水利工程邊坡穩定性研究論文
水利工程邊坡穩定性研究論文
邊坡形態規模與變形機理分析
1邊坡的形態規模
根據層面、坡面及節理裂隙赤平投影分析(圖2)，J1、J2對左岸邊坡穩定性不起控制作用，其穩定性主要受J3控制，受卸荷作用的影響，在左岸J3以傾北東方向(產狀為NW290°～335°/NE∠70°～80°)為主。受此外傾結構面的控制，邊坡前緣的強風化、強卸荷巖體屬潛在不穩定塊體，在暴雨、地震等作用下，可能失穩而發生崩塌、掉塊。
2邊坡變形機理分析
從巖體力學的觀點來看，巖體邊坡的破壞不外乎剪下和拉斷兩種形式。大量的野外調查資料及理論研究表明，絕大部分巖體邊坡的破壞均為剪下滑動破壞。研究滑動破壞問題的關鍵在於研究滑動面的形態、性質及其受力平衡關係［1］。同時，滑動面的形態及其組合特徵不同，決定著要採用的具體分析方法的不同。金佛山左岸巖質邊坡的變形發育主要在坡腳平緩結構面，向坡前臨空方向產生緩慢的蠕變性的滑移。上部巖性為塊狀灰巖，巖體堅硬，厚度大，底部為粉砂岩夾頁岩，巖性相對軟弱，存在易壓縮變形的.特點。針對相對較軟弱的粉砂岩層，增加了鑽孔，採用孔內全斷面成像方法，查明對應層位深度分別為57．8～62．8m和93．5～98．5m，確實存在相對軟弱、破碎的粉砂質頁岩層，為軟弱夾層，屬滑坡體深部潛在軟弱面，目前尚未完全貫通形成滑動面。上部為崩坡積土層和強風化巖塊等，中、下部以弱風化粉砂岩、頁岩巖體為主，摻雜有強風化、強卸荷巖體，部分巖體看似完整，但產狀凌亂，區域性還有架空現象。因此，認為左岸巖質高邊坡是潛在滑坡，是一個深層、順層、複合機製成因的滑坡，下部為順層牽引-塑流性質、上部為壓致拉裂推移式。
穩定性分析
1邊坡計算模型
對重慶市金佛山水利工程壩址區左岸巖質高邊坡穩定性採用有限元強度折減法，分析天然、開挖、加固狀態的邊坡穩定性。飽和狀態模擬開挖前後遇強降雨的土體飽和情況，加固之後考慮竣工期和蓄水期兩種情況。據王俊傑，等［2］提出的邊坡簡化計算方法和陳錦璐，等［3］在網格、邊界條件對有限元計算結果的影響分析研究，將邊坡剖面簡化並劃分網格，如圖3。
2計算引數
結構模型採用摩爾庫倫屈服準則，採用非關聯流動法則(剪脹角φ=0)。屈服準則假定:作用在某一點的剪應力等於該點的抗剪強度時，該點發生破壞，剪下強度與正應力呈線性關係。摩爾庫倫模型是基於材料破壞時應力狀態的莫爾圓提出的，破壞線是與莫爾圓相切的直線，強度準則為:=c－σtanφ(1)式中:為剪下強度;σ為正應力;c為材料黏聚力;φ為材料內摩擦角。相應的計算引數見表1。
3失穩破壞判定準則
目前，判斷邊坡失穩破壞的標準通常包括:有限元數值計算的不收斂、塑性區的貫通、廣義剪應變的貫通等［4］。呂慶，等［5］認為在小應變假設中用數值計算不收斂作為判據，但是，計算不收斂的原因比較多，如荷載過大，計算單元有奇異等。因此，以此為判據適用範圍有一定的限制。欒茂田，等［6］建議採用塑性應變貫通作為判據，以此作為判據時主觀因素佔很大成分，未排除彈性塑性應變的影響，破壞界限比較模糊。分析邊坡失穩破壞的主要特徵可知，不管其內部的變形機理是廣義剪應變還是塑性應變，其最終結果是產生位移，位移是邊坡內部作用的外在表現。滑動主要是由剪應變和位移造成的。隨著強度引數的不斷折減，邊坡上的位移向量和剪應變不斷向坡腳處增大，因此，以坡頂特徵點位移突變為失穩判據，意義明確，界限清晰。
