某水電站左岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡三維剛體極限平衡法分析

張倚銘，左林勇

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川 成都 610072;2.四川省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院,四川 成都 610065)

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某水電站左岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡三維剛體極限平衡法分析

張倚銘1，左林勇2

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川 成都 610072;2.四川省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院,四川 成都 610065)

工程邊坡的失事絕大多數(shù)呈三維狀態(tài)，簡(jiǎn)單的二維計(jì)算已不能滿足實(shí)際工程的要求。結(jié)合某水電站樞紐區(qū)邊坡的地形、地質(zhì)條件，運(yùn)用筆者開發(fā)的“巖質(zhì)邊坡多結(jié)構(gòu)面塊體穩(wěn)定性分析”軟件，選擇樞紐區(qū)典型部位的工程邊坡建立三維塊體模型，采用三維剛體極限平衡法對(duì)樞紐區(qū)左岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡的局部穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算成果表明，左岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡的局部穩(wěn)定性滿足要求，不存在局部失穩(wěn)的可能性，施加支護(hù)措施后，邊坡的局部安全系數(shù)得到明顯提高，驗(yàn)證了支護(hù)措施的有效性。

工程邊坡；邊坡穩(wěn)定分析；三維剛體極限平衡法；赤平投影；失穩(wěn)模式；塊體穩(wěn)定分析

0 前 言

工程邊坡的失事絕大多數(shù)呈三維狀態(tài)，但在邊坡穩(wěn)定分析領(lǐng)域，二維剛體極限平衡法仍然是常用手段。隨著近年來邊坡工程的快速發(fā)展，簡(jiǎn)單的二維計(jì)算已不能滿足實(shí)際工程的要求。一方面，由于二維分析一般假定開挖面是無限長(zhǎng)的，這顯然與工程實(shí)際情況出入較大；另一方面，對(duì)于巖質(zhì)邊坡而言，控制邊坡穩(wěn)定性的主要因素是邊坡內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，而結(jié)構(gòu)面的分布往往呈現(xiàn)明顯的空間特點(diǎn)，采用二維分析難以真實(shí)反映邊坡的實(shí)際情況。因此，越來越多的工程實(shí)際問題提出了三維邊坡穩(wěn)定性分析的要求。

本文結(jié)合某水電站樞紐區(qū)邊坡的地形、地質(zhì)條件，運(yùn)用筆者開發(fā)的“巖質(zhì)邊坡多結(jié)構(gòu)面塊體穩(wěn)定性分析”軟件(限于篇幅，此處不詳述)，選擇樞紐區(qū)典型部位的工程邊坡建立三維塊體模型，在充分模擬邊坡幾何性狀及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)樞紐區(qū)工程邊坡的局部塊體穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 工程概況

某水電站樞紐區(qū)工程邊坡地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體內(nèi)斷層、裂隙、巖脈等結(jié)構(gòu)面發(fā)育，形成大量的塊狀、次塊狀結(jié)構(gòu)、碎裂～塊裂結(jié)構(gòu)，巖體質(zhì)量較差，邊坡穩(wěn)定主要受風(fēng)化卸荷和結(jié)構(gòu)面及其組合影響。其中左岸構(gòu)成控制邊坡變形和滑動(dòng)破壞的巖脈主要有：β6、β78、β79、β166、β21等，巖體內(nèi)發(fā)育三組節(jié)理裂隙：③N15°～30°E/NW∠60°～70°；④ EW /N(或S)∠70°～85°；⑥N60°～90°W/SW∠5°～18°、近SN/E∠17°～26°。各結(jié)構(gòu)面及節(jié)理裂隙工程地質(zhì)特性略。

2 邊坡塊體穩(wěn)定性分析

2.1 可能塊體組合及失穩(wěn)模式判斷

左岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，發(fā)育有走向與岸坡走向近于平行，水平埋深較淺的β79、β166和β6等輝綠巖脈，陡傾坡外，可能構(gòu)成失穩(wěn)塊體的后緣拉裂面；第④組裂隙傾向南、第⑥～2組裂隙傾向東，可作為側(cè)向切割面；上述結(jié)構(gòu)面相互組合，可能形成不穩(wěn)定塊體。

