傾倒變形體折斷面位置的力學計算

1.河海大學 地球科學與工程學院 江蘇省南京市 210098；

2.中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院有限公司 云南省昆明市 650000

摘要：基于邊坡的應力場使邊坡變形向穩定狀態發展，介紹了確定傾倒變形體折斷面的力學計算原理。以古水水電站尾水出口邊坡為例，對邊坡進行分段。分別計算每段邊坡的傾倒變形體折斷面位置，并將計算結果和現場勘探所獲得數據相對比。

關鍵詞：傾倒變形體；折斷面；力學計算

1引言

在我國西南方的高陡峽谷區，自然和人為因素形成的傾倒變形現象一直是工程需要關鍵解決的問題之一。黃登水電站梯級1830m高程上坡分布傾倒變形體，古水水電站場區普遍分布傾倒變形體，烏弄龍水電站梯級在高程1950m以上山坡普遍發育傾倒變形。可見，傾倒變形體給工程的開挖支護和后期的邊坡穩定造成了直接影響。由于其分布范圍較廣，成因機制復雜，使得傾倒變形體的調查和定量分析更為棘手。國內外目前對傾倒變形體的研究諸多以數值模擬為主，力學計算尚缺乏足夠的理論支撐。力學計算和數值模擬、現場調查不能很好的切合已成為研究傾倒變形體的一個制約因素。尤其是傾倒變形體折斷面位置的計算，能為工程的開挖設計和支護設計提供更可靠數據。有必要結合現場調查數據對傾倒變形體折斷面位置進行計算預測，并將計算結果與現場調查結果對比，為計算傾倒變形體折斷面提供力學計算方法的參考。

2 力學計算原理

傾倒變形體是諸多因素共同長期作用下的產物，主要成因包括卸荷作用、地應力作用、地質體作用、外荷載作用和重力作用。這些因素對巖體的作用歸根結底可歸納為應力場的作用。不妨認為，層狀巖體的傾倒變形和塊狀巖體的板裂化致傾倒變形均是在巖體所處應力場下的結果，這就為傾倒變形體的力學計算提供了可能。結合巖體本身的力學參數和幾何參數，調查傾倒變形體所處地質環境，對傾倒變形體進行力學計算。

不同形態、不同巖土體的邊坡在不同應力場中的變形均向著穩定狀態進行，坡體內的應力分布遵循著使邊坡趨于穩定的原則。層狀巖體在應力場作用下產生不同程度的應力集中，為使應力平衡，巖體以產生變形甚至斷裂破壞的形式卸荷。傾倒變形就是卸荷作用的另一種表現方式，因此在層狀巖體中，巖體斷裂的底面與邊坡的應力平衡面相一致。邊坡應力平衡面力學示意圖如圖1。

層狀巖體在應力場作用下為達到平衡狀態，應力平衡面上方的巖體將先后產生彎曲變形直至折斷，形成傾倒變形體。根據公式（1）可計算傾倒變形體的最終底面[1]。

3 實例力學計算

以古水水電站尾水出口邊坡為例，由于該邊坡主要由層狀的結晶灰巖夾板巖、塊狀玄武巖、變質砂巖夾板巖組成，有必要分段計算折斷面位置。分段示意圖如圖2.

A段邊坡的計算根據現場揭露情況確定傾倒變形體的最低高程點，據表1中的各參數，計算應力平衡面上方巖土體重力為：（2）

應力平衡方程為：（3）

W：平衡面上方巖土體自重。

：平衡面與水平面夾角。

：邊坡坡角。

：巖層與水平方向的夾角（銳角）。

：巖體的內摩擦角。

：巖體重度。

C：巖體的粘聚力。

H：每段邊坡左頂部到底部的垂直距離。

T：水平向地應力。

為求得平衡面位置需求得的值，定為未知量，計算=0時的值即為所求。根據表1中參數，通過循環迭代求得的值為29.4°。

在A段邊坡計算結果的基礎上，確定B段邊坡傾倒變形體折斷面的起點，并求得折斷面以上巖土體的重力：

同理可得C段邊坡傾倒變形體折斷面上方巖土體的重力：

根據力學公式（1）和表1中的數據計算的B段邊坡和C段邊坡的角分別為42.2°和27.3°。

4 計算結果對比

將根據上述方法計算的傾倒變形體折斷面位置標注至尾水出口邊坡剖面圖。如圖3，圖中虛線為通過力學計算獲得的傾倒變形體折斷面位置，實線為根據平洞和鉆孔揭露獲得的部分傾倒變形體折斷面位置。

通過對比發現，力學計算結果和現場調查結果基本一致，能應用到工程實際中，為傾倒變形體的發育深度的確定提供依據，從而為邊坡的開挖和支護設計提供參數。

5 結論

通過計算邊坡在不同應力場下的應力平衡面位置來確定反傾層狀巖質邊坡傾倒變形體的折斷面最終位置，將力學計算結果和現場調查結果相對比，一致性高，可用于工程中計算傾倒變形體的折斷面位置，為邊坡開挖和支護設計提供參數。

參考文獻（Reference）：

[1]岳斌，金川露天礦邊坡傾倒變形特征及傾倒變形的簡單力學機制和應用 [R].華東巖土工程學術大會文集，2014：429-441.