Slide在邊坡穩定分析中的應用
——以某水電站放空洞出水口邊坡為例

馬金根

(中國電建集團 成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都　610072)

0　引言

隨著中國經濟建設的快速發展,在水電、礦山、交通、海港等領域涉及到邊坡的工程項目,不僅數量越來越多,而且規模越來越大,邊坡的失穩破壞常給工程的建設和運行帶來巨大的危害,有時形成嚴重的自然災害。這方面國內外的實例是屢見不鮮的。如1963年10月9日發生的意大利瓦依昂大滑坡，1961年3月湖南資江柘溪水庫塘巖光滑坡等。為此,人們一方面不斷加大工程地質勘察的力度,確保地質信息的全面性、準確性和及時性;另一方面,計算機的廣泛應用,為保證生產安全和降低成本提供設計依據。

本文結合實際開挖過程中的施工地質調查,利用Slide軟件對某水電站放空洞出水口邊坡的穩定性進行分析,為下部邊坡開挖及支護設計提供地質依據。

1　概述

1.1　邊坡穩定性研究的意義

邊坡穩定性的工程地質分析具有重要意義,一方面通過邊坡的勘察對邊坡的穩定性作出評價和預測;另一方面要為設計合理的工程邊坡和制定有效的防治措施提供地質依據。

1.2　國內外邊坡研究進展及存在問題

在國內外的邊坡問題研究中,邊坡穩定性問題一直是一個重要的研究內容。它涉及水電、鐵道、公路、礦山等諸多工程領域,能否準確評價其穩定性直接關系到建設資金的投入和人民的生命財產安全。邊坡穩定性分析方法很多,不同的方法又各具特點,且存在一定的適用條件。從邊坡工程研究發展歷程可見,邊坡穩定性研究發展的過程,同時又是一個邊坡穩定性分析方法不斷發展的過程。

1.2.1邊坡穩定性評價常見方法

目前對邊坡穩定性評價的常見方法主要有:極限平衡分析法(如:斯賓塞法、畢肖普法(Bishop)、簡布法(Janbu)、摩根斯坦—普賴斯法(Morgen.stern.Prince)、剩余推力法、薩爾瑪法(Sarma)、楔體極限平衡分析法等等)、有限單元法、離散單元(DEM)法、快速拉格朗日(Lagrangian)分析(FLAC)法、可靠度評價方法、灰色系統評價法等。但是各方法又各有其特點,有一定的適用條件。其中Sarma法既可用于滑面呈圓弧形的滑體,又可用于滑面呈一般折線形滑面的滑體極限平衡分析。

1.2.2邊坡穩定性評價方法的發展趨勢[1]

(1)任何一種方法都不是萬能的,把兩種或多種方法融合起來,取長補短,是未來發展的一種趨勢。

(2)隨著數值分析方法的不斷發展,不同數值方法的相互耦合成為一大發展趨勢。

(3)滑坡顯然是一種不連續的突變現象,利用突變理論的觀點研究邊坡系統有廣闊的發展前景。然而應用單一的突變理論,解決復雜的滑坡問題有其一定的局限性,需要將模糊數學、概率論、灰色系統理論和現代計算機技術與突變理論相結合,應用數值模擬手段模擬復雜系統的動態演化全過程,這是有待深入研究的課題。

(4)把邊坡及其所處的環境看成一個大系統,從系統的觀點出發,綜合考慮各子系統之間的相互作用與聯系,采用系統控制論、協同學等理論方法對邊坡的失穩機理的特性進行研究分析,也是一個大的發展趨勢。

(5)邊坡(滑坡)系統是一個開放的系統。邊坡系統的失穩是一個不可逆的熱力學過程,這種過程可以用熵來度量。滑坡失穩前,其總熵不變,一旦總熵發生變化,勢能和應力分布隨之發生變化,當兩者出現差異時,滑坡就失穩而產生滑動。因此,從熱力學角度研究邊坡系統失穩應具有十分重要意義。

(6)采用反分析法來研究邊坡系統的失穩也是發展的一大趨勢。一般研究邊坡系統的失穩總是從邊坡受力的角度研究。但如果轉化思維,可以從邊坡系統的變形分析出發,尋求邊坡的變形失穩判據并進行穩定性評價。如位移反分析法就是先以實測的位移值為依據反演求出初始的應力與參數,再反過來應用于工程實踐。

