可門電廠某高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究

劉 勇,賀廣零,許 資,冷志威

(湖南三一智慧新能源設(shè)計有限公司,湖南 長沙 410000)

巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析一直是巖土工程領(lǐng)域的研究重點。我國作為基建強國,產(chǎn)生了許多超級工程,伴隨著這些規(guī)模空前的工程而來的還有高陡～超高陡巖質(zhì)邊坡。這些巖質(zhì)邊坡一旦變形破壞會給工程本體及周邊居民正常生活生產(chǎn)造成巨大影響。巖質(zhì)邊坡變形破壞形式主要有崩塌、傾倒、滑移破壞(平面滑移、圓弧滑移、楔形體滑移)等[1]。在巖質(zhì)邊坡破壞前對其進(jìn)行穩(wěn)定性分析,從而進(jìn)行針對性防治,可以避免重大損失。

巖體內(nèi)部存在許多不規(guī)則不連續(xù)結(jié)構(gòu)面,如節(jié)理、裂隙、斷裂破碎帶及軟弱夾層等,其具體特性難以確認(rèn),加之高陡邊坡往往規(guī)模巨大,其產(chǎn)狀、構(gòu)造多樣,給其穩(wěn)定性分析帶來了巨大困難。

目前,工程中巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析常用有三大類方法：一種是基于巖質(zhì)邊坡坡面與巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀調(diào)查而進(jìn)行的赤平極射投影法分析。一種是基于邊坡滑動面確定情況下,計算抗滑力和滑動力比值得出安全系數(shù),以極限平衡法為代表。最后一類方法是數(shù)值分析法,建立模型,利用擴大自重法、強度折減法在邊坡處于極限狀態(tài)時得到安全系數(shù)。

可門電廠位于福州市連江縣坑園鎮(zhèn),建設(shè)過程中在電廠西南角形成了一高陡邊坡,為巖質(zhì)邊坡。邊坡目前沒有發(fā)生整體滑動,但淺部表層發(fā)生了大量巖體滑脫掉塊,對電廠正常生產(chǎn)造成了一定隱患,有必要對邊坡穩(wěn)定性做出評價。

擬通過赤平極射投影法[2]、極限平衡法[3]、強度折減法[4-6]等多種方法依靠理正巖土計算軟件、Geostudio數(shù)值模擬計算軟件對該高陡巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

1 邊坡工程地質(zhì)條件

邊坡位于構(gòu)造剝蝕低丘陵坡麓,相對高差約70 m,坡角50°～70°,為巖質(zhì)邊坡。坡腳現(xiàn)高程為8.0 m～11.62 m,邊坡高度為72.3 m。邊坡由6層馬道分割成7個臺層,臺層高度約為5.5 m～12.5 m,高寬比約為1∶0.37～1∶0.96(見圖1)。

組成邊坡巖土體自上而下為:碎塊狀強風(fēng)化花崗巖,破碎,層厚約3.0 m;中等風(fēng)化花崗巖,較破碎,勘察中未揭穿,厚度大于5 m。邊坡面層巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,存在表層剝落與松動現(xiàn)象。

2 巖體結(jié)構(gòu)特征調(diào)查

根據(jù)野外調(diào)查,高邊坡坡面產(chǎn)狀約為40°∠67°,高邊坡結(jié)構(gòu)面有構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和次生結(jié)構(gòu)面,其中構(gòu)造結(jié)構(gòu)面以剪節(jié)理為主,產(chǎn)狀穩(wěn)定,次生結(jié)構(gòu)面主要是卸荷裂隙和風(fēng)化裂隙居多。經(jīng)過統(tǒng)計,在邊坡中普遍分布的結(jié)構(gòu)面有3組:

第一組:傾向210°～217°,傾角76°～84°,主要為構(gòu)造結(jié)構(gòu)面,未貫穿,坡面上延伸長度較短,向坡內(nèi)延伸長度短,局限于淺表層。與坡面關(guān)系為逆向,本組結(jié)構(gòu)面對高邊坡穩(wěn)定性影響最大。

第二組:傾向298°～315°,傾角22°～70°,主要為剪節(jié)理,未貫穿。與坡面關(guān)系為橫交,本組結(jié)構(gòu)面對高邊坡穩(wěn)定性影響較大。

第三組:傾向80°～90°,傾角32°～73°,主要為剪節(jié)理,大部分未貫穿。與坡面關(guān)系為斜交,本組結(jié)構(gòu)面主要可能與前兩組結(jié)構(gòu)面組成楔形體或者菱形塊體。

