高陡水墊塘邊坡穩(wěn)定性分析及加固措施研究

薛一峰，黨 力，解 豪，李 紅，程漢鼎

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

1 概述

東莊水庫水墊塘左、右岸邊坡高程600～900m，坡高均大于200m，地質(zhì)情況復(fù)雜。工程開挖時(shí)，極易被結(jié)構(gòu)面切割形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體[1]。一旦遭遇強(qiáng)降雨或水庫泄洪，水墊塘邊坡極易滑坡可能發(fā)生失穩(wěn)滑坡，造成較大的影響和損失[2]。因此，亟需針對東莊水庫高陡水墊塘邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析和加固措施開展研究。

近年來，已經(jīng)有許多學(xué)者對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究：李寧等[3]提出用有限單元法直接求解邊坡穩(wěn)定性，完善了剛體極限平衡法的不足，克服了強(qiáng)度折減法強(qiáng)度參數(shù)c、φ值折減比例的難題；石振明等[4]提出了考慮降雨入滲的多層非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析方法，認(rèn)為降雨入滲導(dǎo)致邊坡潛在最危險(xiǎn)滑面的位置主要在浸潤鋒處或土體與基巖交界處；龍賽瓊等[5]考慮了施工擾動和邊坡全施工周期巖土體抗剪強(qiáng)度的衰減情況，提出了邊坡不同演化階段巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析方法；楊金旺等[6]提出降強(qiáng)法與傾斜抬升超載法相結(jié)合的地質(zhì)力學(xué)模型綜合的試驗(yàn)方法；平曈其等[7]認(rèn)為地震對邊坡穩(wěn)定性影響較大，地震后容易引發(fā)災(zāi)害鏈效應(yīng)。

以上均說明高陡邊坡中亟需開展穩(wěn)定性分析的迫切性?；诖耍疚某浞挚紤]了垂直側(cè)滑面塊體三維效應(yīng)，基于強(qiáng)度折減法[8- 9]，針對東莊水利樞紐高陡水墊塘邊坡在正常運(yùn)行、泄水霧化或降雨、地震不同工況下的邊坡穩(wěn)定性開展研究，并分析了不同工況下邊坡加固措施。

2 高陡水墊塘邊坡

2.1 工程概況

東莊水利樞紐工程以防洪減淤為主，兼顧供水、發(fā)電和改善生態(tài)等綜合利用。水庫總庫容32.68×108m3，電站裝機(jī)規(guī)模110MW，工程規(guī)模為大(1)型。水墊塘左岸邊坡高程600～900m。高程760m以下為基巖岸坡，邊坡自然坡角70°～80°；760m高程以上自然坡角55°～65°。水墊塘右岸邊坡高程600～820m。高程750m以下為基巖岸坡，自然坡角60°～70°；高程750m以上邊坡部分自然坡角45°～60°。

2.2 邊坡地質(zhì)條件

水墊塘邊坡存在順層大裂隙L12、L14等，產(chǎn)狀190°～225°∠30°～50°，走向260°～335°，傾向SW為主，傾角30°～50°。結(jié)構(gòu)面J5走向近N～S(350°～25°)為主，傾角65°～80°主要在右岸壩線下游局部分布，各高程零星分布。結(jié)構(gòu)面J6走向NE～NEE(40°～80°)為主，傾角60°～85°各高程相對零星分布。水墊塘兩岸邊坡地質(zhì)構(gòu)造如圖1所示，其中L12-L18裂隙如圖2所示。

圖1 水墊塘兩岸邊坡地質(zhì)構(gòu)造分布

圖2 水墊塘兩岸邊坡L12-L18裂隙

3 三維有限元模型及參數(shù)

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)地質(zhì)剖面和開挖輪廓線，選取節(jié)理分布最密集、最易發(fā)生破壞區(qū)域，并對其開展三維有限元塊體系統(tǒng)分析，計(jì)算模型位置如圖3所示。

圖3 邊坡計(jì)算剖面示意圖(單位：m)

塊體模型上游以A剖面為界，下游以B剖面為界，左側(cè)邊界取至河流中線，右側(cè)邊界為河流中心線向右450m，底部取至495m高程；考慮塊體模型周圍山體影響，下游取至B剖面向下100m，三維模型圖如圖4所示。

圖4 邊坡塊體系統(tǒng)分析三維模型圖

計(jì)算中巖體采用SOLID186模擬，結(jié)構(gòu)面采用三維接觸面進(jìn)行模擬。離散后，開挖前后有限元計(jì)算網(wǎng)格如圖5所示。天然狀態(tài)坡體單元數(shù)為111363，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為211340；開挖完成后單元個(gè)數(shù)為91824，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為184828。坐標(biāo)系按照笛卡爾坐標(biāo)系右手法則建立，順河向?yàn)閤，垂直河流指向坡體為y向，為豎向垂直方向?yàn)閦向。

