順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性及敏感性研究

侯爭軍

(中國大唐集團(tuán)四川分公司，四川成都 610091)

0 引言

隨著我國水利水電工程建設(shè)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了大量的順層巖質(zhì)邊坡工程問題，有些順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性問題直接決定著工程修建的可行性。順層巖質(zhì)邊坡是指傾斜方向與邊坡層狀基巖的傾向接近或大體一致的邊坡。影響其穩(wěn)定性的主要因素有結(jié)構(gòu)面傾角大小、粘聚力、內(nèi)摩擦角、地下水以及節(jié)理裂隙切割狀況等。

本文結(jié)合某水電站的順層巖質(zhì)邊坡工程，運(yùn)用有限元法，對(duì)影響順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析，并對(duì)粘聚力、內(nèi)摩擦角、結(jié)構(gòu)面傾角和地下水影響因子的敏感性問題進(jìn)行分析，從而得到了順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的一些規(guī)律。

1 邊坡工程概況

某水電站邊坡工程位于西南部山區(qū)，地形地貌條件十分復(fù)雜，自然邊坡高陡，基巖裸露，邊坡穩(wěn)定性較差，其中順層邊坡的穩(wěn)定性問題較為突出。自然邊坡高大于300 m，開挖邊坡高約125 m，寬約130 m，開挖坡比1∶0.5，巖性以花崗巖為主，巖石組分中石英含量約占35%，鉀長石含量大于20%，斜長石約占40%，黑云母3%，角閃石1%，鐵礦石少許。其軟弱夾層厚度為1 mm～5 mm，其傾斜方向與基巖傾向呈順層關(guān)系，依據(jù)試驗(yàn)資料，軟弱夾層的強(qiáng)度參數(shù)為c=30 kPa，φ=25°，邊坡設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。巖體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

圖1 順層邊坡設(shè)計(jì)斷面圖

表1 巖體物理力學(xué)指標(biāo)值表

2 順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

2.1 有限元模型［4］

本次分析計(jì)算將巖土體材料視為各向同性的理想彈塑性材料，Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則可以較準(zhǔn)確描述這類材料，Drucker-Prager函數(shù)的表達(dá)式如下:

其中，I1為應(yīng)力第一不變量;J2為偏應(yīng)力第二不變量;a，δy均為Drucker-Prager準(zhǔn)則的相關(guān)參數(shù)。

2.2 邊坡穩(wěn)定性與粘聚力關(guān)系

在無地下水位時(shí)，取 c=15°，20°，25°，30°，35°，40°，50°共7個(gè)值，其他參數(shù)不變，c與邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)的關(guān)系見圖2。

圖2 順層邊坡穩(wěn)定性與粘聚力c的關(guān)系

由圖2可以看出，安全系數(shù)與粘聚力基本上保持線性關(guān)系，隨著粘聚力c的增大，安全系數(shù)Fs也隨之增大。邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs對(duì)于巖體粘聚力c的變化率為0.006～ -0.028，平均值為0.017。

2.3 邊坡穩(wěn)定性與內(nèi)摩擦角關(guān)系

在無地下水位時(shí)，取 φ =15°，20°，25°，30°，35°，40°，45°的 7個(gè)值，其他參數(shù)不變，φ與邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)的關(guān)系見圖3。

圖3 順層邊坡穩(wěn)定性與內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系

由圖3可以看出，安全系數(shù)與內(nèi)摩擦角φ基本上保持線性關(guān)系，隨著內(nèi)摩擦角φ的增大，安全系數(shù)Fs也隨之增大。邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs對(duì)于巖體內(nèi)摩擦角φ的變化率為0.008～-0.04，其平均值為 0.02。

2.4 邊坡穩(wěn)定性與地下水位的關(guān)系

本文將地下水位的高度以水位線距邊坡頂面的距離來表示，地下水位為0時(shí)表示地下水位線沿邊坡坡面分布。計(jì)算中考慮了滲水壓力的影響作用，取地下水位為0，1，2，3，4，5 共6 個(gè)值，其他參數(shù)不變，hw與邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)的關(guān)系見圖4。

圖4 順層邊坡穩(wěn)定性與地下水位hw關(guān)系

由圖4可以看出，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs對(duì)地下水位hw的反應(yīng)比較敏感，隨著地下水位hw的不斷升高，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs逐漸減小。邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs對(duì)于地下水位hw的變化率為0.02 ～0.04，其平均值為0.03。

2.5 邊坡穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)面傾角關(guān)系

為研究結(jié)構(gòu)面傾角與邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的關(guān)系，依次改變結(jié)構(gòu)面傾角為 15°，20°，25°，30°，34°，35°，40°，45°共 8 個(gè)值，保持其他參數(shù)不變，邊坡結(jié)構(gòu)面傾角與邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的關(guān)系見圖5。

圖5 邊坡結(jié)構(gòu)面傾角與安全系數(shù)關(guān)系

由圖5可以看出，當(dāng)邊坡結(jié)構(gòu)面傾角小于34°時(shí)，結(jié)構(gòu)面傾角與邊坡安全系數(shù)成反比關(guān)系，計(jì)算表明此范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)面傾角越小則越有利于增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性;當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角大于34°時(shí)，邊坡安全系數(shù)與結(jié)構(gòu)面傾角成正比關(guān)系，計(jì)算表明在此范圍內(nèi)順層傾角越大則越有利于增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性;邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs對(duì)于結(jié)構(gòu)面傾角的變化率為0.002 4～ -0.09，平均值為0.05。

3 結(jié)語

1)根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，順層巖質(zhì)邊坡的4個(gè)主要影響因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響按敏感程度大小依次排序?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面傾角、地下水、內(nèi)摩擦角和粘聚力。其中結(jié)構(gòu)面傾角的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響最敏感，在本工程地質(zhì)條件下傾角為34°時(shí)，順層邊坡穩(wěn)定性最差，是邊坡工程治理中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的巖體部位。

2)順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性受軟弱結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)控制非常明顯，其軟弱結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度越高，則邊坡的穩(wěn)定性越好。注意加強(qiáng)邊坡排水設(shè)施的修建，保持邊坡排水順暢，盡可能降低邊坡的地下水位。

［1］馬連城，鄭桂斌.我國水利水電工程高邊坡的加固與治理［J］.水力發(fā)電，2000(1):34-37.

［2］陳從新，黃平路，盧增木.巖層傾角影響順層巖石邊坡穩(wěn)定性的模型試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2007，28(3):476-481.

［3］劉才華，徐 健，曹傳林.巖質(zhì)邊坡水力驅(qū)動(dòng)型順層滑移破壞機(jī)制分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(19):3529-3533.

［4］趙尚毅，鄭穎人.邊坡穩(wěn)定性分析的有限元法［J］.地下空間，2001，21(5):450-454.

［5］張紹波，趙中椋.巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響［J］.山西建筑，2013，39(7):63-64.