4計算結果分析
各工況有限元強度折減法計算得到的安全係數見表2。鑑於方案1的安全係數最小，筆者給出了該方案的強度折減係數與坡頂位移的變化曲線(圖4)，塑性應變雲圖、位移等值線雲圖(圖5)。圖6為邊坡開挖後天然含水與飽和狀態時的塑性應變雲圖。圖4表明，折減係數在1．42時發生坡頂的位移向量的突變，此後，位移陡增，表明此時塑性區已經貫通，開始滑動，當安全係數為1．42時處於臨界狀態。因此，以此作為安全係數，概念、意義明確。圖5顯示，金佛山左岸巖質高邊坡具有圓弧-折線的潛在滑動面，形態由底部的條狀帶頁岩控制，滑坡體前緣及淺層巖體變形強烈。下部為順層牽引-塑流性質、上部為壓致拉裂推移式，是一個深層、順層、複合機製成因的潛在滑坡。邊坡巖體隨變形發展，平行臨空面的裂隙容易被拉開［7］，在遇到沉積岩的岩層分介面時，裂隙被岩層結構面分割。在薄弱、結構有突起的部位，形成應力集中區和近似平行於坡面的臺階狀裂隙。最終，薄弱裂隙連通、巖體滑動。以1∶0．3的坡比折線形開挖巖體表面強風化和弱風化的部分巖體。開挖後天然和飽和狀態的安全係數分別為1．73和1．62。圖6顯示，飽和后土體軟化［8］，整個塑性區包圍的巖體增大，潛在下滑巖體增大。天然狀態時潛在滑弧在前部形成直線段，塑性區離開挖後的臨空面較近，表部卸荷巖體容易形成裂隙而最終達到整體的塑性區貫通。臨空面上巖體卸荷回彈，坡頂的後部產生張拉裂縫，在雨水入滲作用下，由於裂隙底部的巖體滲透係數小，排水不暢，靜水壓力作用於裂隙面，增大了下滑力，這往往是暴雨後巖質邊坡容易產生破壞的重要原因［9］。
鑑於上述分析，建議清除表層強風化、強卸荷巖體，開挖坡度應小於外傾結構面的最小傾角並保護好開挖面，及時錨噴支護。巖質高邊坡的上部還存在韓家店組(S2h)的頁岩，以黏土礦物為主，抗風化能力差。在天然含水量的情況下新鮮岩石層面結合尚牢，遇水軟化，溼水後易崩解。因此，建議上部採用10cm厚混凝土噴錨支護，下部有寬張裂隙帶J2，是巖體風化和卸荷的產物，有方解石填充，採用錨杆錨固，並用自密實混凝土填充，保證巖體的完整性，防止此卸荷裂隙擴張。加固後邊坡採用簡化計算方法，在加固區域分別採用提高巖體強度指標以代替加固區域的強度引數，根據工程經驗，加固區巖體強度引數提高20%。加固後邊坡天然和飽和含水狀態安全係數分別為1．85和1．78，均比未加固時有明顯提高，加固效果顯著。
結論
從邊坡形態規模、變形機理及安全性方面，對金佛山左岸巖質高邊坡進行了分析評價，得出以下結論。1)邊坡前緣的強風化、強卸荷巖體屬潛在不穩定塊體，建議清除表層強風化、強卸荷巖體，開挖坡度小於外傾結構面最小傾角並保護好開挖面、及時錨噴支護;弱卸荷帶以內巖體受卸荷作用影響小，完整性和穩定性較好，邊坡現狀整體穩定，發生大規模破壞可能性極小。2)左岸巖質高邊坡是一個深層、順層、複合機製成因的潛在滑坡，下部為順層牽引-塑流性質、上部為壓致拉裂推移式。