正面開挖邊坡赤平投影結(jié)果見圖1，巖脈β166和裂隙③與裂隙⑥-2形成的楔體交棱線均傾向坡外，傾角較開挖邊坡傾角緩，該部位可能發(fā)生局部塊體滑動(dòng)破壞。

上游面開挖邊坡赤平投影結(jié)果見圖2所示。由地質(zhì)圖可知，邊坡開挖后，輝綠巖脈β79上部在1 300 m高程出露，可能構(gòu)成塊體滑動(dòng)的側(cè)滑面；由圖2可知，輝綠巖脈β79與裂隙3形成的楔體交棱線傾向坡外，傾角較開挖邊坡傾角緩，該部位可能發(fā)生局部塊體滑動(dòng)破壞。

注:1.開挖坡面;2.巖脈β166;3.裂隙⑥-2;4.裂隙③; 5.裂隙④;6.自然邊坡。

圖1 纜機(jī)平臺(tái)正面開挖邊坡赤平投影

注：1.開挖坡面;2;裂隙③;3.裂隙④;4.裂隙⑥-1;5.裂隙⑥-2;6.巖脈β6;7.巖脈β79。

圖2 纜機(jī)平臺(tái)上游面開挖邊坡赤平投影

下游面開挖邊坡赤平投影結(jié)果見圖3所示。巖脈β79與裂隙⑥-2可形成楔體，裂隙⑥-1與裂隙⑥-2也可形成楔體，二者交棱線均傾向坡外，但傾角較小，存在沿交棱線滑動(dòng)的可能性。

注：1.開挖坡面;2.裂隙③;3.裂隙④;4.裂隙⑥-1;5.裂隙⑥-2;6.巖脈β79。

圖3 纜機(jī)平臺(tái)下游面開挖邊坡赤平投影

2.2 局部塊體穩(wěn)定分析

左岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡三維計(jì)算模型見圖4所示。根據(jù)邊坡的可能失穩(wěn)模式，分別擬定了如下三種計(jì)算工況：

(1)自重工況(不考慮降雨影響及地震條件);

(2)降雨條件(按結(jié)構(gòu)面充滿水考慮);

(2)地震工況(文中按8度地震計(jì)算，水平向加速度取為0.25 g)。

圖4 纜機(jī)平臺(tái)邊坡三維計(jì)算模型

2.2.1 正面邊坡塊體穩(wěn)定性分析

根據(jù)β166與裂隙⑥-2產(chǎn)狀，建立半定位楔體，楔體位于纜機(jī)平臺(tái)正面邊坡，以β166與裂隙⑥-2作為側(cè)滑面，交棱線在1 300 m高程出露，計(jì)算模型見圖5。半定位塊體的幾何參數(shù)見表1，三維塊體穩(wěn)定性分析成果見表2。

圖5 纜機(jī)平臺(tái)正面邊坡隨機(jī)塊體計(jì)算模型

表1 隨機(jī)塊體LZS1幾何特征

表2 隨機(jī)塊體LZS1穩(wěn)定性分析成果

計(jì)算成果表明：半定位塊體的交棱線傾向與開挖邊坡走向小角度相交，相交角度為17°，且交棱線傾角平緩，為3.8°，故下滑力較小。在不考慮錨索加固作用的情況下，楔體穩(wěn)定安全系數(shù)在自重、暴雨及地震工況下均大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，故該塊體發(fā)生失穩(wěn)的可能性較小?？紤]錨索的加固作用，作用在楔體上的有效錨索的噸位為520 t，錨索傾向與開挖邊坡傾向相反，傾角為10°，計(jì)算結(jié)果表明，考慮錨索的支護(hù)作用后，楔體的穩(wěn)定安全系數(shù)得到了較大提高，表明了支護(hù)措施的有效性。

2.2.2 上游面邊坡塊體穩(wěn)定性分析

根據(jù)β79、裂隙③、裂隙④產(chǎn)狀，建立半定位塊體LSB1，塊體位于纜機(jī)平臺(tái)上游面邊坡，以β79、裂隙③為側(cè)向滑動(dòng)面，以裂隙④作為后緣拉裂面，交棱線在1 310 m高程出露，計(jì)算模型見圖6。半定位塊體的幾何參數(shù)見表3，穩(wěn)定性分析成果見表4。

