某堆積體邊坡滑面的強度參數反演研究

李江龍 李建林 黃宜勝

(三峽大學 水利與環境學院， 湖北 宜昌 443002)

某堆積體邊坡滑面的強度參數反演研究

李江龍 李建林 黃宜勝

(三峽大學 水利與環境學院， 湖北 宜昌 443002)

通過現有的資料分析，某堆積體邊坡可能的破壞模式為覆蓋層內部的滑動或沿滑動帶的深層滑動．根據地勘資料、室內試驗數據和邊坡安全系數的計算方法，對邊坡的巖土體力學強度參數進行反演分析．計算結果表明：建立準確的計算模型并采用參數反演所得出的結果客觀、合理，通過對其他剖面的穩定性計算更進一步地驗證了所得結果的合理性，為類似工程的穩定性分析以及強度參數的反演計算提供了參考依據．

水電站； 邊坡穩定性； 滑面強度參數； 反演分析

剛體極限平衡法理論嚴謹、發展歷史悠久，被工程界廣泛采用[1-3]，但用該方法進行邊坡穩定性分析時，計算結果的精度在很大程度上依賴于所選巖土體力學參數值的精準度[4]．對于天然邊坡，由于巖土體的構成比較復雜，使得通過室內外試驗很難直接準確地測得其力學參數，所以在采用剛體極限平衡法進行邊坡穩定安全系數的計算時，敏感地層強度參數的選取大都取值于巖土體的強度參數的反演結果[5-6]，最終所得邊坡安全系數計算結果也比較符合實際情況．本文主要對金沙江上游某水電站堆積體邊坡的力學參數運用二維剛體極限平衡法進行穩定性分析，通過不斷調整反演區域的強度參數值使堆積體達到相關規范要求最小的安全系數值，得到極限平衡條件下的強度參數值并與具體工程實際相結合，綜合比較，選取較為合理的強度參數．

1 地質概況

某水電站堆積體邊坡位于金沙江上游NWW向的金沙江斷裂帶附近，地質構造較為復雜，NW-NNW向斷裂構造發育，NEE向斷裂構造較為發育，巖體變質較深、褶皺強烈，節理裂隙發育．工程區經歷了多次區域變質作用，成為負變質的片麻巖組(下段)和大理巖組(上段)．堆積體包括了堆積物(Qdl+col)、沖積、崩積物(Qpl+col)、滑坡堆積物(Qdel)、滑動帶(fn-1、fn-2)、層間擠壓帶(f1-1與f1-2之間巖體)、層間錯動(f1-1、f1-2)、斷層(F1、F9-1)、出露風化巖、山脊、基巖等不同地質體．工程區地質圖如圖1所示，本文所分析區域已在圖中標明．

圖1 堆積體工程區地質及剖面分布圖

2 反演分析

2.1 反演方法

根據地勘資料和室內試驗數據，初步推斷堆積體的破壞模式可能為覆蓋層內部的滑動或者沿滑動帶的深層滑動．本文利用Slide軟件對堆積體進行剛體極限平衡法分析，選用Bishop圓弧法計算發生在覆蓋層內部的滑動破壞，選用M-P折線法計算沿滑動帶發生的深層滑動．堆積體的初始抗剪參數(參考設計單位提供建議值)見表1．

根據相關規范確定最不利工況下的邊坡安全系數，通過不斷調整反演區域所在巖土層的抗剪力學參數，選取使剖面在最不利工況下達到平衡狀態的強度參數值為反演的結果．

表1 堆積體各地層力學參數建議值

2.2 最不利工況安全系數的確定

該堆積體位于開敞式溢洪道左側，處于泄洪霧化影響的區域，且距離大壩較近，按照DL/T5353-2006《水電水利工程邊坡設計規范》的級別劃分規定，按A類Ⅰ級邊坡設計．自然狀態下，該堆積體未見整體變形趨勢，穩定性較好．工程區曾經發生過6.7級地震，但該堆積體并未發生過整體失穩．可以判斷在天然工況和地震工況條件下，該堆積體的安全系數仍有一定的裕度．綜合上面的分析，在進行參數反演時，考慮工程區曾經發生的6.7級地震，按地震加速度0.05g取值[7]，綜合規范和工程區實際情況，選取地震工況下的安全系數標準取為1.05．

2.3 反演剖面及反演模式

取堆積體工程地質4個典型剖面A-A′、B-B′、D-D′、E-E′作為參數反演的計算剖面，剖面位置如圖1所示，對應的剖面計算模型如圖2～5所示．可以看出，選取的4個剖面穿過了本文所要進行參數反演的地質構造區，故4個剖面所反演出的參數較為準確．

