庫什塔依電站壩肩卸荷巖體穩定性研究

曾　鋒, 練　操

(水利部 長江勘測技術研究所,湖北 武漢　430011)

0　引言

在水利水電工程建設中,經常會遇到高陡邊坡穩定問題(如大壩壩肩、隧洞進出口等),出現許多巖質邊坡工程,如何通過邊坡穩定性分析研究,為邊坡工程采取合理的加固措施和加固效果提供科學依據是一項重要的課題。本文通過極限平衡法和有限元法等定量穩定性分析方法,對庫什塔依水電站左壩肩卸荷巖體穩定性進行了研究。

1　工程概況

庫什塔依水電站位于庫什太河與庫克蘇河匯合口下游約4.5 km的庫克蘇河干流上。大壩左岸為階地陡坡地貌,發育Ⅱ、Ⅳ階地;坡頂為Ⅳ階地夷平面,分布高程1 425～1 440 m,Ⅱ級階地高出河水位7～10 m,分布高程1 300 m以下。卸荷巖體位于左岸中上部石炭系下統阿克沙克組(C1ab)中厚層灰巖高邊坡中,灰巖中節理裂隙發育,產狀變化大,以NW向、近SN向的陡傾角和近EW向(NEE、NWW)的緩傾角裂隙為主,其次近東西向的陡傾角裂隙也較發育。邊坡典型地質剖面如圖1。根據平硐及鉆孔揭示,灰巖卸荷強烈,裂隙非常發育;其巖體卸荷可劃分為強卸荷帶和弱卸荷帶,卸荷特征為:①巖體卸荷強烈,強卸荷帶較寬。多數強卸荷寬度均超過30 m,少數接近30 m,且在硐底局部具有強卸荷特征;②隨著高程的降低,強卸荷帶寬度有減小的趨勢;③強卸荷帶巖體裂隙非常密集且多張開,具有較大的張開度。多數裂隙張開度一般在10 cm以上,最大為1.5 m,充填粉土或碎石土,局部存在架空現象;④弱卸荷帶,卸荷裂隙密度較小,張開度一般在10 cm以下,僅局部存在較大裂隙;⑤裂隙走向以NE向為主,其次是NW向,前者傾坡外,后者傾坡內。據平硐編錄統計,裂隙中超過75%為陡傾角,中傾角在20%左右,緩傾角裂隙很少。巖體卸荷成因機制主要受到地形、地層巖性及結構面組合的影響,與構造環境也有一定關系。

圖1　邊坡典型地質剖面圖

卸荷巖體的可能模式分為初期和后期,初期以崩塌、掉塊為主,后期施工以卸荷張拉變形、傾倒墜落失穩為主。

2　邊坡穩定性研究分析及計算成果

根據工程的重要性,選取兩種邊坡穩定性綜合分析方法是:剛體極限平衡法和有限元法。

2.1　剛體極限平衡法分析

巖質邊坡穩定性分析采用剛體極限平衡法,根據邊坡巖體裂隙產狀、強卸荷帶深度及邊坡破壞模式,確定滑移面地質剖面(圖2)。由滑移面或潛在滑移面的幾何形狀,選擇雙平面滑動計算公式,雙平面塊體受力如圖3。

由圖2可以看出,需對整個可能失穩的邊坡進行穩定分析計算,即計算①、②及③三部分的整體穩定性。施工期間,第①部分被挖除,需考慮②與③兩部分的整體穩定性以及②與③各自的穩定性。邊坡穩定性計算工況如表1。

圖2　滑移面地質剖面圖

圖3　雙平面滑動塊體受力圖

表1計算工況、荷載組合及安全系數

Table 1Calculation condition, load combination and safety coefficient

注:計算不考慮地下水位影響。

表2　邊坡穩定性計算成果

由表2可以看出,目前現狀條件下,三種工況下邊坡整體處于穩定狀態;施工期間,塊體①被挖除,邊坡由剩余塊體②與③組成,各工況下整體也處于穩定狀態。塊體③在短暫狀況下穩定程度稍低;塊體②在各工況下處于穩定狀態。

