巖質(zhì)邊坡塊體穩(wěn)定分析強(qiáng)度指標(biāo)的獲取與應(yīng)用

楊海燕，李建強(qiáng)

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)模式包括平面、圓弧、楔體、潰決等形式[1]，而塊體破壞是邊坡主要失穩(wěn)模式之一。塊體的穩(wěn)定性由結(jié)構(gòu)面的空間分布位置、組合關(guān)系和物理力學(xué)性質(zhì)控制[2-4]，物理力學(xué)性質(zhì)特別是強(qiáng)度指標(biāo)的獲取是計(jì)算塊體穩(wěn)定性的關(guān)鍵，常采用試驗(yàn)法，但考慮工程的特殊性，試驗(yàn)法存在一定的難度，國(guó)內(nèi)外專家結(jié)合已建工程提出經(jīng)驗(yàn)值法，并根據(jù)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)的影響因素總結(jié)研究出了計(jì)算方法。不同的計(jì)算方法考慮的影響因素不同，同一方法在不同工況下考慮的影響因素亦不相同。本文通過(guò)總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)闡述了結(jié)合工程特性塊體的分類和不同類型的塊體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)的獲取方法，并通過(guò)工程實(shí)例對(duì)各種方法應(yīng)用需注意的事項(xiàng)進(jìn)行了論述。

1 巖質(zhì)邊坡塊體的分類及失穩(wěn)條件

巖質(zhì)邊坡塊體分為無(wú)限塊體、倒楔塊體、穩(wěn)定塊體、可能失穩(wěn)塊體和關(guān)鍵塊體，可能失穩(wěn)塊體和關(guān)鍵塊體是巖質(zhì)邊坡塊體穩(wěn)定性分析的重點(diǎn)研究類型。結(jié)合赤平極射投影原理對(duì)塊體穩(wěn)定性進(jìn)行分析,如圖1所示，可能構(gòu)成潛在不穩(wěn)定塊體的條件[1]：(1)傾角a1小于坡面傾角a2；(2)交線傾向與坡面傾向一致；(3)兩者夾角小于或等于20°。

圖1 赤平極射投影在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用

2 塊體穩(wěn)定性計(jì)算

塊體穩(wěn)定性計(jì)算主要基于極限平衡分析原理，常用的軟件包括Swage、YCW(陳祖煜)、SlopeBlock、DIPS、結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬(汪小剛)、三維赤平投影等，圖2為Swage軟件的計(jì)算界面。

圖2 邊坡塊體穩(wěn)定性常用軟件Swage計(jì)算界面示意圖

2.1 定位塊體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)的獲取

結(jié)合工程特性,塊體穩(wěn)定性分析主要分為定位塊體和隨機(jī)塊體兩方面的應(yīng)用。定位塊體的穩(wěn)定性計(jì)算多數(shù)為小范圍、大比例尺地質(zhì)測(cè)繪的自然邊坡和開(kāi)挖邊坡等方面的應(yīng)用，塊體/楔形體邊界條件多由大規(guī)模斷層或控制性結(jié)構(gòu)面組合形成。目前穩(wěn)定性計(jì)算需要的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)主要通過(guò)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)兩種方式獲取，試驗(yàn)法分為室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)；經(jīng)驗(yàn)法結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)的獲取多適用于Ⅳ和Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面，張性結(jié)構(gòu)面c值多取0，圖3為《水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊(cè)》給出的一般結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)值。

圖3 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值示意圖

2.2 隨機(jī)塊體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)的獲取

隨機(jī)塊體穩(wěn)定性分析主要為大范圍、小比例地質(zhì)測(cè)繪邊坡破壞形式的分析，計(jì)算邊界條件多由隨機(jī)結(jié)構(gòu)面(一般Ⅳ、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面)或部分隨機(jī)結(jié)構(gòu)面、部分確定性結(jié)構(gòu)面組合形成的塊體。計(jì)算過(guò)程多先進(jìn)行結(jié)構(gòu)面分析統(tǒng)計(jì)，對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分組，得到各組結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀，之后分析各組結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo),計(jì)算不同塊體類型的穩(wěn)定性，如圖4所示。控制性I、II和III級(jí)結(jié)構(gòu)面由于規(guī)模大，穩(wěn)定性影響貢獻(xiàn)率高，應(yīng)重點(diǎn)研究考慮。

圖4 隨機(jī)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析

隨機(jī)塊體穩(wěn)定性的分析主要難點(diǎn)在于隨機(jī)結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)的取值，目前巖體強(qiáng)度參數(shù)的獲取主要通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算兩種方法，試驗(yàn)法通過(guò)選取各組典型結(jié)構(gòu)面進(jìn)行室內(nèi)、原位試驗(yàn)獲取各組結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)；計(jì)算法目前的主流為Hoek-Brown法和基于數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬計(jì)算法(汪小剛等)，見(jiàn)表1和表2。

表1 Hoek-Brown法計(jì)算不同邊坡高度的巖體強(qiáng)度

表2 結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬計(jì)算巖體強(qiáng)度指標(biāo)

3 強(qiáng)度參數(shù)影響因素

結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)主要受充填物、充填物膠結(jié)狀態(tài)、面起伏度、面粗糙度、張開(kāi)閉合狀態(tài)及跡長(zhǎng)等因素的影響。

