平行，考慮到計算中的塊體在空間延伸長度有限，忽略坡面空間起伏對楔形體穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，即坡面按空間平面來處理。

（3）局部穩(wěn)定性分析成果。根據(jù)可能塊體組合及失穩(wěn)模式判斷結(jié)果，應(yīng)用楔形體穩(wěn)定分析程序?qū)赡苄纬傻牟环€(wěn)定塊體進(jìn)行分析，組合形成的楔形體空間見圖7。楔形體滑落示意見圖8。

在430～460 m高程開挖施工過程中，形成的開挖剖面可能與兩組結(jié)構(gòu)面組成不穩(wěn)定塊體，故應(yīng)重視開挖方向和順序，特別是爆破擾動可能造成不穩(wěn)定塊體下滑；開挖完成后兩組結(jié)構(gòu)面距離下游開挖面較遠(yuǎn)，組成不穩(wěn)定塊體的可能性不大，故開挖完成后局部穩(wěn)定性基本能得到保證。

圖7 楔形體空間視圖 （坡面產(chǎn)狀0°∠73°）

圖8 楔形體滑落示意

4 結(jié)語

綜合運用有限差分法和塊體極限平衡法對開挖高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到如下結(jié)論：

（1）邊坡穩(wěn)定性分析中，軟弱結(jié)構(gòu)面起著控制性作用，考慮卸荷后的計算結(jié)果表明，斷層對該邊坡的整體相對位移應(yīng)力有一定的影響，但是局部的小斷層對邊坡的整體穩(wěn)定沒有構(gòu)成較大威脅，但部分含有斷層的區(qū)域應(yīng)該給予重點關(guān)注。

（2）從有限差分計算結(jié)果分析可知，邊坡整體的位移較小，邊坡開挖后在X、Y向的最大相對位移發(fā)生在中部370 m高程附近，而Z向的最大相對位移發(fā)生在開挖底部；第一主應(yīng)力中最大拉應(yīng)力為1.0 MPa，主要集中在底部隆起部位，對坡體穩(wěn)定性威脅較小；開挖以后的塑性區(qū)集中在每級馬道附近，特別是弧形馬道的圈頂部分塑性區(qū)集中尤為明顯，應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行加固。因此，建議對邊坡每級開挖的坡腳進(jìn)行監(jiān)測，尤其是在370 m高程的位置。并且建議在開挖高程370 m處、馬道圈頂和斷層附近施加錨桿，以保證該邊坡開挖后的穩(wěn)定性。

（3）采用塊體理論對邊坡的局部穩(wěn)定性進(jìn)行分析計算可知，在430～460 m高程開挖施工過程中，形成的開挖剖面可能與兩組結(jié)構(gòu)面組成不穩(wěn)定塊體，故施工過程中開挖方向和順序應(yīng)該重視，及時觀察f1、f2的產(chǎn)狀和延伸情況，特別注意爆破擾動可能造成不穩(wěn)定塊體下滑。

（4）開挖完成后兩組結(jié)構(gòu)面距離下游開挖面較遠(yuǎn)，組成不穩(wěn)定塊體的可能性不大，故開挖完成后局部穩(wěn)定性基本能得到保證。但考慮到水對開挖以后邊坡整體穩(wěn)定性的影響，建議頂部開口線處設(shè)截水溝、每級馬道內(nèi)側(cè)設(shè)排水溝，以控制雨水對邊坡穩(wěn)定的影響。

［1］ 張敏，黃潤秋，史新鵬.小灣水電工程壩前2號山梁高邊坡穩(wěn)定性評價［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版）， 2009， 24（1）:53-57.

［2］ 孫玉科，牟會寵，姚寶魁.邊坡巖石穩(wěn)定性分析［M］.北京：科學(xué)出版社，1998.

［3］ 陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析·原理·方法·程序［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.

［4］ 楊軍.邊坡穩(wěn)定性分析方法綜述［J］.山西建筑， 2009，35（4）:144-145.

［5］ Itasca Consulting Group Inc.FLAC3D （Fast Lagrangian Analysis of Continuain3Dimension）User'sManualsVersion2.1 ［Z］.Mineapolis,Minnesota,2002.

［6］ 劉錦華，呂祖珩.塊體理論在工程巖體穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用［M］.北京：水利電力出版社，1988.

［7］ 于青春，陳德基，薛果夫，等.裂隙巖體一般塊體理論初步［M］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2005（6）:42-48.