邊坡巖體為較完整較硬巖,主要結(jié)構(gòu)面為非外傾結(jié)構(gòu)面及外傾不同結(jié)構(gòu)面組合,結(jié)合一般,綜合評定邊坡巖體類型為Ⅱ類。

對結(jié)構(gòu)面測量結(jié)果分類并進(jìn)行統(tǒng)計,制作了邊坡主要結(jié)構(gòu)面的傾向玫瑰圖和傾角玫瑰圖,分別見圖2，圖3。

3 邊坡穩(wěn)定性分析與評價

本邊坡存在較破碎的強風(fēng)化巖體,也存在較完整的中風(fēng)化巖體。對于較破碎的強風(fēng)化巖體,其巖體松散,其滑面呈圓弧狀,采用簡化Bishop法進(jìn)行定量計算是必要的。對于較完整的中風(fēng)化巖體,其巖體較完整,滑面一般呈平面,相關(guān)規(guī)范推薦采用強度折減法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

極限平衡法與強度折減法均是基于條分法進(jìn)行計算,對于較完整巖質(zhì)邊坡,穩(wěn)定性是由主要結(jié)構(gòu)面控制,用條分法不太符合巖體結(jié)構(gòu)特征。赤平極射投影法充分考慮結(jié)構(gòu)面與邊坡坡面空間組合關(guān)系,基于此判定邊坡穩(wěn)定性更為合理。

極限平衡法和強度折減法充分考慮巖體各部分的穩(wěn)定性,且有定量結(jié)果,缺點是其假設(shè)條件與巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)特征不太相符。赤平極射投影法更符合巖質(zhì)邊坡的實際情況,但是定性判斷缺乏直觀性。

將上述幾種方法綜合,既考慮整體又顧及局部,定量與定性分析互補,能更全面和準(zhǔn)確地把握巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性判斷。

3.1 赤平極射投影分析

根據(jù)邊坡坡面產(chǎn)狀與邊坡巖體中主要結(jié)構(gòu)面的空間關(guān)系,依據(jù)赤平極射投影方法,選擇巖質(zhì)邊坡中部的某典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

根據(jù)對邊坡中部統(tǒng)計窗主要發(fā)育結(jié)構(gòu)面的調(diào)查,主要有產(chǎn)狀約215°∠78°,305°∠48°,85°∠32°共三組結(jié)構(gòu)面,另有產(chǎn)狀45°∠17°左右伴生節(jié)理,高邊坡坡面產(chǎn)狀約為40°∠67°,邊坡該區(qū)域主要結(jié)構(gòu)面和坡面赤平極射投影圖如圖4所示。

由圖4可知,主要結(jié)構(gòu)面J1,J2，J3(粗實線所示)相互切割,形成了菱形塊體,結(jié)構(gòu)面J4位于邊坡最底部,在實際空間中并未與以上三組結(jié)構(gòu)面交匯。四組結(jié)構(gòu)面的交線在圖上的投影點分別為M1,M2,M3,M4,M5,M6,圖4中摩擦圓角度為35°(點劃線所示)。

首先,從整體上分析,J1結(jié)構(gòu)面對高邊坡穩(wěn)定性影響最大,由圖4可見,J1結(jié)構(gòu)面位于坡面的對側(cè),說明其傾向與坡面傾向相反,屬于最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu);J2結(jié)構(gòu)面對高邊坡穩(wěn)定性影響較大,其傾向與坡面傾向夾角為45°,大于40°,屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu);J1與J2結(jié)構(gòu)面交線投影點M1傾向與坡面傾向夾角為108°,大于40°,亦屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。因此,高邊坡整體上屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

其次,從局部分析,對于平面滑移[7],圖4中只有J4一組潛在滑面傾向與坡面傾向夾角為5°,不大于20°,但其傾角17°既小于坡面傾角67°,也小于內(nèi)摩擦角35°,不符合平面滑移條件;另外三組潛在滑面皆不滿足平面滑移的條件。因此,該區(qū)域沒有發(fā)生平面滑移的可能性。

對于楔形滑移[8-9],圖4中有6組結(jié)構(gòu)面交線,其產(chǎn)狀如長虛線所示,可以看出有M4,M5,M6三組交線與坡面傾向夾角不大于20°,三組交線傾角范圍皆在15°～16°,小于坡面傾角67°,但也小于內(nèi)摩擦角35°,不符合楔形滑移條件,因此,該區(qū)域沒有發(fā)生楔形滑移的可能性。