2.2　有限元數值分析

本文根據邊坡巖體節理裂隙發育特點,使用節理材料來模擬滑動破壞面,再通過有限元折減強度法計算。有限元模型及網格劃分截面如圖4。圖4中箭頭所指區域為使用節理材料的區域。左右邊界約束X方向位移,底邊界約束X和Y方向位移。模型采用4節點平面應變線性完全積分單元,自由網格劃分,共有2 169個單元。節理面的粘聚力C和內摩擦角φ與剛體極限平衡分析取值相同,天然狀態下滑面抗剪斷強度的取值,節理巖塊的抗剪強度參數取值等于灰巖的取值,計算中節理材料為無拉力材料,即節理張開時沒有拉伸強度。計算參數如表3。

圖4　有限元模型及網格劃分

表3　 相關巖體計算參數取值

采用強度折減法,選取4種抗剪強度折減系數對邊坡原抗剪強度的相關系數折減,使用折減后的系數進行有限元計算。

2.2.1 抗剪強度折減系數Fr=0時

得到自重應力平衡初始各方向的相應應力云圖如圖5-圖7。由圖可以看出初始自重應力平衡后(Fr=1.0時),最大剪應力發生在邊坡表面即塊體③的下半部分,而且由于節理材料區的存在,使得坡頂和塊體③的上部與整個巖體連接削弱,從而最小水平向應力發生在該處。

圖5　自重應力平衡后初始豎向應力云圖

圖6　自重應力平衡后初始水平向應力云圖

圖7　自重應力平衡后的初始剪應力云圖

2.2.2抗剪強度折減系數Fr=1.2時

得到應力分布云圖如圖8-圖10。圖8中當Fr=1.2時,塑性區幾乎貫穿了整個塊體①以及大部分塊體③,說明在自重作用下塊體③的穩定系數為1.2。節理裂隙區的頂部也已進入塑性屈服。但圖10可見,此時頂部節理并未開裂,因為頂部的水平向應力為負值,即依然為壓應力。

圖8　Fr=1.2塑性區分布云圖

圖9　Fr=1.2水平應力分布云圖

圖10　Fr=1.2剪應力分布云圖

2.2.3抗剪強度折減系數Fr=1.404時

得到應力分布云圖如圖11-圖13。當Fr=1.404時,塑性區繼續向上和向坡面深度方向發展,節理裂隙區的頂部塑性屈服區向下發展。圖13顯示此時最大剪應力集中于滑移面附近。

圖11　Fr=1.404塑性區分布云圖

圖12　Fr=1.404水平應力分布云圖

圖13　Fr=1.404剪應力分布云圖

2.2.4抗剪強度折減系數Fr=1.820時

得到應力分布云圖如圖14-圖16。當Fr=1.820時,塑性區貫穿整個邊坡,此時發生塊體①②③的共同失穩,因此自重下塊體①②③共同失穩的穩定系數為1.820。圖15中坡頂的水平向應力為正值,說明節理裂隙區域已經開裂。圖16中剪應力最大值集中分布于裂隙左側的滑床表面,而滑體內部剪應力相對較小,說明此時的破壞是整體滑移破壞。整體失穩示意圖如圖17。

圖14　Fr=1.820塑性區分布云圖

圖15　Fr=1.820水平應力分布云圖

圖16　Fr=1.820剪應力分布云圖

圖17　Fr=1.820整體失穩示意圖

通過有限元強度折減系數計算分析,從邊坡破壞的過程及塑性區的分布來看,塑性區在抗剪強度折減系數Fr相對較小的時候,主要集中在淺層表面,這表明主要的破壞形式為崩塌、掉塊,出現大規模整體滑移失穩的可能性很小。

3　結語

(1)通過剛體極限平衡法對卸荷巖體不同時期邊坡破壞模式計算,結果表明,左岸邊坡不會產生整體式變形破壞,逐步的、小規模的崩塌、掉塊是邊坡主要的破壞特征。

(2)根據節理材料來模擬的有限元截面模型是合理的,較好的反映了左壩肩卸荷巖體裂隙發育特征。

(3)有限元計算的穩定系數與剛體極限平衡法計算的穩定系數基本一致。

(4)通過有限元強度折減法,選取一系列的抗剪強度折減系數對邊坡原抗剪強度系數折減來有限元計算,由塑性區分布云圖分析,塑性區呈現由下往上的發展趨勢,這表明該邊坡易出現牽引式的破壞模式,即上部巖體因失去支撐而變形失穩。

參考文獻：

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[2]新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院.新疆伊犁庫克蘇河庫什塔依水電站可行性研究報告[R].烏魯木齊:新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院,2008.