Hoek-Brown法和結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬法通過(guò)計(jì)算巖體強(qiáng)三度來(lái)獲得結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)。Hoek-Brown法計(jì)算巖體強(qiáng)度主要受巖塊單軸抗壓強(qiáng)度、地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)(GSI)、材料常數(shù)、擾動(dòng)系數(shù)、巖塊變形模量和巖體重度等因素影響,如圖5所示，計(jì)算不同邊坡高度巖體的強(qiáng)度指標(biāo)，Hoek-Brown法目前國(guó)外工程多采用。結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬計(jì)算法考慮結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面特性、測(cè)線角度等因素模擬計(jì)算巖體的強(qiáng)度指標(biāo),如圖6所示，目前多用于國(guó)內(nèi)工程。

圖5 Hoek-Brown法計(jì)算巖體強(qiáng)度的影響因素

圖6 結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬法計(jì)算巖體強(qiáng)度的影響因素

4 工程應(yīng)用

4.1 開(kāi)挖邊坡定位塊體穩(wěn)定性計(jì)算

巴基斯坦某水電站交通洞進(jìn)口上部邊坡巖性主要為綠泥石片巖、石英云母片巖和變質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，強(qiáng)風(fēng)化狀，主要發(fā)育三組結(jié)構(gòu)面，且以陡傾角結(jié)構(gòu)面為主，陡傾角結(jié)構(gòu)面傾角為71。，邊坡開(kāi)挖后傾角73。，如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)面及邊坡赤平投影圖

洞口上部邊坡為Ⅳ類，且邊坡開(kāi)挖后由上述三組結(jié)構(gòu)面組合形成定位塊體,如圖8所示，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和Hoek-Brown法獲取主要結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)，計(jì)算結(jié)果塊體安全系數(shù)為1.5，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。由于邊坡開(kāi)挖后長(zhǎng)期未進(jìn)行支護(hù)，導(dǎo)致該塊體發(fā)生滑動(dòng)破壞，塊體滑動(dòng)前后的對(duì)照?qǐng)D見(jiàn)圖9。

圖8 塊體模型

圖9 邊坡塊體滑動(dòng)前后狀態(tài)對(duì)照?qǐng)D

該案例邊坡塊體由基本穩(wěn)定狀態(tài)至產(chǎn)生滑動(dòng)，說(shuō)明邊坡開(kāi)挖后結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度指標(biāo)隨應(yīng)力的釋放會(huì)減小，致使邊坡穩(wěn)定性重分配，也充分說(shuō)明了邊坡開(kāi)挖后，應(yīng)對(duì)松散塊體和關(guān)鍵塊體進(jìn)行及時(shí)清除和支護(hù)，以防止失穩(wěn)，影響工程安全。

4.2 自然邊坡隨機(jī)塊體穩(wěn)定性計(jì)算

云南某雙曲拱壩水電站工程壩址區(qū)左、右岸邊坡巖性以玄武巖、熔巖為主，主要發(fā)育4組結(jié)構(gòu)面，一組為陡傾角，三組為緩傾角，見(jiàn)圖10和表3。左、右岸邊坡穩(wěn)定性對(duì)隨機(jī)塊體的分析，采用結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬計(jì)算不同測(cè)線方向的巖體強(qiáng)度，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值獲取主要組成隨機(jī)塊體結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度指標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算隨機(jī)塊體的破壞形式和穩(wěn)定性。

圖10 兩岸邊坡結(jié)構(gòu)面分組

表3 結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀

對(duì)壩址區(qū)兩岸結(jié)構(gòu)面進(jìn)行編錄，建立結(jié)構(gòu)面特性指標(biāo)數(shù)據(jù)模型，對(duì)兩岸壩址區(qū)結(jié)構(gòu)面發(fā)育形態(tài)進(jìn)行模擬，得到不同測(cè)線方向壩址左、右岸邊坡結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬圖，并計(jì)算出巖體強(qiáng)度參數(shù)(圖11、圖12和表4)，進(jìn)而計(jì)算結(jié)構(gòu)面組合形成主要塊體類型的穩(wěn)定性。

圖11 結(jié)構(gòu)面特性指標(biāo)數(shù)據(jù)模型

圖12 壩址左、右岸邊坡結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬圖

由表4可知，結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬計(jì)算巖體的強(qiáng)度指標(biāo)與測(cè)線方向有關(guān)；巖體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)面間距成正比，與跡長(zhǎng)成反比，且跡長(zhǎng)對(duì)巖體強(qiáng)度的影響要比間距大。

表4 結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬巖體力學(xué)參數(shù)

本工程壩址區(qū)左右岸邊坡塊體組合形式主要有4種,如圖13所示，其中塊體1和3的安全系數(shù)偏低小于1.5，屬于關(guān)鍵塊體，工程施工應(yīng)予以重視。

圖13 兩岸邊坡形成塊體的類型

5 結(jié)語(yǔ)與建議

(1)塊體穩(wěn)定性計(jì)算強(qiáng)度指標(biāo)的獲取宜結(jié)合工程特性判別是定位塊體還是隨機(jī)塊體，不同類型的塊體其強(qiáng)度指標(biāo)的獲取方法亦不相同。

(2)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)的獲取應(yīng)與巖體和結(jié)構(gòu)面實(shí)際狀態(tài)相符，充分考慮影響結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)的各項(xiàng)影響因素，能合理評(píng)價(jià)塊體穩(wěn)定性計(jì)算的結(jié)果；控制型結(jié)構(gòu)面對(duì)塊體的穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

(3)建議計(jì)算開(kāi)挖邊坡塊體的穩(wěn)定性應(yīng)考慮時(shí)效性，邊坡開(kāi)挖后結(jié)構(gòu)面狀態(tài)隨巖體應(yīng)力釋放而變化，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)亦隨之變化。