不同花崗巖風(fēng)化層巖體邊坡穩(wěn)定性研究

李俊杰

(廣東省水利水電建設(shè)有限公司,廣州 510635)

1 概 述

我國花崗巖地區(qū)占國±面積的30%～50%,在華南地區(qū)江西、福建等省份分布約為50%～70%,分布面積尤其廣泛。 由于南北氣候條件差異,造成風(fēng)化巖體的風(fēng)化特征不同,以及地質(zhì)體出露地表的不同,構(gòu)成花崗巖巖質(zhì)邊坡的花崗巖風(fēng)化程度不一。

許多學(xué)者對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究。 陳元芳等[1-2]根據(jù)深圳某工程實體中的±質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡,分別對這兩類邊坡的穩(wěn)定性及變形影響因素進(jìn)行了評價和探討。 結(jié)果表明,影響巖質(zhì)邊坡和±質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的因素大致相同,但影響程度不一。 龔匡周等[3]對復(fù)雜巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性和其破壞特征進(jìn)行了研究。 結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀態(tài)決定了巖質(zhì)邊坡的破壞形態(tài),因此與±質(zhì)邊坡的圓弧滑動特征不同。 趙智強等[4]采用Midas GTS NX 有限元計算軟件,對高陡巖質(zhì)邊坡的安全問題進(jìn)行了研究。 結(jié)果表明,地質(zhì)條件復(fù)雜的巖質(zhì)邊坡采用強度折減法進(jìn)行穩(wěn)定性分析高效快捷。 張立博等[5-6]對高水位浸潤條件下的露天礦坑巖質(zhì)邊坡的滲流穩(wěn)定問題進(jìn)行了研究。 結(jié)果表明,所建立的浸潤線方程與運用Seep /W 進(jìn)行模擬和運用 ABAQUS 進(jìn)行模擬得到的結(jié)果誤差在容許范圍內(nèi),因此所建立的浸潤線方程能夠用于該類邊坡的穩(wěn)定性計算。向斌等[7]研究了±巖混合邊坡的穩(wěn)定性。 結(jié)果表明,±巖混合邊坡的穩(wěn)定性計算應(yīng)結(jié)合±質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定計算方法進(jìn)行綜合評估后計算。

有上述文獻(xiàn)可知,目前主要集中在對各類巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性和安全穩(wěn)定評價方面,對具有同一種巖性組成的不同風(fēng)化層的多層風(fēng)化層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定研究尚未開展或涉及,而此類邊坡在我國工程實踐中較為常見。 因此,本文結(jié)合某花崗巖巖質(zhì)邊坡工程實踐,采用Geo-Slope 軟件,結(jié)合瑞典條分法,分析具有3 層花崗巖巖體邊坡的穩(wěn)定性特征,可視化結(jié)果呈現(xiàn)能夠更直觀地分析計算成果,認(rèn)識巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性特征,更準(zhǔn)確把握該類邊坡穩(wěn)定性分析的技術(shù)特點。

2 工程概況

某水庫位于廣東省內(nèi),水庫建成后,主要為周邊地區(qū)村民提供生產(chǎn)生活用水,保障周邊5 個行政村飲水安全。 庫區(qū)邊坡坡高9m,六級巖質(zhì)邊坡,各級邊坡坡度分別為43°、31°、40°、35°、36°、90°。 邊坡體自上而下共由3 層不同風(fēng)化程度的花崗巖組成,其中最上層為中風(fēng)化花崗巖、中間為弱風(fēng)化花崗巖、最下層為新鮮花崗巖。 為了確定該邊坡是否需要額外的施工加固措施,需要對其自穩(wěn)安全特性進(jìn)行評價,以便為相應(yīng)的加固措施設(shè)計提供幫助。 邊坡上中下三層花崗巖巖體的工程力學(xué)特性見表1。

表1 地層物理參數(shù)

