(湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院,湖南長沙 410007)
大量的邊坡失穩(wěn)實例表明,巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)大都沿各種軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生,其中又以含軟弱結(jié)構(gòu)面的順層邊坡穩(wěn)定性最差[1],涔天河水庫擴建工程2#導(dǎo)流泄洪洞進口開挖邊坡為典型的含軟弱結(jié)構(gòu)面順層巖質(zhì)高邊坡,其開挖邊坡高約150 m,永久邊坡級別為1 級。該邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜,淺部巖體破碎,層間夾多條軟弱結(jié)構(gòu)面,開挖切腳后,邊坡穩(wěn)定性差,失穩(wěn)對建筑物危害影響大,研究開挖邊坡施工期與運行期的穩(wěn)定性具有很重要的意義。
2#導(dǎo)流泄洪洞進口距面板堆石壩軸線約400 m,位于水庫右岸,邊坡地面高程220~520 m,坡度40°~60°,開挖邊坡上部開口線高程約390 m,底板高程238 m,總高度約150 m,分13 級開挖,坡比1∶0.3~1∶0.5,每級高度10~15 m,各級預(yù)留馬道寬度2~3 m,其中在324 m 高程留有寬約8 m 的庫區(qū)公路[2]。
邊坡巖層產(chǎn)狀傾向坡外,以N10°~30°E.NW∠17°~35°為主,局部傾角變陡達42°。主要斷層構(gòu)造有F276和F21,其中F276斷層,產(chǎn)狀N5°~20°W.NE∠80°~85°,破碎帶寬1~1.5 m,碎裂巖為主,夾斷層泥,膠結(jié)較差,分布在邊坡的中部,F(xiàn)21產(chǎn)狀N25°~30°E.NW~SE∠65°~70°,破碎帶寬1~3 m,充填碎裂巖及斷層泥,位于邊坡的下游沖溝內(nèi)。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育3 組節(jié)理裂隙:①N35°~65°W.NE∠63°~85°,閉合~微張,面稍起伏,延伸不長,間距0.2 m/條;②N52°~61°W.SW∠70°~88°,閉合~微張,面較平直,延伸不長,間距0.1~0.2 m/條;③N15°~45°E.SE∠67°~88°,微張,面較平直,延伸長3~8 m,其走向與坡向近平行。
邊坡區(qū)地下水位埋深6~38 m,類型主要為基巖裂隙水,接受大氣降水補給,沿斷層及節(jié)理排泄于河谷,泉水流量一般較小,久旱干枯。
邊坡巖體受風(fēng)化及構(gòu)造影響,上部強風(fēng)化帶厚4~23 m,巖芯呈碎塊夾短柱狀,巖芯獲得率為17%~48%,巖體縱波速度(Vp)為1 500~2 200 m/s,完整性系數(shù)KV=0.12~0.38,巖體基本質(zhì)量級別為Ⅳ~Ⅴ,屬層狀碎裂結(jié)構(gòu),局部為散體結(jié)構(gòu);弱風(fēng)化厚20~30 m,巖芯為長柱狀夾短柱狀,巖性堅硬,縱波速度(Vp)為2 500~5 000 m/s,局部在5 000 m/s 以上,完整性系數(shù)KV=0.38~0.73,完整性較好,巖體基本質(zhì)量級別為Ⅲ,屬層狀鑲嵌結(jié)構(gòu);微風(fēng)化巖體巖芯以長柱狀為主,夾少量短柱狀,巖性堅硬,縱波速度(Vp)一般在4 500 m/s 以上,完整性系數(shù)KV>0.55,屬較完整~完整,巖體基本質(zhì)量級別為Ⅲ~Ⅱ,呈次塊狀、中厚層狀結(jié)構(gòu)。
邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面中粘土礦物主要為伊利石,碎屑礦物為石英、長石、方解石,顆分成果粘粒占9.5%~30%,粉粒占4%~18%,細(xì)至粗砂狀顆粒占8.1%~25.3%,礫、碎塊約占52%~84%,屬泥夾巖屑型[3]。根據(jù)試驗成果,內(nèi)摩擦角為14.6°~19.8°,凝聚力為0.01~0.20 MPa,具有抗剪強度低的特征。
該邊坡巖層傾向與坡向同向,傾角一般17°~35°,部分傾角變陡達42°,屬順層邊坡,層間發(fā)育多條連續(xù)性較好的泥夾巖屑型軟弱結(jié)構(gòu)面,其抗剪強度低,邊坡開挖切腳后,極易沿軟弱結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)順層滑動變形,為保證邊坡施工及水庫運行期安全,采取的主要支護措施為:
