庫什塔依電站壩肩卸荷巖體穩(wěn)定性研究

曾　鋒, 練　操

(水利部 長江勘測技術(shù)研究所,湖北 武漢　430011)

0　引言

在水利水電工程建設(shè)中,經(jīng)常會遇到高陡邊坡穩(wěn)定問題(如大壩壩肩、隧洞進(jìn)出口等),出現(xiàn)許多巖質(zhì)邊坡工程,如何通過邊坡穩(wěn)定性分析研究,為邊坡工程采取合理的加固措施和加固效果提供科學(xué)依據(jù)是一項重要的課題。本文通過極限平衡法和有限元法等定量穩(wěn)定性分析方法,對庫什塔依水電站左壩肩卸荷巖體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

1　工程概況

庫什塔依水電站位于庫什太河與庫克蘇河匯合口下游約4.5 km的庫克蘇河干流上。大壩左岸為階地陡坡地貌,發(fā)育Ⅱ、Ⅳ階地;坡頂為Ⅳ階地夷平面,分布高程1 425～1 440 m,Ⅱ級階地高出河水位7～10 m,分布高程1 300 m以下。卸荷巖體位于左岸中上部石炭系下統(tǒng)阿克沙克組(C1ab)中厚層灰?guī)r高邊坡中,灰?guī)r中節(jié)理裂隙發(fā)育,產(chǎn)狀變化大,以NW向、近SN向的陡傾角和近EW向(NEE、NWW)的緩傾角裂隙為主,其次近東西向的陡傾角裂隙也較發(fā)育。邊坡典型地質(zhì)剖面如圖1。根據(jù)平硐及鉆孔揭示,灰?guī)r卸荷強(qiáng)烈,裂隙非常發(fā)育;其巖體卸荷可劃分為強(qiáng)卸荷帶和弱卸荷帶,卸荷特征為:①巖體卸荷強(qiáng)烈,強(qiáng)卸荷帶較寬。多數(shù)強(qiáng)卸荷寬度均超過30 m,少數(shù)接近30 m,且在硐底局部具有強(qiáng)卸荷特征;②隨著高程的降低,強(qiáng)卸荷帶寬度有減小的趨勢;③強(qiáng)卸荷帶巖體裂隙非常密集且多張開,具有較大的張開度。多數(shù)裂隙張開度一般在10 cm以上,最大為1.5 m,充填粉土或碎石土,局部存在架空現(xiàn)象;④弱卸荷帶,卸荷裂隙密度較小,張開度一般在10 cm以下,僅局部存在較大裂隙;⑤裂隙走向以NE向為主,其次是NW向,前者傾坡外,后者傾坡內(nèi)。據(jù)平硐編錄統(tǒng)計,裂隙中超過75%為陡傾角,中傾角在20%左右,緩傾角裂隙很少。巖體卸荷成因機(jī)制主要受到地形、地層巖性及結(jié)構(gòu)面組合的影響,與構(gòu)造環(huán)境也有一定關(guān)系。

圖1　邊坡典型地質(zhì)剖面圖

卸荷巖體的可能模式分為初期和后期,初期以崩塌、掉塊為主,后期施工以卸荷張拉變形、傾倒墜落失穩(wěn)為主。

2　邊坡穩(wěn)定性研究分析及計算成果

根據(jù)工程的重要性,選取兩種邊坡穩(wěn)定性綜合分析方法是:剛體極限平衡法和有限元法。

2.1　剛體極限平衡法分析

巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析采用剛體極限平衡法,根據(jù)邊坡巖體裂隙產(chǎn)狀、強(qiáng)卸荷帶深度及邊坡破壞模式,確定滑移面地質(zhì)剖面(圖2)。由滑移面或潛在滑移面的幾何形狀,選擇雙平面滑動計算公式,雙平面塊體受力如圖3。

由圖2可以看出,需對整個可能失穩(wěn)的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析計算,即計算①、②及③三部分的整體穩(wěn)定性。施工期間,第①部分被挖除,需考慮②與③兩部分的整體穩(wěn)定性以及②與③各自的穩(wěn)定性。邊坡穩(wěn)定性計算工況如表1。

圖2　滑移面地質(zhì)剖面圖

圖3　雙平面滑動塊體受力圖

表1計算工況、荷載組合及安全系數(shù)

Table 1Calculation condition, load combination and safety coefficient

注:計算不考慮地下水位影響。

表2　邊坡穩(wěn)定性計算成果

由表2可以看出,目前現(xiàn)狀條件下,三種工況下邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài);施工期間,塊體①被挖除,邊坡由剩余塊體②與③組成,各工況下整體也處于穩(wěn)定狀態(tài)。塊體③在短暫狀況下穩(wěn)定程度稍低;塊體②在各工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2　有限元數(shù)值分析

本文根據(jù)邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育特點(diǎn),使用節(jié)理材料來模擬滑動破壞面,再通過有限元折減強(qiáng)度法計算。有限元模型及網(wǎng)格劃分截面如圖4。圖4中箭頭所指區(qū)域為使用節(jié)理材料的區(qū)域。左右邊界約束X方向位移,底邊界約束X和Y方向位移。模型采用4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變線性完全積分單元,自由網(wǎng)格劃分,共有2 169個單元。節(jié)理面的粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ與剛體極限平衡分析取值相同,天然狀態(tài)下滑面抗剪斷強(qiáng)度的取值,節(jié)理巖塊的抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值等于灰?guī)r的取值,計算中節(jié)理材料為無拉力材料,即節(jié)理張開時沒有拉伸強(qiáng)度。計算參數(shù)如表3。

