Slide在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用
——以某水電站放空洞出水口邊坡為例

馬金根

(中國電建集團(tuán) 成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都　610072)

0　引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,在水電、礦山、交通、海港等領(lǐng)域涉及到邊坡的工程項(xiàng)目,不僅數(shù)量越來越多,而且規(guī)模越來越大,邊坡的失穩(wěn)破壞常給工程的建設(shè)和運(yùn)行帶來巨大的危害,有時(shí)形成嚴(yán)重的自然災(zāi)害。這方面國內(nèi)外的實(shí)例是屢見不鮮的。如1963年10月9日發(fā)生的意大利瓦依昂大滑坡，1961年3月湖南資江柘溪水庫塘巖光滑坡等。為此,人們一方面不斷加大工程地質(zhì)勘察的力度,確保地質(zhì)信息的全面性、準(zhǔn)確性和及時(shí)性;另一方面,計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,為保證生產(chǎn)安全和降低成本提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

本文結(jié)合實(shí)際開挖過程中的施工地質(zhì)調(diào)查,利用Slide軟件對某水電站放空洞出水口邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,為下部邊坡開挖及支護(hù)設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù)。

1　概述

1.1　邊坡穩(wěn)定性研究的意義

邊坡穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析具有重要意義,一方面通過邊坡的勘察對邊坡的穩(wěn)定性作出評價(jià)和預(yù)測;另一方面要為設(shè)計(jì)合理的工程邊坡和制定有效的防治措施提供地質(zhì)依據(jù)。

1.2　國內(nèi)外邊坡研究進(jìn)展及存在問題

在國內(nèi)外的邊坡問題研究中,邊坡穩(wěn)定性問題一直是一個重要的研究內(nèi)容。它涉及水電、鐵道、公路、礦山等諸多工程領(lǐng)域,能否準(zhǔn)確評價(jià)其穩(wěn)定性直接關(guān)系到建設(shè)資金的投入和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。邊坡穩(wěn)定性分析方法很多,不同的方法又各具特點(diǎn),且存在一定的適用條件。從邊坡工程研究發(fā)展歷程可見,邊坡穩(wěn)定性研究發(fā)展的過程,同時(shí)又是一個邊坡穩(wěn)定性分析方法不斷發(fā)展的過程。

1.2.1邊坡穩(wěn)定性評價(jià)常見方法

目前對邊坡穩(wěn)定性評價(jià)的常見方法主要有:極限平衡分析法(如:斯賓塞法、畢肖普法(Bishop)、簡布法(Janbu)、摩根斯坦—普賴斯法(Morgen.stern.Prince)、剩余推力法、薩爾瑪法(Sarma)、楔體極限平衡分析法等等)、有限單元法、離散單元(DEM)法、快速拉格朗日(Lagrangian)分析(FLAC)法、可靠度評價(jià)方法、灰色系統(tǒng)評價(jià)法等。但是各方法又各有其特點(diǎn),有一定的適用條件。其中Sarma法既可用于滑面呈圓弧形的滑體,又可用于滑面呈一般折線形滑面的滑體極限平衡分析。

1.2.2邊坡穩(wěn)定性評價(jià)方法的發(fā)展趨勢[1]

(1)任何一種方法都不是萬能的,把兩種或多種方法融合起來,取長補(bǔ)短,是未來發(fā)展的一種趨勢。

(2)隨著數(shù)值分析方法的不斷發(fā)展,不同數(shù)值方法的相互耦合成為一大發(fā)展趨勢。

(3)滑坡顯然是一種不連續(xù)的突變現(xiàn)象,利用突變理論的觀點(diǎn)研究邊坡系統(tǒng)有廣闊的發(fā)展前景。然而應(yīng)用單一的突變理論,解決復(fù)雜的滑坡問題有其一定的局限性,需要將模糊數(shù)學(xué)、概率論、灰色系統(tǒng)理論和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與突變理論相結(jié)合,應(yīng)用數(shù)值模擬手段模擬復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)演化全過程,這是有待深入研究的課題。