圖6 纜機(jī)平臺(tái)上游面邊坡半定位塊體計(jì)算模型

表3 半定位塊體LSB1幾何特征

表4 半定位塊體LSB1穩(wěn)定性分析成果

計(jì)算成果表明，半定位塊體的交棱線傾向與開挖邊坡走向以較大角度相交，相交角度為83°，交棱線傾角為30.9°，但塊體體積較小，下滑力也較小。在不考慮錨索加固作用的情況下，楔體穩(wěn)定安全系數(shù)在自重、暴雨及地震工況下均大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，故該塊體發(fā)生失穩(wěn)的可能性較小?？紤]錨索的加固作用，作用在楔體上的有效錨索的噸位為450 t，錨索傾向與開挖邊坡傾向相反，傾角為10°，計(jì)算結(jié)果表明，考慮錨索的支護(hù)作用后，楔體為超穩(wěn)，不存在滑動(dòng)的可能性。

2.2.3 下游面邊坡塊體穩(wěn)定性分析

根據(jù)β79、裂隙⑥-2產(chǎn)狀，建立半定位塊體

LXB1，塊體位于纜機(jī)平臺(tái)下游面邊坡，以β79、裂隙⑥-2為側(cè)向滑動(dòng)面，交棱線在1 285 m高程出露，計(jì)算模型見圖7。半定位塊體的幾何參數(shù)見表5，穩(wěn)定性分析成果見表6。

圖7 纜機(jī)平臺(tái)下游面邊坡半定位塊體計(jì)算模型

表5 半定位塊體LXB1幾何特征

表6 半定位塊體LXB1穩(wěn)定性分析成果

計(jì)算成果表明，半定位塊體的交棱線傾向與開挖邊坡走向以較小角度相交，相交角度為27.5°，交棱線傾角較緩，為7.7°，故下滑力較小。在不考慮錨索加固作用的情況下，楔體穩(wěn)定安全系數(shù)在自重、暴雨及地震工況下均大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，故該塊體發(fā)生失穩(wěn)的可能性較小?？紤]錨索的加固作用，作用在楔體上的有效錨索的噸位為225 t，錨索傾向與開挖邊坡傾向相反，傾角為10°。計(jì)算結(jié)果表明，考慮錨索的支護(hù)作用后，楔體為超穩(wěn)，不存在滑動(dòng)的可能性。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合某水電站樞紐區(qū)邊坡的地形地質(zhì)條件，運(yùn)用筆者開發(fā)的“巖質(zhì)邊坡多結(jié)構(gòu)面塊體穩(wěn)定性分析”軟件，選擇樞紐區(qū)典型部位的工程邊坡建立三維塊體模型，采用三維剛體極限平衡法分析樞紐區(qū)工程邊坡的局部穩(wěn)定性，通過研究可以得出如下結(jié)論：

(1)綜合分析了某水電站左岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡的地形地質(zhì)條件以及主要結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及物理力學(xué)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)主要結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了赤平投影分析，探討了左岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡可能失穩(wěn)的塊體組合。

(2)在赤平投影分析的基礎(chǔ)上，對(duì)纜機(jī)平臺(tái)上游側(cè)、正面、下游側(cè)邊坡的半定位塊體及部分隨機(jī)塊體進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，對(duì)比了無錨索支護(hù)和有錨索支護(hù)情況下塊體的穩(wěn)定性。計(jì)算成果表明，由于可能滑動(dòng)塊體均位于IV類圍巖，且塊體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，從而左岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡的局部穩(wěn)定性滿足要求，不存在局部失穩(wěn)的可能性，施加支護(hù)措施后，邊坡的局部安全系數(shù)得到明顯提高，驗(yàn)證了支護(hù)措施的有效性。

(3)采用筆者開發(fā)的“巖質(zhì)邊坡多結(jié)構(gòu)面塊體穩(wěn)定性分析程序”軟件，可以對(duì)含多結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行直觀、簡(jiǎn)便的快速三維塊體建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖質(zhì)邊坡中復(fù)雜形狀塊體穩(wěn)定性的現(xiàn)場(chǎng)快速評(píng)價(jià)。

2015-11-04

張倚銘(1982-)，男，重慶酉陽人，碩士研究生，工程師，從事水電工程設(shè)計(jì)工作。

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