對于崩塌,當(dāng)巖體中發(fā)育有兩組或兩組以上的陡傾節(jié)理時,與坡面平行或接近平行的一組節(jié)理常演化為拉張裂縫,且當(dāng)邊坡坡度大于45°,尤其是大于60°時,非常容易形成崩塌[10]。對于本邊坡,只有產(chǎn)狀約215°∠78°的J1一組陡傾結(jié)構(gòu)面,且J1結(jié)構(gòu)面與坡面為逆向關(guān)系。因此,巖質(zhì)邊坡發(fā)生崩塌的可能性極小。

傾倒破壞多見于存在反傾結(jié)構(gòu)面切割的巖質(zhì)邊坡區(qū)域[11],結(jié)合本巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面來看,產(chǎn)狀約215°∠78°的J1結(jié)構(gòu)面與坡面即為反傾關(guān)系,且由于J2，J3結(jié)構(gòu)面的切割,很可能導(dǎo)致相互切割形成的菱形塊體因重力作用發(fā)生傾倒破壞。這也與現(xiàn)場邊坡淺部表層產(chǎn)生菱形塊體滑脫掉塊現(xiàn)象相對應(yīng)。

綜上所述,從赤平極射投影分析的結(jié)果來看,高邊坡整體上是穩(wěn)定的,沒有發(fā)生平面滑移和楔形滑移的可能性,發(fā)生崩塌的可能性極小,但是邊坡淺表層可能會發(fā)生菱形塊體傾倒破壞。根據(jù)調(diào)查,這一結(jié)論與現(xiàn)場實際情況相符。

3.2 極限平衡法分析

對于較破碎的強風(fēng)化巖體,其巖體松散,根據(jù)GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范推薦,采用簡化Bishop法進(jìn)行計算,假定滑面呈圓弧狀。分別采用Geostudio軟件和理正巖土計算軟件進(jìn)行計算。計算材料模型采用理想彈塑性本構(gòu)模型:摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則。計算剖面選擇具有代表性的邊坡中部某個典型剖面。剖面如圖5所示。

依據(jù)土工試驗的相關(guān)成果以及可門電廠相近區(qū)域的巖體經(jīng)驗參數(shù),采用的計算參數(shù)見表1。

表1 邊坡穩(wěn)定性計算參數(shù)表

3.2.1 簡化Bishop法原理

如圖6所示,將圓弧滑體分成n個垂直條塊,以第i條塊為例說明。

簡化Bishop法主要是忽略條塊間的剪力, 由Mohr-Coulomb準(zhǔn)則以及Terza-ghi原理得:

(1)

其中,Ti為條底剪力;Ni為條底法向作用力;ui為條底孔隙水壓力;bi為條塊寬度;ai為條塊滑面傾角;φi為條塊底滑面摩擦角;ci為條塊底滑面黏聚力;Fs為滑面安全系數(shù)。

考慮條塊垂直方向力的平衡,得到:

Nicosai+Tisinai=Wi

(2)

其中,Wi為條塊重力。

由式(1),式(2)可得:

(3)

(4)

其中：

(5)

因未考慮水平向力的平衡,實際條塊及滑體不能滿足力矩平衡的條件,故僅考慮對圓心力矩平衡?？傻?

(6)

其中,R為滑動圓半徑。

將式(3),式(4)代入式(6),可得:

(7)

式(7)即可得到安全系數(shù)Fs。

3.2.2 Geostudio數(shù)值模擬計算

利用Geostudio軟件進(jìn)行計算,在一般工況下,巖質(zhì)邊坡計算模型見圖7,計算出的最危險破裂面及穩(wěn)定性結(jié)果見圖8。通過計算結(jié)果可知,高邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.377。

從現(xiàn)場的巖體特征來看,邊坡巖體為中風(fēng)化花崗巖,未發(fā)現(xiàn)明顯的或成規(guī)模的貫穿裂縫,未發(fā)現(xiàn)貫通滑面,此種情況下,巖塊的抗剪強度遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)面的抗剪強度,阻滑力相對下滑力會有較大余度,邊坡不會發(fā)生整體滑動。這與1.377的穩(wěn)定性結(jié)果相對應(yīng)。

3.2.3 理正巖土軟件計算

利用理正巖土計算軟件在一般工況下,計算出的最危險破裂面及穩(wěn)定性結(jié)果見圖9。

高邊坡中部的穩(wěn)定性系數(shù)為1.377。

通過圖9可以看出,最危險破裂面與穩(wěn)定性計算結(jié)果與圖8幾乎一致,最危險破裂面位于中風(fēng)化花崗巖層中,且穩(wěn)定性系數(shù)高,表明邊坡較難沿此面剪斷從而發(fā)生滑動。