(4)把邊坡及其所處的環(huán)境看成一個大系統(tǒng),從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā),綜合考慮各子系統(tǒng)之間的相互作用與聯(lián)系,采用系統(tǒng)控制論、協(xié)同學(xué)等理論方法對邊坡的失穩(wěn)機(jī)理的特性進(jìn)行研究分析,也是一個大的發(fā)展趨勢。

(5)邊坡(滑坡)系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)。邊坡系統(tǒng)的失穩(wěn)是一個不可逆的熱力學(xué)過程,這種過程可以用熵來度量?；率Х€(wěn)前,其總熵不變,一旦總熵發(fā)生變化,勢能和應(yīng)力分布隨之發(fā)生變化,當(dāng)兩者出現(xiàn)差異時(shí),滑坡就失穩(wěn)而產(chǎn)生滑動。因此,從熱力學(xué)角度研究邊坡系統(tǒng)失穩(wěn)應(yīng)具有十分重要意義。

(6)采用反分析法來研究邊坡系統(tǒng)的失穩(wěn)也是發(fā)展的一大趨勢。一般研究邊坡系統(tǒng)的失穩(wěn)總是從邊坡受力的角度研究。但如果轉(zhuǎn)化思維,可以從邊坡系統(tǒng)的變形分析出發(fā),尋求邊坡的變形失穩(wěn)判據(jù)并進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)。如位移反分析法就是先以實(shí)測的位移值為依據(jù)反演求出初始的應(yīng)力與參數(shù),再反過來應(yīng)用于工程實(shí)踐。

(7)由于影響邊坡系統(tǒng)各因素的復(fù)雜性、不確定性等,依托于計(jì)算機(jī)技術(shù),形成集成式智能評價(jià)系統(tǒng)也將成為未來的發(fā)展趨勢。

1.3　Slide軟件簡介

Slide軟件為二維邊坡穩(wěn)定性分析軟件,主要采用極限平衡法對邊坡穩(wěn)定進(jìn)行分析。它具備一系列全面廣泛的分析特性,包括支撐設(shè)計(jì),完整的地下水(滲流)有限元分析及隨機(jī)穩(wěn)定性分析。軟件的特點(diǎn)主要為:支持圓弧、非圓弧及復(fù)合滑移面等多種滑移面的自動搜索;包含Bishop、Spencer、GLE/Morgenstern-Price等多種極限平衡分析方法;各向異性、非線性等多種材料破壞準(zhǔn)則;水位線、孔隙水壓力系數(shù)、穩(wěn)態(tài)有限元分析等多種孔隙水壓力分析方法;材料參數(shù)的靈敏性分析;隨機(jī)穩(wěn)定性分析;滑移面裂隙分析;線性、分布動荷載等外荷載分析;土釘、土層錨桿、土工織物、樁等結(jié)構(gòu)荷載分析[2]。

2　放空洞出水口邊坡基本工程地質(zhì)條件

2.1　地形地貌

放空洞出水口布置于某水電站壩址右岸條形山脊尾部,山體三面臨空,受河流切割,地形上形成低矮山脊,山體相對單薄。

2.2　地層巖性

2.3　地質(zhì)構(gòu)造

據(jù)開挖揭示,該邊坡未發(fā)現(xiàn)有控制邊坡整體穩(wěn)定的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育,巖體中主要發(fā)育NE/NW、NW/SW及近EW/近⊥的輝綠巖脈及小規(guī)模擠壓破碎帶、斷層等。

2.4　風(fēng)化卸荷

巖體風(fēng)化卸荷較強(qiáng),據(jù)勘探揭示,巖體強(qiáng)風(fēng)化下限水平深度60 m,弱風(fēng)化下限水平深度120 m,強(qiáng)卸荷水平深度54 m,弱卸荷水平深度達(dá)100 m,輝綠巖脈及小規(guī)模擠壓破碎帶較發(fā)育。

2.5　巖體物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)室內(nèi)外試驗(yàn)成果,對巖體相關(guān)試驗(yàn)成果及圍巖參數(shù)進(jìn)行取值(表1)。

表1　放空洞出水口邊坡穩(wěn)定性計(jì)算巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)取值