(7)由于影響邊坡系統各因素的復雜性、不確定性等,依托于計算機技術,形成集成式智能評價系統也將成為未來的發展趨勢。

1.3　Slide軟件簡介

Slide軟件為二維邊坡穩定性分析軟件,主要采用極限平衡法對邊坡穩定進行分析。它具備一系列全面廣泛的分析特性,包括支撐設計,完整的地下水(滲流)有限元分析及隨機穩定性分析。軟件的特點主要為:支持圓弧、非圓弧及復合滑移面等多種滑移面的自動搜索;包含Bishop、Spencer、GLE/Morgenstern-Price等多種極限平衡分析方法;各向異性、非線性等多種材料破壞準則;水位線、孔隙水壓力系數、穩態有限元分析等多種孔隙水壓力分析方法;材料參數的靈敏性分析;隨機穩定性分析;滑移面裂隙分析;線性、分布動荷載等外荷載分析;土釘、土層錨桿、土工織物、樁等結構荷載分析[2]。

2　放空洞出水口邊坡基本工程地質條件

2.1　地形地貌

放空洞出水口布置于某水電站壩址右岸條形山脊尾部,山體三面臨空,受河流切割,地形上形成低矮山脊,山體相對單薄。

2.2　地層巖性

2.3　地質構造

據開挖揭示,該邊坡未發現有控制邊坡整體穩定的軟弱結構面發育,巖體中主要發育NE/NW、NW/SW及近EW/近⊥的輝綠巖脈及小規模擠壓破碎帶、斷層等。

2.4　風化卸荷

巖體風化卸荷較強,據勘探揭示,巖體強風化下限水平深度60 m,弱風化下限水平深度120 m,強卸荷水平深度54 m,弱卸荷水平深度達100 m,輝綠巖脈及小規模擠壓破碎帶較發育。

2.5　巖體物理力學性質

根據室內外試驗成果,對巖體相關試驗成果及圍巖參數進行取值(表1)。

表1　放空洞出水口邊坡穩定性計算巖體結構面參數取值

2.6　水文地質條件

地下水以基巖裂隙潛水為主,接收大氣降水入滲,排泄較好,地形坡度較陡,地下水埋藏較深。

3　邊坡穩定性分析及計算

3.1　邊坡失穩模式判別

結合開挖揭示的基本工程地質條件,經統計分析發現:① 該邊坡發育的節理裂隙主要為四組或三組加隨機(圖1、圖2),其中與坡面小角度相交的裂隙4于EL725～755 m段較發育,且在開挖過程中坡面局部沿該組結構面成型;② 該邊坡主要發育NE/NW、NW/SW及近EW/近⊥的輝綠巖脈、構造等軟弱結構面(圖3、圖4)。

根據對巖體的結構面進行定性分析可知,該坡段未揭示有控制邊坡整體穩定的控制性結構面發育,邊坡整體穩定,邊坡的穩定性主要受節理裂隙及節理裂隙與構造的組合控制。

圖1　節理裂隙赤平投影圖(5為坡面)

圖2　節理裂隙等密度面圖

圖3　構造赤平投影圖(4為坡面)

圖4　構造等密度面圖

3.2　邊坡穩定性分析

3.2.1計算邊界及計算參數的確定

由上述的地質分析可知,以全強風化花崗巖的底界為限,可將邊坡分為兩個部分進行穩定性計算,第一部分為頂部全強風化花崗巖穩定性計算;第二部分為下部弱風化花崗巖體穩定性計算。在工程地質類比和現場施工所搜集的地質資料基礎上,并結合已有的巖體物理力學試驗結果和巖體質量指標類比,參照地質分析的反算結果確定該邊坡穩定性計算巖體結構面參數取值,可參見表1。地震基本烈度為Ⅶ度。有關超越概率水平1×10-4的壩址基巖峰值加速度為0.21g和地面峰值加速度為0.33g。在此基礎上取水平向地震系數k0=0.21[3]。

3.2.2計算工況選擇

邊坡的穩定性分析須考慮多種因素(如暴雨、地震等)以及它們的疊加效應,本次穩定分析主要按以下工況選擇:①基本組合(天然狀況)；②特殊組合一(天然狀況+暴雨)；③特殊組合二(天然狀況+地震)。