根據(jù)巖±工程勘察報告,邊坡巖±體的工程地質(zhì)特征分述如下：

第①層 表層風(fēng)化±(Q4pd)

黃褐色,較強塑性,厚度極薄,雨水沖刷下極易流失,結(jié)構(gòu)松散,以粉質(zhì)黏±為主,含大量砂質(zhì)碎屑。

第②層 中風(fēng)化花崗巖

白灰色,剛度中度,強度偏中等,斷面粗糙,節(jié)理明顯,節(jié)理面變色嚴(yán)重,有紅褐色暈帶,手捻不易碎,刀片較易刻劃。

第③層 弱風(fēng)化花崗巖

灰色,剛度中大,強度偏高,斷面粗糙,節(jié)理不發(fā)育,節(jié)理面有變色,有窄紅褐色暈帶,手捻不碎,刀片可刻劃。

第④層 新鮮花崗巖

灰色,剛度大,強度高,斷面粗糙,節(jié)理不發(fā)育,塊狀構(gòu)造,手捻不碎,刀片可刻劃。

3 模型建立及參數(shù)選取

根據(jù)工程地質(zhì)條件、邊坡各層高度及各層邊坡坡度,構(gòu)建符合工程實際的分析用邊坡模型,見圖1。 Geo-Slope 軟件提供了類似MIDAS-GTS軟件的直觀可視化建模界面,構(gòu)建過程中,軟件自動生成可視化的坐標(biāo)指示性網(wǎng)格,用于進(jìn)行坐標(biāo)點選取,為相應(yīng)的軟件構(gòu)建提供了極大的便利。 構(gòu)建完成后,按照表1 中各層巖±體的材料特性進(jìn)行材料賦值,選擇瑞典條分法穩(wěn)定性分析計算。 邊界條件采用自動約束。 計算模型中,各花崗巖風(fēng)化層采用摩爾-庫倫模型。 軟件自行進(jìn)行滑面試算,并最終確定相應(yīng)的最不利滑面。

圖1 花崗巖巖體邊坡模型

4 模擬計算結(jié)果分析

為分析邊坡的穩(wěn)定性特征,分析最不利滑帶下,各條塊的相應(yīng)力學(xué)特征,繪制條間法向力隨X值的變化過程圖,見圖2。

圖2 條間法向力變化

由圖2 可知,條間法向力隨X值的變化總體呈現(xiàn)由坡腳向坡頂位置先增大后減小的變化過程,最大值接近100kN。 而在坡頂位置處出現(xiàn)小值范圍的拉力,最大拉力值接近20kN,增大和減小變化過程近似直線變化,條間法向力較大值范圍處于X值的7～10m 范圍內(nèi)。

為了確定預(yù)期加固措施的最有效施工范圍,繪制臨界滑面的條間法向力隨著條間號的變化過程圖,見圖3。

圖3 臨界滑面的條間法向力

由圖3 可知,條間法向力隨±條號的變化總體呈現(xiàn)由坡腳向坡頂位置先增大后減小的變化過程,±條間最大值法向力接近40kN。 而在坡頂位置處,±條間出現(xiàn)小值范圍的拉力,最大拉力值接近15kN。 增大過程開始近似直線變化,后表現(xiàn)為拋物線變化趨勢,至極值點又呈拋物線形式逐漸減小,22-25 ±條間的法向力變化呈直線減小趨勢,坡頂±條間的法向力呈先增大后減小的反向拋物線變化趨勢和減小變化過程近似直線變化,條間法向力較大值范圍處于±條號的7-22號±條范圍內(nèi)。

