基于強度折減法對水電站壩頭邊坡穩(wěn)定性分析

王慶樂,周彬

(中鐵二院工程集團重慶設(shè)計研究院,重慶400015)

邊坡穩(wěn)定的強度折減法是通過不斷降低巖土體控制性結(jié)構(gòu)面強度使邊坡達到極限破壞狀態(tài),從計算得到邊坡的破壞滑動面和強度儲備安全系數(shù)的一種計算方法。有限差分強度折減法在求解安全系數(shù)時,不需要進行條分,而是程序自動求出滑動面,同時它可以分析邊坡巖體各個部位的變形狀況隨時間的發(fā)展演化趨勢。它在邊坡穩(wěn)定性計算上具有很大的優(yōu)越性和應(yīng)用前景。本文采用有限差分強度折減法對某水電站左岸壩頭開挖邊坡的穩(wěn)定性進行量化評價,從而為邊坡工程設(shè)計和支護提供依據(jù)。

1 強度折減法原理及破壞準(zhǔn)則

1.1 強度折減法原理

強度折減安全系數(shù)的定義與邊坡穩(wěn)定分析的極限平衡條分法安全系數(shù)的定義是一致的,都屬于強度儲備安全系數(shù)[1]。對于實際的邊坡工程,它們都表示了是整個滑面的安全系數(shù)而不是某個應(yīng)力點的安全系數(shù),公式表示為

1.2 破壞準(zhǔn)則分析

強度折減法分析邊坡穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵問題是如何根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果來判別邊坡是否達到極限破壞狀態(tài)。目前的失穩(wěn)判據(jù)主要有4類準(zhǔn)則[2-7]。

(1)計算不收斂。(2)結(jié)構(gòu)面某一幅值的廣義剪應(yīng)變的貫通。(3)特征點的位移法,繪制研究對象多個特征點的位移與折減系數(shù)的關(guān)系曲線,以位移曲線出現(xiàn)較為明顯的轉(zhuǎn)折,作為達到極限破壞。(4)結(jié)構(gòu)面塑性區(qū)貫通。

這4種準(zhǔn)則在許多文獻中都做過分析和比較,本人經(jīng)過分析認為:準(zhǔn)則1受數(shù)值計算軟件和所建模型的質(zhì)量依賴較大,作為收斂準(zhǔn)則缺乏客觀性。剪應(yīng)變增量,只能確定邊坡破壞的滑動方向,但不能說明是否達到破壞。由于邊坡的穩(wěn)定性與位移速率變化趨勢將存在比較密切的關(guān),因此準(zhǔn)則3是比較合理的。塑性區(qū)的大范圍發(fā)育和貫通,直接關(guān)系到邊坡是否達到破壞,所以準(zhǔn)則4也是較為合理的。

本文綜合利用水平位移變化規(guī)律和剪應(yīng)變增量的發(fā)展程度這兩個判別條件共同判斷邊坡是否達到臨界破壞狀態(tài)。當(dāng)水平位移增量與強度折減系數(shù)增量之比△δ/△Ft急劇變化時,并且?guī)r土體內(nèi)部形成貫通的規(guī)模較大的塑性區(qū)時,則認為邊坡處于臨界破壞狀態(tài),此時的強度折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)[8]。

2 工程概況

某電站位于雅礱江大河灣干流河段上,大壩采用混凝土雙曲拱壩方案,壩高305m。壩區(qū)河谷狹窄、谷坡陡峻、邊坡高陡;自然邊坡高達1 000余米,壩區(qū)整體上處于由砂板巖和大理巖構(gòu)成的緊閉向斜部位,右岸為順傾坡,左岸為反傾向坡。

壩頭部位段谷坡高陡,絕大部分基巖裸露。巖性主要為砂板巖(T2-3z)和大理巖(T2-3z),另外還可見少量后期侵入的煌斑巖脈。左岸壩頭自然邊坡在1 850m高程以上為砂板巖邊坡,坡度為40°～50°;以下為大理巖邊坡,坡度為55°～70°。巖層總體產(chǎn)狀N0°～ 30°E,NW ∠25°～45°,走向較穩(wěn)定,與河流基本平行,傾向山里,屬典型的逆向坡。

壩頭邊坡內(nèi)部發(fā)育有:近EW的中等傾角小斷層(如:f42-9),總體走向NNW～NNE裂隙密集帶或深部裂縫,煌斑巖脈(X),f5斷層,這些結(jié)構(gòu)面與自然坡面共同組合,圍成了一個大塊體,具估算,該塊體體積約340萬方。按現(xiàn)有大壩軸線布置方案,根據(jù)左岸拱肩槽及1885以上開挖體形,壩頭邊坡大塊體將被切割成規(guī)模不同的兩個塊體。一個是由f42-9、X、SL44-1、上游坡面圍限的大塊體(以下簡稱“上游大塊體”);另一個是,f42-9、f5、下游坡面圍限的小塊體(以下簡稱“下游坡小塊體”)。前者規(guī)模較大,根據(jù)計算,體積約250萬方。后者規(guī)模較小。左岸壩頭邊坡的工程地質(zhì)問題非常突出。這些壩頭塊體一旦失穩(wěn),將會對大壩帶來摧毀性破壞。

3 計算模型建立

本次采用FLAC3D軟件對該水電站左岸壩頭邊坡的開挖過程進行計算。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性,三維建模時對地質(zhì)原型進行了適當(dāng)?shù)母呕?/p>

