某水庫(kù)巖質(zhì)邊坡三維離散元穩(wěn)定性分析

文 新,曹東勇,安亞杰

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074；2.河南省水利勘測(cè)有限公司,河南 鄭州 450008)

1 引言

隨著大規(guī)模水利工程的建設(shè),工程開挖往往形成高陡巖質(zhì)邊坡,一旦邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞將會(huì)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。例如1989年云南漫灣水電站在開挖左壩肩過程中發(fā)生滑坡,滑坡體積達(dá)到10.8×104m3,導(dǎo)致水電站延遲一年發(fā)電,直接經(jīng)濟(jì)損失超過1億元[1]。邊坡巖體由結(jié)構(gòu)面和它所圍限的結(jié)構(gòu)體組成,結(jié)構(gòu)面是巖體內(nèi)形成的具有一定延伸方向、長(zhǎng)度和規(guī)模的地質(zhì)界面或帶,例如層面、斷層、節(jié)理、裂隙等。巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性除受到工程地質(zhì)條件、巖石物理力學(xué)性質(zhì)、天然應(yīng)力、地下水和外部荷載作用影響外,主要受巖體結(jié)構(gòu)面控制[2]。

目前巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析主要有定性分析法和定量分析法。定性分析法通過研究邊坡巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等,結(jié)合邊坡成因及演化規(guī)律,定性地闡釋邊坡可能發(fā)生的變形破壞方式。常見的定性分析法有工程地質(zhì)類比法、自然歷史分析法、模型試驗(yàn)法和圖解法等[3]。

定量分析法包括極限平衡法和數(shù)值分析法兩類。數(shù)值分析法中,有限元法(FEM)、邊界元法(BEM)和有限差分法(FLAC)對(duì)連續(xù)介質(zhì)比較適用。而離散單元法將巖體離散為塊體單元,允許單元自由移動(dòng)和離開,可以真實(shí)模擬裂隙巖體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),分析結(jié)果更為可靠[4]。

本文以某水庫(kù)巖質(zhì)邊坡為研究對(duì)象,在現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)分析了邊坡優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀,對(duì)巖體進(jìn)行質(zhì)量分級(jí),提出了巖體和結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)。運(yùn)用赤平投影法分析了邊坡可能發(fā)生的破壞模式,采用3DEC軟件分別分析了邊坡在自然、暴雨和地震不同工況下發(fā)生平面滑動(dòng)、楔形體滑動(dòng)的穩(wěn)定性,對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2 邊坡工程地質(zhì)條件

邊坡坡高60m,坡面傾向135°,開挖有5級(jí)馬道,坡角為63°。典型剖面的工程地質(zhì)剖面圖見圖2.1所示。

圖2.1 邊坡典型剖面工程地質(zhì)剖面圖

邊坡區(qū)歷史上從未發(fā)生過三級(jí)以上地震,屬于構(gòu)造穩(wěn)定區(qū),不考慮初始地應(yīng)力作用。根據(jù)邊坡鉆孔顯示,邊坡地下水位較低,在自然狀態(tài)下巖體裂隙內(nèi)未見滴水,故自然狀態(tài)下不考慮地下水作用。

表2.1 邊坡巖石物理力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)面特征與巖體質(zhì)量分級(jí)

3.1 邊坡優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面分組

邊坡巖體發(fā)育有十幾條長(zhǎng)數(shù)米、寬0.1～1m不等的斷層,斷層面張開,一般較粗糙,且分布有斷層角礫巖,部分已風(fēng)化。巖體還發(fā)育有幾十條裂隙,長(zhǎng)度在十幾厘米至3米之間,寬度一般在3mm以內(nèi),裂隙面微張開,粗糙不平,有充填物,充填物多為泥質(zhì)、鐵質(zhì)、鐵錳質(zhì)薄膜。

繪制了結(jié)構(gòu)面的玫瑰花圖和極點(diǎn)等密度圖,見圖3.1和圖3.2所示。

圖3.1 結(jié)構(gòu)面玫瑰花圖

圖3.2 結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)等密度圖

得出優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面有五組,產(chǎn)狀見表3.1所示。

表3.1 邊坡優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀

3.2 邊坡巖體質(zhì)量分級(jí)

采用國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218-94)提出的二級(jí)分類對(duì)邊坡巖體進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)[5],見式(3-1)。其中,σcw為巖塊飽和單軸抗壓強(qiáng)度,Kv為巖體完整性系數(shù)[6][7]。算得邊坡安山玢巖BQ值為356.8,屬于Ⅲ級(jí)巖體,巖體為碎裂結(jié)構(gòu)。

BQ=90+3σcw+250Kv

(3-1)

3.3 邊坡巖體和結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和工程地質(zhì)類比,邊坡巖體和結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算建議值見下表3.2和3.3。

表3.2 邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)

表3.3 邊坡結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)

