不同降雨和施工工況下某大壩左岸巖質(zhì)邊坡開挖穩(wěn)定性分析

李國玉

（臨沂市水利局，山東 臨沂276000）

大壩開挖過程中壩肩邊坡在不同工況下的穩(wěn)定性問題是目前主要的研究熱點(diǎn)和方向， 對于水庫大壩安全運(yùn)行至關(guān)重要［1，2］。 目前，關(guān)于邊坡穩(wěn)定性方面的研究成果較為豐富， 一部分學(xué)者通過進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)， 模擬邊坡在各種工況下的破壞過程進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了定量分析［3-5］；另一部分學(xué)者借助有限元模擬軟件，建立邊坡的三維地質(zhì)模型，通過賦予材料的物理和力學(xué)參數(shù)，分析邊坡的變形破壞規(guī)律［4-8］。 綜合分析現(xiàn)有的研究成果發(fā)現(xiàn)， 大多數(shù)文獻(xiàn)都是基于理想狀態(tài)下的巖土體穩(wěn)定性分析， 缺乏對施工期不同加固條件下的邊坡的詳細(xì)分析和模擬。

本文依托于某大壩左岸巖質(zhì)邊坡開挖過程，進(jìn)行現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪， 并利用赤平投影對其可能的失穩(wěn)模式進(jìn)行判別。 然后從二維和三維角度分別分析了該巖質(zhì)邊坡在不同施工期的穩(wěn)定性問題。

1 邊坡概況

1.1 工程地質(zhì)條件

某大壩左岸巖質(zhì)邊坡巖體主要為花崗巖， 高程約810m以上為角礫巖、砂泥巖。 邊坡開挖后，表部有厚度0～13m左右的Ⅳa類或Ⅲb類巖體， 以里為Ⅲb或Ⅲa類巖體和Ⅱ類巖體， 而且邊坡位于卸荷帶以內(nèi)，巖體結(jié)構(gòu)以次塊狀結(jié)構(gòu)為主，巖石強(qiáng)度高，巖體相對完整， 邊坡穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面控制。 該處分布有F15，F(xiàn)18，F(xiàn)19，F(xiàn)37等Ⅲ級結(jié)構(gòu)面，從空間分布和斷層規(guī)模來看，以NNW向中陡傾角、傾向坡外的F9，F(xiàn)15斷層對壩肩工程地質(zhì)條件影響較大， 兩斷層雖規(guī)模較大，但距開挖坡面水平埋深大于75m；屬Ⅳ級結(jié)構(gòu)面的小斷層（f）亦較發(fā)育，其中，高程690m以上有一條f分布于開挖坡面附近，水平埋深僅0～10m，對心墻開挖邊坡十分不利。此外，NNW順坡向中陡傾角節(jié)理較發(fā)育，延伸數(shù)米～數(shù)十米。

由于受構(gòu)造、蝕變、風(fēng)化及卸荷等綜合作用，左岸巖體完整性差，多為散體結(jié)構(gòu)或碎裂結(jié)構(gòu)巖體，相應(yīng)壩基巖體質(zhì)量差， 開挖邊坡的工程地質(zhì)條件在不同高程亦有所不同，邊坡典型工程地質(zhì)剖面如圖1。

圖1 大壩左岸典型工程地質(zhì)剖面

1.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，結(jié)合水電工程邊坡巖體質(zhì)量分級相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)［9］，本文初步確定該巖質(zhì)邊坡的各類巖體及結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)參數(shù)建議值見下：