圖5 邊坡塊體系統(tǒng)分析網(wǎng)格圖

3.2 計(jì)算參數(shù)

分析部位主要為三類圍巖，巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算工況

根據(jù)SL 386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》， 此次邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算分以下3種工況。

工況1(正常運(yùn)用條件)：工程投入運(yùn)用后經(jīng)常發(fā)生或持續(xù)時(shí)間長的情況，水墊塘邊坡主體不臨水，屬于不臨水邊坡，故正常運(yùn)用條件下不考慮坡外水的影響。

工況2(非常運(yùn)用條件I)：施工期以及由于降雨、泄水雨霧和其他原因引起的邊坡體飽和及相應(yīng)的地下水位變化。

工況3(非常運(yùn)用條件II)：正常運(yùn)用條件下遭遇地震，地震動峰值加速度為0.152g，相當(dāng)于設(shè)計(jì)地震烈度7度，根據(jù)SL 203—97《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]，參照土石壩的規(guī)定，αi取平均值1.75，水平地震力系數(shù)0.152g×0.25×1.75/g=0.0665。

在計(jì)算中，將地下水位以下的巖體按照浮容重考慮，同時(shí)巖體內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ值取值分別考慮水下巖體軟化系數(shù)，對于原巖體物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減[12- 14]；加固采用200t錨索，間距為4.5m，預(yù)應(yīng)力錨索均勻分?jǐn)偟介_挖面上，將錨索荷載模擬為面荷載，其值為98.765kPa。

3.4 結(jié)果與分析

三維塊體系統(tǒng)分析擬采用有限強(qiáng)度折減法，針對東莊水利樞紐水墊塘邊坡在正常運(yùn)行、泄水霧化或降雨、地震不同工況下的邊坡穩(wěn)定性開展計(jì)算，并分析不同工況下邊坡加固措施對穩(wěn)定性的影響。

分析區(qū)域J5發(fā)育，綜合考慮結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及塊體分布情況，將J5作為垂直滑面，在滑塊兩側(cè)設(shè)置三維接觸模擬J5，進(jìn)而考慮兩側(cè)山體對塊體模型的約束作用，與實(shí)際工程背景相符合。

3.4.1未支護(hù)邊坡穩(wěn)定性分析

3.4.1.1.正常運(yùn)行

(1) 天然狀態(tài)

當(dāng)J5的黏聚力為60kPa時(shí)，結(jié)構(gòu)面連通率為100%，此時(shí)坡體無法自穩(wěn)，不符合實(shí)際工程背景。逐步提高J5黏聚力，即降低J5的連通率，計(jì)算分析可知，當(dāng)c為500kPa時(shí)自然狀態(tài)下的坡體穩(wěn)定，此時(shí)的連通率為40.5%。所以本次計(jì)算將遵循該驗(yàn)證結(jié)果，在后續(xù)計(jì)算中J5的黏聚力均使用500kPa進(jìn)行計(jì)算。分析可知天然未開挖的坡體安全系數(shù)F為1.0，如圖6—7所示。

圖6 邊坡總位移云圖(F=1.0)

圖7 邊坡位移矢量圖(F=1.0)

(2) 開挖完成未支護(hù)

邊坡開挖完成后，逐步增大折減系數(shù)，當(dāng)F為1.1時(shí)，滑體出現(xiàn)位移突變，且當(dāng)F為1.15時(shí)計(jì)算不再收斂，如圖8—9所示，分析可知該條件下安全系數(shù)為1.1，不滿足SL 386—2007規(guī)定的1.3的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。與未開挖情況相比，開挖完成后坡體整體卸載且邊坡坡度變緩，因此開挖完成后安全系數(shù)增大，符合荷載規(guī)律。

圖8 邊坡總位移云圖(F=1.1)

圖9 邊坡位移矢量圖(F=1.1)

3.4.1.2.泄水霧化或降雨

泄水霧化或降雨工況下，結(jié)構(gòu)面充水弱化，安全系數(shù)將降低[15]。當(dāng)折減系數(shù)為1.05時(shí)滑移體出現(xiàn)位移突變，此時(shí)邊坡達(dá)到臨界狀態(tài)，因此泄水霧化或降雨工況未支護(hù)條件下安全系數(shù)為1.05，不滿足SL 386—2007規(guī)定的1.25的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如圖10—11所示。

圖10 邊坡總位移云圖(F=1.05)

圖11 邊坡位移矢量圖(F=1.05)