圖4　有限元模型及網(wǎng)格劃分

表3　 相關(guān)巖體計算參數(shù)取值

采用強(qiáng)度折減法,選取4種抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)對邊坡原抗剪強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)折減,使用折減后的系數(shù)進(jìn)行有限元計算。

2.2.1 抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)Fr=0時

得到自重應(yīng)力平衡初始各方向的相應(yīng)應(yīng)力云圖如圖5-圖7。由圖可以看出初始自重應(yīng)力平衡后(Fr=1.0時),最大剪應(yīng)力發(fā)生在邊坡表面即塊體③的下半部分,而且由于節(jié)理材料區(qū)的存在,使得坡頂和塊體③的上部與整個巖體連接削弱,從而最小水平向應(yīng)力發(fā)生在該處。

圖5　自重應(yīng)力平衡后初始豎向應(yīng)力云圖

圖6　自重應(yīng)力平衡后初始水平向應(yīng)力云圖

圖7　自重應(yīng)力平衡后的初始剪應(yīng)力云圖

2.2.2抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)Fr=1.2時

得到應(yīng)力分布云圖如圖8-圖10。圖8中當(dāng)Fr=1.2時,塑性區(qū)幾乎貫穿了整個塊體①以及大部分塊體③,說明在自重作用下塊體③的穩(wěn)定系數(shù)為1.2。節(jié)理裂隙區(qū)的頂部也已進(jìn)入塑性屈服。但圖10可見,此時頂部節(jié)理并未開裂,因為頂部的水平向應(yīng)力為負(fù)值,即依然為壓應(yīng)力。

圖8　Fr=1.2塑性區(qū)分布云圖

圖9　Fr=1.2水平應(yīng)力分布云圖

圖10　Fr=1.2剪應(yīng)力分布云圖

2.2.3抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)Fr=1.404時

得到應(yīng)力分布云圖如圖11-圖13。當(dāng)Fr=1.404時,塑性區(qū)繼續(xù)向上和向坡面深度方向發(fā)展,節(jié)理裂隙區(qū)的頂部塑性屈服區(qū)向下發(fā)展。圖13顯示此時最大剪應(yīng)力集中于滑移面附近。

圖11　Fr=1.404塑性區(qū)分布云圖

圖12　Fr=1.404水平應(yīng)力分布云圖

圖13　Fr=1.404剪應(yīng)力分布云圖

2.2.4抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)Fr=1.820時

得到應(yīng)力分布云圖如圖14-圖16。當(dāng)Fr=1.820時,塑性區(qū)貫穿整個邊坡,此時發(fā)生塊體①②③的共同失穩(wěn),因此自重下塊體①②③共同失穩(wěn)的穩(wěn)定系數(shù)為1.820。圖15中坡頂?shù)乃较驊?yīng)力為正值,說明節(jié)理裂隙區(qū)域已經(jīng)開裂。圖16中剪應(yīng)力最大值集中分布于裂隙左側(cè)的滑床表面,而滑體內(nèi)部剪應(yīng)力相對較小,說明此時的破壞是整體滑移破壞。整體失穩(wěn)示意圖如圖17。

圖14　Fr=1.820塑性區(qū)分布云圖

圖15　Fr=1.820水平應(yīng)力分布云圖

圖16　Fr=1.820剪應(yīng)力分布云圖

圖17　Fr=1.820整體失穩(wěn)示意圖

通過有限元強(qiáng)度折減系數(shù)計算分析,從邊坡破壞的過程及塑性區(qū)的分布來看,塑性區(qū)在抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)Fr相對較小的時候,主要集中在淺層表面,這表明主要的破壞形式為崩塌、掉塊,出現(xiàn)大規(guī)模整體滑移失穩(wěn)的可能性很小。

3　結(jié)語

(1)通過剛體極限平衡法對卸荷巖體不同時期邊坡破壞模式計算,結(jié)果表明,左岸邊坡不會產(chǎn)生整體式變形破壞,逐步的、小規(guī)模的崩塌、掉塊是邊坡主要的破壞特征。

(2)根據(jù)節(jié)理材料來模擬的有限元截面模型是合理的,較好的反映了左壩肩卸荷巖體裂隙發(fā)育特征。

(3)有限元計算的穩(wěn)定系數(shù)與剛體極限平衡法計算的穩(wěn)定系數(shù)基本一致。

(4)通過有限元強(qiáng)度折減法,選取一系列的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)對邊坡原抗剪強(qiáng)度系數(shù)折減來有限元計算,由塑性區(qū)分布云圖分析,塑性區(qū)呈現(xiàn)由下往上的發(fā)展趨勢,這表明該邊坡易出現(xiàn)牽引式的破壞模式,即上部巖體因失去支撐而變形失穩(wěn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張魯渝,鄭穎人,趙尚毅.用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析[J].中國工程科學(xué),2002(10).

[2]新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院.新疆伊犁庫克蘇河庫什塔依水電站可行性研究報告[R].烏魯木齊:新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院,2008.