1)預(yù)應(yīng)力錨索,主要布置在324~280 m 高程之間,錨索間距4~5 m,長度40~50 m,噸位100~200 t。
2)對開挖坡面進行系統(tǒng)錨桿掛網(wǎng)噴護,錨桿直徑Φ28,L=6~9 m,間距2~3 m。
3)坡頂設(shè)置截水溝,分別在317 m、311 m、303 m、293 m 高程設(shè)置深排水孔,孔深15~40 m;290 m 高程以下設(shè)置系統(tǒng)排水孔,排水孔深度4 m、9 m,間隔布置。
1)剛體極限平衡法。剛體極限平衡法將滑移的各塊巖體視為剛體,以軟弱結(jié)構(gòu)面為底滑面,根據(jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及出露位置,結(jié)合開挖設(shè)計平臺高程分層計算上部邊坡穩(wěn)定。計算公式:
式中 W——滑體重力;
U——滑面揚壓力;
V——后緣靜水壓力;
T——錨固力;
α——滑面與水平面夾角;
β——錨桿(錨索)與滑面夾角;
f——摩擦系數(shù);
c——粘聚力(kPa);
L——滑面長度。
2)有限元強度折減法。有限元計算采用商用GTS NX 軟件,用強度折減法進行邊坡穩(wěn)定分析,極限狀態(tài)判斷將采用位移突變、計算不平衡力收斂突變等因素綜合分析確定強度折減穩(wěn)定系數(shù)。二維模型區(qū)域共劃分為17 006 個四邊形單元,17 572 個節(jié)點,見圖1;三維模型底部高程選擇為-50 m 高程,上下游方向?qū)挾纫约斑吰聝A向方向分別取邊坡邊界向外延伸100 m以上,見圖2,本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型,屈服準(zhǔn)則采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則及廣義霍克布朗本構(gòu)。
圖1 縱剖面二維有限元計算模型
根據(jù)現(xiàn)場及室內(nèi)物理力學(xué)試驗成果,邊坡計算的物理力學(xué)參數(shù)見表1。
通過計算,將邊坡支護處理后的穩(wěn)定性計算成果匯總于表2。
圖2 三維有限元計算模型
表1 邊坡計算巖體物理力學(xué)參數(shù)
計算分析結(jié)果表明:
1)剛體極限平衡法和二維、三維有限元強度折減法得到的安全系數(shù)規(guī)律基本一致,數(shù)值可相互印證。
2)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著庫水位的升高而逐漸變小,特別是在水位從282 m 上升到313 m 時,穩(wěn)定性系數(shù)下降較為明顯,這與軟弱結(jié)構(gòu)面多分布在282~313 m 高程之間,飽水后強度降低密切相關(guān)。
3)邊坡的最大變形量隨著庫水位的上升而逐漸變大,發(fā)生的部位施工期和正常運行期均出現(xiàn)在324公路平臺上,而在初期蓄水位時出現(xiàn)在315 馬道上,三維與二維變形分析的成果相比趨勢一致,位移稍小,最大約3.51 cm。
4)通過分析計算,邊坡經(jīng)過支護處理后,無論施工期、初期蓄水還是水庫正常運行期及水位驟降與暴雨工況下,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.25,能滿足Ⅰ級邊坡的要求。
表2 邊坡支護處理后穩(wěn)定性計算成果表
涔天河水庫擴建工程2#導(dǎo)流泄洪洞進口開挖邊坡為典型的含軟弱結(jié)構(gòu)面順層巖質(zhì)高邊坡,層間見多條泥夾巖屑型軟弱結(jié)構(gòu)面,抗剪強度低,邊坡開挖切腳后,將沿軟弱結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)順層滑動變形,采取錨固與排水支護處理后,通過剛體極限平衡法和有限元法分析計算,最小穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.25,滿足規(guī)范要求,經(jīng)水庫蓄水監(jiān)測資料印證,邊坡經(jīng)支護處理后能保證安全穩(wěn)定。