3.2.3穩定性計算

根據開挖揭示的巖體結構特征、地形地貌特征和開挖過程中局部巖體的變形破壞特征等將出水口邊坡細分為兩個穩定性計算部分,分別計算其穩定性。

(1)邊坡頂部(EL768 m以上)分布的全強分化花崗巖穩定性(以強風化底界為計算滑動面的主要依據)計算分析,利用Slide軟件對其整體穩定性進行計算。在不同工況條件下,采用不同方法(Bishop、Spencer、Janbu、Gle/Morgenstern-price等)進行計算分析。

(2)弱風化弱卸荷的花崗巖體穩定性(地下水以基巖潛水為主,不考慮工況②)計算分析,利用Slide軟件對其整體穩定性進行計算。在不同工況條件下,采用不同方法(Bishop、Spencer、Janbu、Gle/Morgenstern-price等)進行計算分析。

3.2.4穩定性計算小結

(1)根據Slide計算結果分析,該邊坡頂部全強風化花崗巖在現開挖形成的坡比狀況下穩定性較差,為保證施工期下部人員和機械設備等的安全,須對其進行相應的削坡或加固處理,由分析可知,穩定開挖坡比為1∶1.1～1∶1.3,后續對該邊坡進行二次開挖,設計開挖坡比為1∶1,并布置間排距2.5 m,L=2.0 m的Φ20的插筋進行支護,監測資料表明,該邊坡在后續過程中是穩定的。

(2)經由前面的分析可知,該邊坡弱風化花崗巖體在天然狀況下整體穩定,局部巖體穩定性主要受結構面的組合控制(如楔塊1的結構面組合分析)(圖5);在地震作用力影響下,整體穩定性較差,采用適當的加固措施就可以保證邊坡的穩定性。

圖5　楔塊1

① 楔塊1的地質參數。第一切割面走向及傾向角:N37E，NW47；第二切割面走向及傾向角:N25W，NE57；坡頂面走向及傾向角:N13W，NE58；坡面走向及傾向角:N13W，NE63。

圖6放空洞出水口邊坡軸線地質剖面圖

Fig.6The geological section of the outlet slope axis of emptying tunnel

② 楔塊1的物理力學參數。楔塊的高度:D=40;第一結構面的f值:f2=0.6;第一結構面的c值:c1=0.17;第二結構面的f值:f2=0.6;第二結構面的c值:c2=0.17;巖石的容重r:r=26.7;水的容重r:r=9.807。

③ 楔塊1穩定分析結果。楔塊的體積:V=105 930.145 4;交線的傾角:32.919 9;楔塊的穩定安全系數:Kc=0.147 328 128。

在邊坡的實際開挖過程中同樣驗證了以上結果的可靠性,且在實際開挖過程中局部伴有掉塊現象,EL735～715 m坡段坡面局部沿裂隙4成型(見圖6)。

4　結語

結合對放空洞出水口邊坡的施工地質工作及本次對該邊坡的穩定性進行分析評價,筆者獲得以下幾點認識:

(1)在邊坡的開挖爆破過程中,應采用自上而下分層分序鉆爆施工的開挖方式,且須嚴格控制爆破,以避免大爆破對邊坡巖體的擾動;

(2)對于由結構面組合形成的不穩定或潛在不穩定塊體,應及時對其進行支護處理,且須在完成上部分支護的前提之下再進行下部邊坡巖體的爆破施工;

(3)在對邊坡的穩定性進行分析計算過程中,應考慮邊坡在暴雨、地震等特殊工況及其疊加效應下的穩定性,除對其整體穩定性作出相應的分析評價外,亦需要對邊坡巖體的局部穩定性作出相應的分析評價;

(4)在邊坡的分析評價過程中,應考慮采用不同的方法對邊坡巖體的穩定性作出評價和校核,避免使用單一方法帶來的不可靠性和隨機性;

(5)在運用Slide軟件進行分析的過程中發現,Slide并不能夠完全考慮施工操作步驟及材料復雜的本構關系,這點可以結合純數值模擬方法如Flac來共同解決這類問題。

參考文獻：

[1]楊學堂，等.邊坡穩定性評價方法及發展趨勢[J].巖土工程技術，2004，18(2)：103-106.

[2]中仿科技有限公司.Slide邊坡穩定性分析軟件[EB/OL].(2013-05-01).http://www.cntech.com.cn/product/Slide.html.

[3]古云，尹顯科，周云金，等.瀑布溝水電站可行性研究補充報告[R].成都：中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，2003.