2.6　水文地質(zhì)條件

地下水以基巖裂隙潛水為主,接收大氣降水入滲,排泄較好,地形坡度較陡,地下水埋藏較深。

3　邊坡穩(wěn)定性分析及計(jì)算

3.1　邊坡失穩(wěn)模式判別

結(jié)合開挖揭示的基本工程地質(zhì)條件,經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn):① 該邊坡發(fā)育的節(jié)理裂隙主要為四組或三組加隨機(jī)(圖1、圖2),其中與坡面小角度相交的裂隙4于EL725～755 m段較發(fā)育,且在開挖過程中坡面局部沿該組結(jié)構(gòu)面成型;② 該邊坡主要發(fā)育NE/NW、NW/SW及近EW/近⊥的輝綠巖脈、構(gòu)造等軟弱結(jié)構(gòu)面(圖3、圖4)。

根據(jù)對巖體的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行定性分析可知,該坡段未揭示有控制邊坡整體穩(wěn)定的控制性結(jié)構(gòu)面發(fā)育,邊坡整體穩(wěn)定,邊坡的穩(wěn)定性主要受節(jié)理裂隙及節(jié)理裂隙與構(gòu)造的組合控制。

圖1　節(jié)理裂隙赤平投影圖(5為坡面)

圖2　節(jié)理裂隙等密度面圖

圖3　構(gòu)造赤平投影圖(4為坡面)

圖4　構(gòu)造等密度面圖

3.2　邊坡穩(wěn)定性分析

3.2.1計(jì)算邊界及計(jì)算參數(shù)的確定

由上述的地質(zhì)分析可知,以全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的底界為限,可將邊坡分為兩個部分進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,第一部分為頂部全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖穩(wěn)定性計(jì)算;第二部分為下部弱風(fēng)化花崗巖體穩(wěn)定性計(jì)算。在工程地質(zhì)類比和現(xiàn)場施工所搜集的地質(zhì)資料基礎(chǔ)上,并結(jié)合已有的巖體物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果和巖體質(zhì)量指標(biāo)類比,參照地質(zhì)分析的反算結(jié)果確定該邊坡穩(wěn)定性計(jì)算巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)取值,可參見表1。地震基本烈度為Ⅶ度。有關(guān)超越概率水平1×10-4的壩址基巖峰值加速度為0.21g和地面峰值加速度為0.33g。在此基礎(chǔ)上取水平向地震系數(shù)k0=0.21[3]。

3.2.2計(jì)算工況選擇

邊坡的穩(wěn)定性分析須考慮多種因素(如暴雨、地震等)以及它們的疊加效應(yīng),本次穩(wěn)定分析主要按以下工況選擇:①基本組合(天然狀況)；②特殊組合一(天然狀況+暴雨)；③特殊組合二(天然狀況+地震)。

3.2.3穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)開挖揭示的巖體結(jié)構(gòu)特征、地形地貌特征和開挖過程中局部巖體的變形破壞特征等將出水口邊坡細(xì)分為兩個穩(wěn)定性計(jì)算部分,分別計(jì)算其穩(wěn)定性。

(1)邊坡頂部(EL768 m以上)分布的全強(qiáng)分化花崗巖穩(wěn)定性(以強(qiáng)風(fēng)化底界為計(jì)算滑動面的主要依據(jù))計(jì)算分析,利用Slide軟件對其整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。在不同工況條件下,采用不同方法(Bishop、Spencer、Janbu、Gle/Morgenstern-price等)進(jìn)行計(jì)算分析。

(2)弱風(fēng)化弱卸荷的花崗巖體穩(wěn)定性(地下水以基巖潛水為主,不考慮工況②)計(jì)算分析,利用Slide軟件對其整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。在不同工況條件下,采用不同方法(Bishop、Spencer、Janbu、Gle/Morgenstern-price等)進(jìn)行計(jì)算分析。

3.2.4穩(wěn)定性計(jì)算小結(jié)

(1)根據(jù)Slide計(jì)算結(jié)果分析,該邊坡頂部全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖在現(xiàn)開挖形成的坡比狀況下穩(wěn)定性較差,為保證施工期下部人員和機(jī)械設(shè)備等的安全,須對其進(jìn)行相應(yīng)的削坡或加固處理,由分析可知,穩(wěn)定開挖坡比為1∶1.1～1∶1.3,后續(xù)對該邊坡進(jìn)行二次開挖,設(shè)計(jì)開挖坡比為1∶1,并布置間排距2.5 m,L=2.0 m的Φ20的插筋進(jìn)行支護(hù),監(jiān)測資料表明,該邊坡在后續(xù)過程中是穩(wěn)定的。