3.4.1.3.地震作用

地震條件下，坡體受到朝向坡外的地震慣性力影響，整體向河流方向移動，在地震力的影響下，塊體將更容易產(chǎn)生滑動[16]。該工況未支護(hù)條件下，折減系數(shù)為1.02時(shí)塊體出現(xiàn)位移突變，所以該條件下安全系數(shù)為1.02，不滿足SL 386—2007規(guī)定的1.15的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如圖12—13所示。

圖12 邊坡總位移云圖(F=1.02)

圖13 邊坡位移矢量圖(F=1.02)

3.4.2加固后邊坡穩(wěn)定性分析

擬采用200t錨索進(jìn)行加固，間距為4.5m。計(jì)算時(shí)通過將錨索力均勻分?jǐn)偟介_挖面上，以面荷載的形式進(jìn)行模擬，錨索荷載為：2000kN/(4.5m×4.5m)=98.765kPa。

(1)正常運(yùn)行

開挖完成并進(jìn)行支護(hù)加固，滑移體主要受重力和錨索力作用。隨著折減系數(shù)的增大，結(jié)構(gòu)面弱化產(chǎn)生向坡外的滑動，當(dāng)F為1.3時(shí)滑體出現(xiàn)位移突變，因此開挖完成后的安全系數(shù)為1.3，滿足SL 386—2007規(guī)定的1.3的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如圖14—15所示。

圖14 邊坡總位移云圖(F=1.3)

圖15 邊坡位移矢量圖(F=1.3)

(2)泄水霧化或降雨

錨索支護(hù)條件下，塊體受到錨索力和重力共同作用。逐步增大折減系數(shù)，飽和結(jié)構(gòu)面繼續(xù)弱化導(dǎo)致塊體下滑，當(dāng)F為1.25時(shí)塊體出現(xiàn)位移突變且折減系數(shù)繼續(xù)增大將導(dǎo)致計(jì)算不收斂，所以泄水霧化或降雨工況下安全系數(shù)為1.25，滿足SL 386—2007規(guī)定的1.25的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如圖16—17所示。

圖16 邊坡總位移云圖(F=1.25)

圖17 邊坡位移矢量圖(F=1.25)

(3)地震作用

地震工況下施加錨索支護(hù)，塊體受到重力、地震慣性力和錨索力共同作用。當(dāng)折減系數(shù)為1.2時(shí)，塊體產(chǎn)生位移突變且折減系數(shù)繼續(xù)增大將導(dǎo)致計(jì)算不收斂，所以地震工況下安全系數(shù)為1.2，不滿足SL 386—2007規(guī)定的1.2的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如圖18—19所示。

圖18 邊坡總位移云圖(F=1.2)

圖19 邊坡位移矢量圖(F=1.2)

3.4.3計(jì)算結(jié)果分析

通過三維塊體有限元系統(tǒng)分析，在考慮垂直側(cè)滑面塊體三維效應(yīng)作用下，基于強(qiáng)度折減法計(jì)算獲取的各工況邊坡安全系數(shù)見表2。發(fā)現(xiàn)在邊坡開挖后若不進(jìn)行加固，在正常運(yùn)行、泄水霧化或降雨、地震3種不同工況下安全系數(shù)分別為1.1、1.05、1.02，均不滿足規(guī)范中安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。進(jìn)行加固后，3種不同工況下，安全系數(shù)均為1.3、1.25、1.2，滿足安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 水墊塘邊坡各工況安全系數(shù)

4 結(jié)論

充分考慮垂直側(cè)滑面對邊坡塊體的影響，通過構(gòu)建三維有限元模型，針對東莊水利樞紐高陡水墊塘邊坡模擬施工開挖和支護(hù)過程，并選用強(qiáng)度折減法對3種工況下邊坡整體穩(wěn)定性及其加固措施開展評價(jià)，結(jié)論如下：

(1)邊坡在未開挖情況下，其坡體安全系數(shù)為1.0。

(2)邊坡開挖后，若不進(jìn)行加固，在正常運(yùn)行、泄水霧化或降雨、地震3種不同工況下安全系數(shù)分別為1.1、1.05、1.02，均不滿足規(guī)范中安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)當(dāng)施加200t、間距4.5m的系統(tǒng)錨索加固后，在正常運(yùn)行、泄水霧化或降雨、地震3種不同工況下安全系數(shù)分別為1.3、1.25、1.2，滿足規(guī)范中安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4)在開挖邊坡的開口、平臺等處均產(chǎn)生了應(yīng)力集中，部分區(qū)域的卸荷變形較大。在這些部位應(yīng)采用長錨桿、錨筋樁活預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行鎖口錨固處理。