圖2 A-A′剖面計算模型 圖3 B-B′剖面計算模型

圖4 D-D′剖面計算模型 圖5 E-E′剖面計算模型

首先對4種滑動模式進行初步分析計算，強度參數取表1所給出的參考范圍的中值，比較天然工況下4個剖面在4種滑動模式下的安全系數，地下水位線以下地層取飽和狀態的強度參數，詳細結果見表2．可以看出，對于第1破壞模式(小圓弧滑動)，E-E′剖面最危險；對于第2破壞模式(大圓弧滑動)，D-D′剖面最危險；對于第3和第4破壞模式(折線滑動)，A-A′剖面最危險．對于小圓弧滑動，主要是反演堆積物(Qdl+col)的合理參數，以E-E′剖面反演結果為準；大圓弧滑動、上折線滑動、下折線滑動，主要是反演滑動帶(fn-1、fn-2)的合理參數，其中大圓弧滑動以D-D′剖面為準，上折線滑動和下折線滑動以A-A′剖面為準．

表2 滑面在4種滑動模式下的初步計算結果

4種破壞模式如圖6～9所示，均以D-D′剖面為例．對于D-D′剖面來說，小圓弧滑動的圓心及圓弧與坡面兩個交點的坐標分別為(1 297.699，60.656)、(880.95，590.999)、(1 275.639，180.07)；大圓弧滑動的圓心及圓弧與坡面兩個交點的坐標分別為(1 480.028，611.26)、(1 141.058，264.808)、(1 324.937，148)．上折線滑動和下折線滑動其折線分別緊貼滑動帶(fn-1、fn-2)上表面和下表面，其順序為先反演堆積物(Qdl+col)的強度參數，得出較為準確的結果后，再進行滑動帶(fn-1、fn-2)強度參數的反演強度參數的賦值時，將上一步堆積物(Qdl+col)的反演結果代入其中．

圖6 第1破壞模式(小圓弧滑動) 圖7 第2破壞模式(大圓弧滑動)

圖8 第3破壞模式(上折線滑動) 圖9 第4破壞模式(下折線滑動)

2.4 反演結果

由于后期可能會對工程區內的部分地區進行開挖作業，對邊坡的穩定情況會產生不利影響，若開挖時恰逢暴雨天氣，則對邊坡的整體穩定性十分不利，所以，對反演結果(粘聚力c，摩擦角φ)采取保守取值．

1)第1破壞模式(小圓弧滑動)，選取E-E′剖面反演堆積物(Qdl+col)的參數，依據表3的計算結果，作E-E′剖面堆積物(Qdl+col)穩定安全系數k與摩擦角φ關系曲線如圖10所示．可以看出，有多組堆積物的力學參數組合滿足在最低穩定要求的安全系數1.05(見表4)，經過綜合比較，堆積物(Qdl+col)的強度組合以c取50 kPa、φ取23.6°比較合理．

表3 E-E′剖面堆積物所確定的安全系數

表4 E-E′剖面(Qdl+col)：k=1.05(地震工況)

圖10 E-E′剖面堆積物k-φ關系曲線圖

2)在第2破壞模式(大圓弧滑動)下，選取D-D′剖面，堆積物參數可按照上文中反演出比較合理的參數取值，圓弧穿過滑動帶，表明采取此種破壞模式反演滑動帶(fn-1、fn-2)參數較為合理，詳細結果見表5，并得到D-D′剖面滑動帶穩定安全系數k與摩擦角φ關系曲線如圖11所示．可以看出，有多組滑動帶的力學參數組合滿足在最低穩定要求的安全系數1.05(見表6)，經過綜合比較，此種破壞模式下的滑動帶(fn-1、fn-2)的強度組合以c取80 kPa、φ取22.1°比較合理．

表5 D-D′剖面滑動帶所確定的安全系數

表6 D-D′剖面(fn-1、fn-2)：k=1.05(地震工況)

圖11 D-D′剖面滑動帶k-φ關系曲線圖

3)對于第3破壞模式(上折線滑動)，選取A-A′剖面，反演滑動帶(fn-1、fn-2)參數，折線緊貼滑動帶上側，主要模擬該剖面沿滑動帶上側滑動的情況，詳細結果見表7，并得到A-A′剖面滑動帶穩定安全系數k與摩擦角φ關系曲線如圖12所示．多組滿足最低穩定要求的滑動帶力學參數組合(見表8)，經過綜合比較，此種破壞模式下的滑動帶(fn-1、fn-2)的強度組合以c取90 kPa、φ取22.5°比較合理．