3.3 強度折減法分析

根據(jù)現(xiàn)場勘察,邊坡多處存在菱形體與楔形體破壞,并且存在塊體平面下滑的情況。根據(jù)規(guī)范,采用強度折減法(傳遞系數(shù)隱式解法)進(jìn)行計算,假定滑面呈折線形。

3.3.1 強度折減法原理

強度折減法即對巖土體剪切強度進(jìn)行折減,使折減的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)致邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時,折減如下:

ct=c/Ft

(8)

φt=tan-1(tanφ/Ft)

(9)

其中，c,φ分別為巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角;ct,φt分別為折減后的黏聚力和內(nèi)摩擦角;Ft為折減系數(shù)。強度折減法的要點就是利用上述公式調(diào)整巖土體的強度指標(biāo)c,φ值,然后對巖土體邊坡進(jìn)行數(shù)值分析,通過不斷地增加折減系數(shù)Ft,反復(fù)分析計算,直至邊坡達(dá)到臨界破壞,此時得到的折減系數(shù)即為邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)Fs。

3.3.2 理正巖土軟件計算

利用理正巖土計算軟件在一般工況下,計算出高邊坡的最危險破裂面及穩(wěn)定性結(jié)果見圖10。

通過計算結(jié)果可知,一般工況下,高邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.387。

強度折減法考慮了條塊間剩余作用力的傳導(dǎo),且折線形滑面比較符合巖質(zhì)邊坡的變形破壞特征,因此,計算結(jié)果能較好反映巖質(zhì)邊坡平面滑移和楔形滑移的可能性。在邊坡巖性較好情況下,巖塊沿平面的抗剪斷強度較高,阻滑力大,穩(wěn)定性系數(shù)高。

3.4 各種分析方法結(jié)果對比

邊坡屬于巖質(zhì)邊坡,坡高大部分在30 m以上,且邊坡下部為廠內(nèi)生活區(qū),邊坡一旦破壞后果很嚴(yán)重,依據(jù)GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范3.2.1條[12],邊坡的工程安全等級屬于一級。邊坡穩(wěn)定性驗算時,在一般工況下,本邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.35。

為準(zhǔn)確分析高巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性利用各種分析方法對邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析,分析結(jié)果如表2所示。

表2 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果表

通過赤平極射投影分析可知,高邊坡整體上是穩(wěn)定的,沒有發(fā)生平面滑移和楔形滑移的可能性,發(fā)生崩塌的可能性極小,但是邊坡淺表層可能會發(fā)生菱形塊體傾倒破壞。

通過極限平衡法中簡化Bishop法分析,兩種計算軟件計算出來的邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)都為1.377,大于1.35,可以判定邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),從另一方面也可以說明巖質(zhì)邊坡發(fā)生圓弧破壞的可能性較小。

通過強度折減法分析,計算出來的邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.387,大于1.35,可以判定邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),從另一方面也可以說明巖質(zhì)邊坡發(fā)生折線型破壞的可能性較小。

整體上看,各種分析方法最終得出的穩(wěn)定性系數(shù)都比較接近,通過數(shù)值分析軟件得出的穩(wěn)定性系數(shù)都要大于1.35,可以判定邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài),但安全儲備不是很大。

4 結(jié)論

綜合上述赤平極射投影法、極限平衡法、強度折減法等多種方法依靠理正巖土軟件、Geostudio軟件對可門電廠的某高陡巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。分析結(jié)果表明邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài),本巖質(zhì)邊坡沒有發(fā)生平面滑移和楔形滑移的可能性,發(fā)生崩塌、圓弧破壞、折線型破壞的可能性較小,最有可能的破壞形式是傾倒破壞,這與現(xiàn)場邊坡淺部表層發(fā)生菱形塊體滑脫掉塊的實際情況相吻合。

邊坡坡面裸露時間過長,在外界的空氣、水分的作用下,巖石的風(fēng)化、破碎程度加劇,建議減少邊坡暴露面和暴露時間,對坡面零星危巖、松動塊石、雜草等進(jìn)行清除,依據(jù)坡高以及傾倒破壞程度的不同,對高陡邊坡不同區(qū)域提出對應(yīng)的防護(hù)建議。邊坡相對高差大,坡度陡,滑脫掉塊明顯的區(qū)域建議采用掛網(wǎng)噴錨防護(hù);邊坡相對高差小滑脫掉塊范圍較小的區(qū)域建議采用素噴混凝土防護(hù)。