(2)經(jīng)由前面的分析可知,該邊坡弱風(fēng)化花崗巖體在天然狀況下整體穩(wěn)定,局部巖體穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面的組合控制(如楔塊1的結(jié)構(gòu)面組合分析)(圖5);在地震作用力影響下,整體穩(wěn)定性較差,采用適當(dāng)?shù)募庸檀胧┚涂梢员ＷC邊坡的穩(wěn)定性。

圖5　楔塊1

① 楔塊1的地質(zhì)參數(shù)。第一切割面走向及傾向角:N37E，NW47；第二切割面走向及傾向角:N25W，NE57；坡頂面走向及傾向角:N13W，NE58；坡面走向及傾向角:N13W，NE63。

圖6放空洞出水口邊坡軸線地質(zhì)剖面圖

Fig.6The geological section of the outlet slope axis of emptying tunnel

② 楔塊1的物理力學(xué)參數(shù)。楔塊的高度:D=40;第一結(jié)構(gòu)面的f值:f2=0.6;第一結(jié)構(gòu)面的c值:c1=0.17;第二結(jié)構(gòu)面的f值:f2=0.6;第二結(jié)構(gòu)面的c值:c2=0.17;巖石的容重r:r=26.7;水的容重r:r=9.807。

③ 楔塊1穩(wěn)定分析結(jié)果。楔塊的體積:V=105 930.145 4;交線的傾角:32.919 9;楔塊的穩(wěn)定安全系數(shù):Kc=0.147 328 128。

在邊坡的實(shí)際開挖過程中同樣驗(yàn)證了以上結(jié)果的可靠性,且在實(shí)際開挖過程中局部伴有掉塊現(xiàn)象,EL735～715 m坡段坡面局部沿裂隙4成型(見圖6)。

4　結(jié)語

結(jié)合對放空洞出水口邊坡的施工地質(zhì)工作及本次對該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價(jià),筆者獲得以下幾點(diǎn)認(rèn)識:

(1)在邊坡的開挖爆破過程中,應(yīng)采用自上而下分層分序鉆爆施工的開挖方式,且須嚴(yán)格控制爆破,以避免大爆破對邊坡巖體的擾動;

(2)對于由結(jié)構(gòu)面組合形成的不穩(wěn)定或潛在不穩(wěn)定塊體,應(yīng)及時(shí)對其進(jìn)行支護(hù)處理,且須在完成上部分支護(hù)的前提之下再進(jìn)行下部邊坡巖體的爆破施工;

(3)在對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算過程中,應(yīng)考慮邊坡在暴雨、地震等特殊工況及其疊加效應(yīng)下的穩(wěn)定性,除對其整體穩(wěn)定性作出相應(yīng)的分析評價(jià)外,亦需要對邊坡巖體的局部穩(wěn)定性作出相應(yīng)的分析評價(jià);

(4)在邊坡的分析評價(jià)過程中,應(yīng)考慮采用不同的方法對邊坡巖體的穩(wěn)定性作出評價(jià)和校核,避免使用單一方法帶來的不可靠性和隨機(jī)性;

(5)在運(yùn)用Slide軟件進(jìn)行分析的過程中發(fā)現(xiàn),Slide并不能夠完全考慮施工操作步驟及材料復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系,這點(diǎn)可以結(jié)合純數(shù)值模擬方法如Flac來共同解決這類問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊學(xué)堂，等.邊坡穩(wěn)定性評價(jià)方法及發(fā)展趨勢[J].巖土工程技術(shù)，2004，18(2)：103-106.

[2]中仿科技有限公司.Slide邊坡穩(wěn)定性分析軟件[EB/OL].(2013-05-01).http://www.cntech.com.cn/product/Slide.html.

[3]古云，尹顯科，周云金，等.瀑布溝水電站可行性研究補(bǔ)充報(bào)告[R].成都：中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，2003.