Ⅴ類巖體：容重γ=22.0kN/m3，巖體抗剪斷強(qiáng)度f′=0.3，c′=0.05MPa。

Ⅳb類巖體：容重γ=23.5kN/m3，巖體抗剪斷強(qiáng)度f′=0.6，c′=0.3MPa。

Ⅳa類巖體：容重γ=24.0kN/m3，巖體抗剪斷強(qiáng)度f′=0.7，c′=0.4MPa。

Ⅲb類巖體：容重γ=25.2kN/m3，巖體抗剪斷強(qiáng)度f′=1.00，c′=0.8MPa。

Ⅲa類巖體：容重γ=25.7kN/m3，巖體抗剪斷強(qiáng)度f′=1.2，c′=1.3MPa。

Ⅱ類巖體：容重γ=26.1kN/m3，巖體抗剪斷強(qiáng)度f′=1.3，c′=1.8MPa。

節(jié)理面（弱上風(fēng)化）抗剪強(qiáng)度f′=0.35，c′=0.05MPa。

節(jié)理面（弱下～微新）抗剪強(qiáng)度f′=0.5，c′=0.15MPa。

Ⅲ級斷層破碎帶抗剪強(qiáng)度f′=0.25，c′=0.01MPa。

1.3 失穩(wěn)模式初步分析

為充分分析該邊坡的變形破壞機(jī)理， 從節(jié)理產(chǎn)狀方面對該邊坡可能的失穩(wěn)破壞模式利用赤平投影進(jìn)行了初步分析。

壩址區(qū)左岸尚發(fā)育一組結(jié)構(gòu)面（傾向60°，傾角35°）， 該組結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀對右壩肩開挖邊坡的穩(wěn)定極為不利。經(jīng)地質(zhì)工作分析，該組結(jié)構(gòu)面主要為分布在上階段重力壩方案右壩肩處的中緩傾角節(jié)理，而在堆石壩心墻開挖部位分布則較少， 不為優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，相應(yīng)對該處邊坡的影響有限，因此，在失穩(wěn)模式判斷中未列該組結(jié)構(gòu)面。 高程650m以下的二組結(jié)構(gòu)面均傾向坡內(nèi)， 它們自身及其組合不會影響邊坡的穩(wěn)定，且該段開挖坡度較緩，為31°，故只對高程650m以上的開挖邊坡進(jìn)行失穩(wěn)模式分析。650高程以上開挖邊坡傾向56°，傾角59°。 初步判定該邊坡可能發(fā)生傾倒破壞，邊坡判別分析結(jié)果如圖2。

圖2 邊坡失穩(wěn)模式判別圖

2 二維極限平衡分析

利用極限平衡法，綜合考慮施工期、暴雨期及加固措施前后的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算和分析， 結(jié)果如表1。 計(jì)算結(jié)果表明，由于斷層較多，巖體蝕變強(qiáng)烈，卸荷帶發(fā)育， 高程710m以上邊坡存在沿強(qiáng)卸荷帶的滑動破壞，壩頂以上開挖邊坡也存在沿V類巖體的圓弧型滑動破壞。

表1 左岸壩肩邊坡穩(wěn)定分析成果

3 三維極限平衡分析

由于左岸壩肩開挖邊坡穩(wěn)定性較差， 為反映空間約束效應(yīng)對邊坡穩(wěn)定的影響，本文采用改進(jìn)Sarma法在三維計(jì)算中的拓展［10］，對該部位邊坡進(jìn)行了三維穩(wěn)定分析計(jì)算，該程序生成的臨界滑裂面如圖3。

圖3 邊坡滑動效果

3.1 荷載工況與分析計(jì)算方法

計(jì)算荷載包括初始應(yīng)力場、邊坡開挖釋放荷載和地下水滲透體積力，以及錨索預(yù)應(yīng)力，加載過程如下：

（1）初始地應(yīng)力場（包括天然地下滲流場產(chǎn)生的滲透力場）。

（2）①+邊坡開挖釋放荷載。

（3）②+錨索預(yù)應(yīng)力。

（4）③+暴雨（或半暴雨）水位產(chǎn)生的滲透力增量。

第（4）級荷載增量是：認(rèn)為運(yùn)行期邊坡受到暴雨入滲，邊坡巖體處于飽和狀態(tài)，稱為暴雨水位。另外，在暴雨水位和天然地下水位之間取中間值水位作為一種荷載工況進(jìn)行計(jì)算，稱為半暴雨水位。

采用求材料強(qiáng)度儲備安全系數(shù)的方法對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。 在計(jì)算中逐步降低巖體材料的強(qiáng)度參數(shù)，即用kf去除各種材料的c，f 值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果中邊坡巖體的應(yīng)力屈服狀態(tài)， 判斷是否產(chǎn)生大面積的屈服破壞區(qū)或形成了貫通性屈服通道， 通過試算c，f 值，可求得kf。

3.2 應(yīng)力應(yīng)變分析

心墻壩左岸邊坡剖面在開挖釋放荷載作用下，當(dāng)材料強(qiáng)度儲備安全系數(shù)kf等于1.3時， 邊坡部位的最大位移增量約8.8cm，邊坡巖體的塑性屈服區(qū)并未貫通， 表明施工期心墻壩左岸邊坡整體安全系數(shù)≥1.3（圖4）。 但心墻壩頂以上巖體出現(xiàn)局部剪切破壞，邊坡中下部各斷層帶附近出現(xiàn)張拉剪切屈服區(qū) （圖5），說明應(yīng)進(jìn)行局部加固。