表7 A-A′剖面滑動帶所確定的安全系數

圖12 A-A′剖面滑動帶k-φ關系曲線圖

φ/°22．922．822．722．622．622．5c/kPa808284868890

4)對于第4破壞模式(下折線滑動)，選取A-A′剖面，反演滑動帶(fn-1、fn-2)參數，折線緊貼滑動帶下側，主要模擬該剖面沿滑動帶下側滑動的情況，詳細結果見表9，并得到A-A′剖面滑動帶穩定安全系數k與摩擦角φ關系曲線如圖13所示．多組滿足最低穩定要求的滑動帶力學參數組合(見表10)，經過綜合比較，此種破壞模式下的滑動帶(fn-1、fn-2)的強度組合以c取90 kPa、φ取22.5°比較合理．

表9 A-A′剖面滑動帶所確定的安全系數

表10 A-A′剖面(fn-1、fn-2)：k=1.05(地震工況)

圖13 A-A′剖面滑動帶k-φ關系曲線圖

2.5 反演結果分析

對反演結果進行匯總見表11，利用四舍五入法，保守考慮最終確定：堆積物(Qdl+col)的合理抗剪參數為φ=24°、c=50 kPa，滑動帶(fn-1、fn-2)的合理抗剪參數為φ=23°、c=90 kPa．

表11 結果匯總

2.6 驗證分析

選取C-C′剖面，強度參數賦值時，將反演結果代入堆積物和滑動帶所在地層中，可得到地震工況4種破壞模式下的邊坡穩定安全系數結果統計見表12．由于取值較保守，在采用反演得出的抗剪參數計算C-C′剖面穩定安全系數時，計算得出的安全系數均大于1.05，但是差距不大．說明反演得出的結果能較真實合理地反映出反演范圍內地層參數的力學特性．

表12 C-C′剖面極限平衡計算結果

3 結 論

本文對強度參數的反演計算最終取值在設計單位所提供的建議值范圍內且比較符合工程經驗．所得結果代入其他剖面進行驗證計算時，結果合理，進一步說明了反演所得強度參數的合理性．

由于4個剖面均采取最不利的地震工況且取值保守，所以相較于反演區域強度參數的實際值，本次反演計算所選取的強度參數偏小，但考慮到后續進行的開挖加固工程會對邊坡的穩定性產生不利影響，為保證后續工程安全可靠，采取保守取值所得的最終結果較為合理可靠．

[1] 陳祖煜．土質邊坡穩定性分析-原理·方法·程序[M]．北京：中國水利水電出版社，2003：68-72．

[2] 陳祖煜．巖質邊坡穩定性分析-原理·方法·程序[M]．北京：中國水利水電出版社，2004：157-187．

[3] 李建林．邊坡工程．[M]．重慶：重慶大學出版社，2013：76-79．

[4] 劉迎曦，吳立軍，韓國城．邊坡地層參數的優化反演[J]．巖土工程學報，2001，23(3)：315-318．

[5] 強天馳．多參數優化反演分析法及其應用[J]．巖石力學與工程學報，2005，24(2)：1492-1496．

[6] 郭 靖，王樂華，趙宗勇，等．復雜化帶條件下的巖石參數反演研究[J]．水利水電技術，2012，43(3)：55-56．

[7] 陳厚群．水工建筑物抗震設計規范修編的若干問題研究[J]．水力發電學報，2011，30(6)：4-10．

ResearchonBack-analysisofSlideSurfaceStrengthParametersofaAccamulationSlopes

Li Jianglong Li Jianlin Huang Yisheng

(College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

Though the analysis of existing data, the possible failure modes of a overburden slope are sliding within the cover or sliding along the deep side of the slide. According to the geological survey data, the indoor test data and the calculation method of the slope safety factor, the parameters of the rock and soil mechanics strength parameters are analyzed inversion. The results show that the results obtained by using the parameters inversion are objective and reasonable. The stability of the results is verified by the stability calculation of other sections. This paper also provide references for the stability analysis of similar projects and the inversion calculation of intensity parameters.

hydropower station； slope stability； strength parameters of slide surface； Reverse analysis

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.05.001

2017-04-25

湖北省自然科學基金面上項目(2015CFB545)；國家自然科學基金重點項目(51439003)

黃宜勝(1978-)，男，副教授，博士，主要從事基礎力學教學和巖體力學研究．E-mail： hys2007@ctgu.edu.cn

TU43

A

1672-948X(2017)05-0001-05

[責任編輯周文凱]