水利工程邊坡穩定性研究論文
邊坡形態(tài)規模與變形機理分析
1邊坡的形態(tài)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?xún)A北東方向(產(chǎn)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(fēng)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(fā)生崩塌、掉塊。
2邊坡變形機理分析
從巖體力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，巖體邊坡的破壞不外乎剪切和拉斷兩種形式。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切滑動(dòng)破壞。研究滑動(dòng)破壞問(wèn)題的關(guān)鍵在于研究滑動(dòng)面的形態(tài)、性質(zhì)及其受力平衡關(guān)系［1］。同時(shí)，滑動(dòng)面的形態(tài)及其組合特征不同，決定著(zhù)要采用的具體分析方法的不同。金佛山左岸巖質(zhì)邊坡的變形發(fā)育主要在坡腳平緩結構面，向坡前臨空方向產(chǎn)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，底部為粉砂巖夾頁(yè)巖，巖性相對軟弱，存在易壓縮變形的.特點(diǎn)。針對相對較軟弱的粉砂巖層，增加了鉆孔，采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(shí)存在相對軟弱、破碎的粉砂質(zhì)頁(yè)巖層，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(dòng)面。上部為崩坡積土層和強風(fēng)化巖塊等，中、下部以弱風(fēng)化粉砂巖、頁(yè)巖巖體為主，摻雜有強風(fēng)化、強卸荷巖體，部分巖體看似完整，但產(chǎn)狀凌亂，局部還有架空現象。因此，認為左岸巖質(zhì)高邊坡是潛在滑坡，是一個(gè)深層、順層、復合機制成因的滑坡，下部為順層牽引-塑流性質(zhì)、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(zhì)高邊坡穩定性采用有限元強度折減法，分析天然、開(kāi)挖、加固狀態(tài)的邊坡穩定性。飽和狀態(tài)模擬開(kāi)挖前后遇強降雨的土體飽和情況，加固之后考慮竣工期和蓄水期兩種情況。據王俊杰，等［2］提出的邊坡簡(jiǎn)化計算方法和陳錦璐，等［3］在網(wǎng)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(jiǎn)化并劃分網(wǎng)格，如圖3。
2計算參數
結構模型采用摩爾庫倫屈服準則，采用非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則(剪脹角φ=0)。屈服準則假定:作用在某一點(diǎn)的剪應力等于該點(diǎn)的抗剪強度時(shí)，該點(diǎn)發(fā)生破壞，剪切強度與正應力呈線(xiàn)性關(guān)系。摩爾庫倫模型是基于材料破壞時(shí)應力狀態(tài)的莫爾圓提出的，破壞線(xiàn)是與莫爾圓相切的直線(xiàn)，強度準則為:=c－σtanφ(1)式中:為剪切強度;σ為正應力;c為材料黏聚力;φ為材料內摩擦角。相應的計算參數見(jiàn)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(guò)大，計算單元有奇異等。因此，以此為判據適用范圍有一定的限制。欒茂田，等［6］建議采用塑性應變貫通作為判據，以此作為判據時(shí)主觀(guān)因素占很大成分，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征可知，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(chǎn)生位移，位移是邊坡內部作用的外在表現�；瑒�(dòng)主要是由剪應變和位移造成的。隨著(zhù)強度參數的不斷折減，邊坡上的位移矢量和剪應變不斷向坡腳處增大，因此，以坡頂特征點(diǎn)位移突變?yōu)槭Х�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系數見(jiàn)表2。鑒于方案1的安全系數最小，筆者給出了該方案的強度折減系數與坡頂位移的變化曲線(xiàn)(圖4)，塑性應變云圖、位移等值線(xiàn)云圖(圖5)。圖6為邊坡開(kāi)挖后天然含水與飽和狀態(tài)時(shí)的塑性應變云圖。圖4表明，折減系數在1．42時(shí)發(fā)生坡頂的位移矢量的突變，此后，位移陡增，表明此時(shí)塑性區已經(jīng)貫通，開(kāi)始滑動(dòng)，當安全系數為1．42時(shí)處于臨界狀態(tài)。因此，以此作為安全系數，概念、意義明確。圖5顯示，金佛山左岸巖質(zhì)高邊坡具有圓弧-折線(xiàn)的潛在滑動(dòng)面，形態(tài)由底部的條狀帶頁(yè)巖控制，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(zhì)、上部為壓致拉裂推移式，是一個(gè)深層、順層、復合機制成因的潛在滑坡。邊坡巖體隨變形發(fā)展，平行臨空面的裂隙容易被拉開(kāi)［7］，在遇到沉積巖的巖層分界面時(shí)，裂隙被巖層結構面分割。在薄弱、結構有突起的部位，形成應力集中區和近似平行于坡面的臺階狀裂隙。最終，薄弱裂隙連通、巖體滑動(dòng)。以1∶0．3的坡比折線(xiàn)形開(kāi)挖巖體表面強風(fēng)化和弱風(fēng)化的部分巖體。開(kāi)挖后天然和飽和狀態(tài)的安全系數分別為1．73和1．62。圖6顯示，飽和后土體軟化［8］，整個(gè)塑性區包圍的巖體增大，潛在下滑巖體增大。天然狀態(tài)時(shí)潛在滑弧在前部形成直線(xiàn)段，塑性區離開(kāi)挖后的臨空面較近，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，坡頂的后部產(chǎn)生張拉裂縫，在雨水入滲作用下，由于裂隙底部的巖體滲透系數小，排水不暢，靜水壓力作用于裂隙面，增大了下滑力，這往往是暴雨后巖質(zhì)邊坡容易產(chǎn)生破壞的重要原因［9］。
鑒于上述分析，建議清除表層強風(fēng)化、強卸荷巖體，開(kāi)挖坡度應小于外傾結構面的最小傾角并保護好開(kāi)挖面，及時(shí)錨噴支護。巖質(zhì)高邊坡的上部還存在韓家店組(S2h)的頁(yè)巖，以黏土礦物為主，抗風(fēng)化能力差。在天然含水量的情況下新鮮巖石層面結合尚牢，遇水軟化，濕水后易崩解。因此，建議上部采用10cm厚混凝土噴錨支護，下部有寬張裂隙帶J2，是巖體風(fēng)化和卸荷的產(chǎn)物，有方解石填充，采用錨桿錨固，并用自密實(shí)混凝土填充，保證巖體的完整性，防止此卸荷裂隙擴張。加固后邊坡采用簡(jiǎn)化計算方法，在加固區域分別采用提高巖體強度指標以代替加固區域的強度參數，根據工程經(jīng)驗，加固區巖體強度參數提高20%。加固后邊坡天然和飽和含水狀態(tài)安全系數分別為1．85和1．78，均比未加固時(shí)有明顯提高，加固效果顯著(zhù)。
結論
從邊坡形態(tài)規模、變形機理及安全性方面，對金佛山左岸巖質(zhì)高邊坡進(jìn)行了分析評價(jià)，得出以下結論。1)邊坡前緣的強風(fēng)化、強卸荷巖體屬潛在不穩定塊體，建議清除表層強風(fēng)化、強卸荷巖體，開(kāi)挖坡度小于外傾結構面最小傾角并保護好開(kāi)挖面、及時(shí)錨噴支護;弱卸荷帶以?xún)葞r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(fā)生大規模破壞可能性極小。2)左岸巖質(zhì)高邊坡是一個(gè)深層、順層、復合機制成因的潛在滑坡，下部為順層牽引-塑流性質(zhì)、上部為壓致拉裂推移式。
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