1)計算模型所使用的坐標(biāo)系,X坐標(biāo)正方向與河流近平行,指向河流下游,從大壩坐標(biāo)X=1 788到X=2 268,共480m;Y 軸正方向為S65°W,與河流方向近垂直,大壩坐標(biāo)Y=-101.166 5到Y(jié)=598.833 5,共700m;Z坐標(biāo)方向為垂向方向,正方向鉛直向上,從高程Z=1 400到Z=2 250,共850m。

2)由于壩頭邊坡有明顯的邊界條件,巖層層面對壩頭邊坡的“大塊體”影響不大,因此在數(shù)值計算中,沒有考慮巖層的層面,對巖性不同的巖體只是體現(xiàn)在物理力學(xué)參數(shù)上。巖級考慮了3個大的巖級(Ⅱ～Ⅳ類),并將Ⅲ、Ⅳ、還細分為Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ1、Ⅳ2。

3)各巖級及結(jié)構(gòu)面的計算參數(shù)巖體力學(xué)參數(shù)總體上按勘測部門建議值確定。對于部分巖級的參數(shù),根據(jù)模型中的巖級概化情況作了適當(dāng)調(diào)整。左岸深拉裂縫概化為強度較低的帶,選取參數(shù)時結(jié)合參考報告中的力學(xué)參數(shù)(表1)。

蓄水后地下水位的變化,可將蓄水后庫水對斜坡的影響作如下考慮:浮力和坡體的軟化,計算時可通過采用浮容重和軟化后的力學(xué)參數(shù)來實現(xiàn)[9]。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Main physical-mechanical parameters of rockmass

4)模型邊界均采用單向約束,及順江方向的兩邊界為X方向約束,橫江方向的兩個邊界為Y向約束,底邊界為Z向約束。

5)本次模擬計算,邊坡巖體本構(gòu)關(guān)系按按彈塑性考慮,屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

6)由于三維邊坡地形地質(zhì)條件較復(fù)雜,本文在開挖邊坡表面時選擇了5個監(jiān)測點,其具體位置見表2。

表2 監(jiān)測點坐標(biāo)Tab.2 Coordinate monitoring points

經(jīng)過網(wǎng)格剖分,模型共有 48 167個節(jié)點,241 035個單元。為便于分析,沿z軸方向,在X=200m(Ⅱ-Ⅱ)、X=275m(Ⅱ1-Ⅱ1)和 X=360(V-V)處切出3個剖面。計算模型如圖1所示。

4 壩頭邊坡穩(wěn)定性計算

4.1 蓄水前左岸壩頭邊坡的整體穩(wěn)定性

蓄水前,通過分析以上各監(jiān)測點在不同強度折減系數(shù)時的水平位移,可以得到如圖2所示的各節(jié)點的水平位移增量與強度折減系數(shù)增量之比值△δ/△Ft和強度折減系數(shù)Ft的關(guān)系曲線。從圖2可知,在天然條件下,五個監(jiān)測點的△δ/△Ft隨Ft的變化趨勢基本一致,當(dāng)折減系數(shù)增加到1.45后,△δ/△Ft值突然急劇增加,此時巖體的塑性區(qū)范圍較大,并且貫通,圖3～圖6典型剖面的塑性區(qū)分布圖,綜合△δ/△Ft-Ft的關(guān)系圖和塑性區(qū)分布圖,可以認為壩頭開挖邊坡處于臨界破壞狀態(tài),此時的強度折減系數(shù)1.45即為天然條件下強度折減法計算的壩頭邊坡安全系數(shù)。

4.2 蓄水后左岸壩頭邊坡的整體穩(wěn)定性

在蓄水后,通過分析各監(jiān)測點在不同強度折減系數(shù)時的水平位移,可以得到如圖6所示的各節(jié)點的水平位移增量與強度折減系數(shù)增量之比值△δ/△Ft和強度折減系數(shù)Ft的關(guān)系曲線。從圖6可知,在天然條件下,五個監(jiān)測點的△δ/△Ft隨Ft的變化趨勢基本一致,當(dāng)折減系數(shù)增加到 1.50后,△δ/△Ft值突然急劇增加,通過圖7—圖9,可以看出此時巖體的塑性區(qū)較大,并且已經(jīng)貫通。綜合△δ/△Ft-Ft的關(guān)系圖和塑性區(qū)分布圖,可以認為壩頭開挖邊坡處于臨界破壞狀態(tài),此時的強度折減系數(shù)1.50即為蓄水后天然工況下壩頭邊坡的安全系數(shù)。

6 結(jié)論

1)通過利用有限差分強度折減法對壩頭開挖邊坡的穩(wěn)定性計算,可以得出,蓄水前,在天然工況下其穩(wěn)定性系數(shù)為1.45;蓄水后,在天然工況下其穩(wěn)定性系數(shù)為1.50。結(jié)合大塊體的邊界條件分析,可以認為,在施工期及蓄水工況下,左岸壩頭開挖邊坡蓄水前后在天然工況下,整體是穩(wěn)定的。

2)對于巖質(zhì)邊坡而言,控制其穩(wěn)定性的因素主要是發(fā)育在邊坡內(nèi)部的控制性結(jié)構(gòu)面,應(yīng)用有限差分強度折減法可以成功地解決巖體滑動面的空間組合滑動范圍等問題,同時可以再現(xiàn)巖體各部位的變形狀況隨時間的發(fā)展演化趨勢。

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