4 邊坡變形破壞模式

采用赤平投影法,做出邊坡結(jié)構(gòu)面和坡面的赤平投影圖,五組結(jié)構(gòu)面交線的產(chǎn)狀見圖4.1所示。

圖4.1 邊坡結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

分析可知,邊坡可能沿著J1結(jié)構(gòu)面(190°∠55°)發(fā)生平面滑動(dòng),還可能沿著J1、J4結(jié)構(gòu)面交線I14發(fā)生楔形體滑動(dòng)。

5 3DEC數(shù)值分析

5.1 原理與方法

采用3DEC軟件分析邊坡穩(wěn)定性,可以得到任意單元的位移和應(yīng)力。在計(jì)算時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)面的摩擦角φ和粘聚力с進(jìn)行折減。剛開始,折減系數(shù)取值比較小,結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度較大。隨后逐步增大折減系數(shù),結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度逐步較小,直到邊坡巖體剛好發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí)終止折減。取實(shí)際抗剪強(qiáng)度與此時(shí)折減的抗剪強(qiáng)度之比為邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)[8]。

5.2 模型建立

用3DEC建立考慮風(fēng)化帶和5組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的邊坡地質(zhì)力學(xué)模型,其它結(jié)構(gòu)面反映在巖體計(jì)算參數(shù)的弱化上。假定結(jié)構(gòu)面無限延伸且剪出口位于坡角處。模型計(jì)算范圍長(zhǎng)300m、寬50m、最高點(diǎn)高114.04m。計(jì)算采用莫爾-庫(kù)侖屈服條件的彈塑性模型,模型X軸指向坡面傾向方向,Y軸與坡面走向平行,Z軸豎直向上。

5.3 計(jì)算工況

選取自然狀態(tài)、暴雨及地震3種工況,分別分析邊坡發(fā)生平面破壞和楔形體破壞的穩(wěn)定性。在暴雨工況下,結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)按照自然狀態(tài)下80%計(jì)算。在地震工況下,按照邊坡區(qū)基本地震烈度為Ⅵ度計(jì)算,增加一個(gè)指向坡面傾向方向的水平地震加速度,地震加速度取0.05g。

5.4 邊界條件

在X方向固定模型的左右邊界,在Y方向上固定模型的前后邊界,在Z方向固定底面邊界,同時(shí)將頂面視作自由邊界。Z方向還施加一個(gè)與坐標(biāo)軸方向相反的重力加速度,大小取值9.8m/s2。

5.5 結(jié)算結(jié)果

以邊坡在天然狀態(tài)下發(fā)生楔形體滑動(dòng)為例,邊坡的應(yīng)力和位移圖見5.1-5.4所示。

圖5.1 邊坡天然狀態(tài)下楔形體滑動(dòng)最大主應(yīng)力分布圖

圖5.2 邊坡天然狀態(tài)下楔形體滑動(dòng)最小主應(yīng)力分布圖

圖5.3 邊坡天然狀態(tài)下楔形體滑動(dòng)X軸向位移圖

圖5.4 邊坡天然狀態(tài)下楔形體滑動(dòng)Z軸向位移圖

由圖可知,邊坡最大主應(yīng)力值從邊坡底部到頂部逐漸減小,最大值約為14.514MPa,位于邊坡山脊底部處。最大主應(yīng)力在邊坡表面產(chǎn)生了拉應(yīng)力,大小在0～0.004MPa左右。最小主應(yīng)力值從坡腳到坡頂也逐漸減小,最大值約為4.771MPa,位于邊坡山脊底部處。最小主應(yīng)力在邊坡坡面處也產(chǎn)生了拉應(yīng)力,大小在0～0.004MPa左右。

X軸向位移呈現(xiàn)出坡面中間最大、坡頂和坡腳逐漸減小的特點(diǎn),最大位移約10.29cm位于邊坡坡面中部馬道處。Z軸向位移隨高程的增大而增大,最大位移約12.207cm。

經(jīng)過強(qiáng)度折減法穩(wěn)定性計(jì)算,得出自然工況下邊坡楔形體破壞的穩(wěn)定性系數(shù)為1.18。

3DEC軟件分析了邊坡在自然狀態(tài)、暴雨和地震工況下的應(yīng)力、位移場(chǎng),計(jì)算了邊坡的穩(wěn)定性系數(shù),其余工況和破壞模式下的穩(wěn)定性系數(shù)見表5.1。

表5.1 邊坡不同工況下穩(wěn)定性系數(shù)

6 結(jié)論

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范)(GB 50330-2013),邊坡安全等級(jí)為一級(jí),邊坡保持穩(wěn)定的安全系數(shù)為1.35。邊坡在自然狀態(tài)、暴雨和地震工況下穩(wěn)定性系數(shù)均低于保持穩(wěn)定的安全系數(shù),邊坡在局部地區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力,邊坡極有可能發(fā)生平面滑動(dòng)和楔形體滑動(dòng)破壞,暴雨和地震作用下會(huì)加速破壞。

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