圖4 開挖完成后位移矢量圖（kf=1.3）

圖5 左岸邊坡開挖完成后屈服狀態(tài)圖（kf=1.3）

心墻壩左岸邊坡剖面在運(yùn)行期設(shè)定的半暴雨水位滲透力作用下，當(dāng)材料強(qiáng)度儲備安全系數(shù)kf等于1.3時，邊坡頂部的最大位移增量值為19.8cm左右（圖6），邊坡中部斷層帶處巖體產(chǎn)生局部范圍的屈服區(qū)（圖7）。

圖6 半暴雨水頭作用下位移矢量圖

圖7 半暴雨水頭作用下塑性屈服區(qū)

心墻壩左岸邊坡剖面在運(yùn)行期設(shè)定的全暴雨飽和水位滲透力作用下（kf=1.0），邊坡上部巖體產(chǎn)生較大范圍的屈服區(qū)（圖8），可以認(rèn)為全暴雨運(yùn)行期邊坡巖體飽和狀態(tài)下的安全系數(shù)＜1.0。

圖8 暴雨水頭作用下塑性屈服區(qū)填充圖（kf=1.0）

心墻壩左岸邊坡在710m高程以下各斷層帶附近，在邊坡開挖完成后和暴雨工況下，均有局部范圍的張拉和剪切屈服。

3.3 穩(wěn)定性分析

計(jì)算結(jié)果如表2：在多種工況下，壩頂以上局部V類巖體邊坡穩(wěn)定性較差，存在失穩(wěn)可能。

表2 左岸壩肩邊坡三維極限平衡分析計(jì)算成果

以上分析表明， 心墻壩左岸邊坡在施工期的整體邊坡安全系數(shù)基本滿足設(shè)計(jì)要求； 運(yùn)行期邊坡在710m高程以下各斷層帶附近及坡頂有局部的張拉和剪切屈服，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?/p>

4 加固處理措施

在710m高程以上，由于邊坡坡度較陡（開挖坡比1∶0.6），且邊坡巖體質(zhì)量較差，二維、三維極限平衡分析成果顯示， 該處存在沿強(qiáng)卸荷帶的滑動及壩頂以上邊坡沿V類巖體的圓弧型滑動破壞；平面有限元分析成果顯示，高程710m附近及其以下的斷層帶巖體，在半暴雨水位滲透力作用下將產(chǎn)生局部屈服區(qū)，需要進(jìn)行加固。

除系統(tǒng)支護(hù)外， 采用坡面錨索與山體內(nèi)錨固洞結(jié)合的方式，聯(lián)合加固不穩(wěn)定坡體；高程731～790m的開挖坡面， 設(shè)置2000kN級預(yù)應(yīng)力錨索， 間距4m×6m，深度30～60m；高程821.50～890m的開挖坡面，施加3000kN級預(yù)應(yīng)力錨索，間距3m×6m，深度50～70m；高程890m以上的邊坡及自然山坡，設(shè)置錨固洞，錨固洞水平間距6m，高差8m，洞深70～100m，每洞內(nèi)布置錨索3×3000kN，錨索深度60～90m。

左岸壩頂以上邊坡經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨索與錨固洞加固后， 總錨固力達(dá)到18.7×105kN （其中： 錨固洞5.85×105kN，預(yù)應(yīng)力錨索12.87×105kN），與三維計(jì)算成果的總錨固力18.6×105kN較接近，邊坡穩(wěn)定可滿足要求。

5 結(jié)語

以某大壩左岸巖質(zhì)邊坡為研究對象， 開展了不同降雨和施工工況下穩(wěn)定性分析研究，結(jié)論如下：

（1）邊坡高程650m以下的二組結(jié)構(gòu)面均傾向坡內(nèi)，它們自身及其組合不會影響邊坡穩(wěn)定，且該段開挖坡度較緩，為31°，故只對高程650m以上的開挖邊坡進(jìn)行失穩(wěn)模式分析， 初步判定該邊坡可能發(fā)生傾倒破壞。

（2）斷層較多，巖體蝕變強(qiáng)烈，卸荷帶發(fā)育，高程710m以上邊坡存在沿強(qiáng)卸荷帶的滑動破壞， 壩頂以上開挖邊坡也存在沿V類巖體的圓弧型滑動破壞。

（3）大壩左岸邊坡在施工期的整體邊坡安全系數(shù)基本滿足設(shè)計(jì)要求， 但暴雨工況下可能發(fā)生傾倒破壞， 需要及時采取運(yùn)行期邊坡在710m高程以下各斷層帶附近及坡頂有局部的張拉和剪切屈服。