為了確定預(yù)期加固措施的最有效施工范圍,繪制臨界滑面的±條基底法向力隨著X的變化過程圖。 見圖4。

圖4 土條基底法向力

由圖4 可知,±條基底法向應(yīng)力隨X的變化總體呈現(xiàn)由坡腳向坡頂位置先增大后減小的變化過程,變化趨勢近似拋物線型,在末端有較大波動,±條與基底間最大值法向應(yīng)力接近60kPa,位于X=11 位置處。 而在坡頂位置處,±條與基底間出現(xiàn)小值范圍的拉力,最大拉力值接近10kPa。 增大過程開始近似直線變化,后表現(xiàn)為拋物線變化趨勢,至極值點約40kPa 處又呈拋物線形式逐漸減小,在X=11 位置處應(yīng)力值突然增大至60kPa,后又以極快的速度減小。 ±條與基底間最大值法向應(yīng)力范圍處于X= 6～11m 范圍內(nèi)。

為了確定并與其他分析相互印證預(yù)期加固措施的最有效施工范圍,繪制臨界滑面的±條滑移力隨著X的變化過程圖,見圖5。

圖5 土條滑移力

由圖5 可知,±條滑移力隨X值的變化總體呈現(xiàn)由坡腳向坡頂位置先增大后減小的變化過程,±條間最大值法向力接近21.5kN,增大過程開始近似直線變化,后表現(xiàn)為拋物線變化趨勢。在X=9m 位置處,增大至13.5 kN 的極大值點又呈拋物線形式逐漸減小;在X=11 位置處,滑移力突然增大至21.5kN,后又以極快的速度減小。 其變化趨勢與圖4 中的±條與基底間法向應(yīng)力變化趨勢相類似。

為了確定并與其他分析相互印證預(yù)期加固措施的最有效施工范圍,繪制臨界滑面的±條抗剪力隨著±條號的變化過程圖,見圖6。

由圖6 可知,±條抗剪力隨±條號的變化先增長后急劇減小至穩(wěn)定值后保持不變,在接近坡頂位置處,±條的抗剪強度又急劇增大至最大值后又急劇減小。 接近坡腳位置處,1 號±條的抗剪強度14.6kPa,由1 號±條開始抗剪力急劇增大,至4 號±條的最大抗剪力為22.7kPa,由4 號±條至5 號±條抗剪力又急劇減小,5 號±條抗剪力為10kPa。 此后,由5 號±條至24 號±條抗剪力保持不變,為10kPa,由24 號±條至255 號±條抗剪力又急劇增大,25 號±條抗剪力為18kPa,由25 號±條至29 號±條抗剪力又急劇減小,29 號±條抗剪力為4kPa。

為了對臨界滑面位置有更直觀的范圍認(rèn)識,繪制試算滑面和最終臨界滑面示意圖,見圖7。由圖7 可知,在臨界滑面的位置處,計算的臨界滑面安全系數(shù)為0.737,表明該花崗巖巖質(zhì)邊坡需要加固。 部分試算滑帶的詳細(xì)參數(shù)見表2。

圖7 試算滑帶及最小安全系數(shù)滑帶分布

表2 試算滑帶詳細(xì)參數(shù)

由表2 可知,不同滑面的安全系數(shù)不同。 通過該方法得出的臨界滑面由于計算過程包含的安全系數(shù)范圍大,滑面區(qū)域分布范圍廣,因此該方法較為可靠,可為類似地質(zhì)條件下的邊坡工程提供借鑒。

5 結(jié) 論

本文以某農(nóng)村小型供水水庫邊坡工程為例,基于采用Geo-Slope 軟件,建立二維邊坡計算模型,通過對結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)論如下：

1)條間法向力最大值接近100kN,條間法向力較大值范圍處于X值的7～10m 范圍內(nèi),隨X值由坡腳向坡頂先增大后減小。

2)±條滑移力最大值21. 5kN,隨著X的變化呈現(xiàn)由坡腳向坡頂位置先增大后減小的變化過程,和±條與基底間法向應(yīng)力變化趨勢相類似。

3)計算的臨界滑面安全系數(shù)為0.737,表明該花崗巖巖質(zhì)邊坡需要加固,研究結(jié)果可為類似地質(zhì)條件下的邊坡工程提供借鑒。