某水庫巖質邊坡三維離散元穩定性分析

文 新,曹東勇,安亞杰

(1.中國地質大學(武漢)工程學院,湖北 武漢 430074；2.河南省水利勘測有限公司,河南 鄭州 450008)

1 引言

隨著大規模水利工程的建設,工程開挖往往形成高陡巖質邊坡,一旦邊坡發生失穩破壞將會造成嚴重經濟損失。例如1989年云南漫灣水電站在開挖左壩肩過程中發生滑坡,滑坡體積達到10.8×104m3,導致水電站延遲一年發電,直接經濟損失超過1億元[1]。邊坡巖體由結構面和它所圍限的結構體組成,結構面是巖體內形成的具有一定延伸方向、長度和規模的地質界面或帶,例如層面、斷層、節理、裂隙等。巖質邊坡穩定性除受到工程地質條件、巖石物理力學性質、天然應力、地下水和外部荷載作用影響外,主要受巖體結構面控制[2]。

目前巖質邊坡穩定性分析主要有定性分析法和定量分析法。定性分析法通過研究邊坡巖體結構、地質構造等,結合邊坡成因及演化規律,定性地闡釋邊坡可能發生的變形破壞方式。常見的定性分析法有工程地質類比法、自然歷史分析法、模型試驗法和圖解法等[3]。

定量分析法包括極限平衡法和數值分析法兩類。數值分析法中,有限元法(FEM)、邊界元法(BEM)和有限差分法(FLAC)對連續介質比較適用。而離散單元法將巖體離散為塊體單元,允許單元自由移動和離開,可以真實模擬裂隙巖體內部應力應變狀態,分析結果更為可靠[4]。

本文以某水庫巖質邊坡為研究對象,在現場工程地質調查基礎上,統計分析了邊坡優勢結構面產狀,對巖體進行質量分級,提出了巖體和結構面的物理力學參數。運用赤平投影法分析了邊坡可能發生的破壞模式,采用3DEC軟件分別分析了邊坡在自然、暴雨和地震不同工況下發生平面滑動、楔形體滑動的穩定性,對邊坡穩定性進行綜合評價。

2 邊坡工程地質條件

邊坡坡高60m,坡面傾向135°,開挖有5級馬道,坡角為63°。典型剖面的工程地質剖面圖見圖2.1所示。

圖2.1 邊坡典型剖面工程地質剖面圖

邊坡區歷史上從未發生過三級以上地震,屬于構造穩定區,不考慮初始地應力作用。根據邊坡鉆孔顯示,邊坡地下水位較低,在自然狀態下巖體裂隙內未見滴水,故自然狀態下不考慮地下水作用。

表2.1 邊坡巖石物理力學參數

3 結構面特征與巖體質量分級

3.1 邊坡優勢結構面分組

邊坡巖體發育有十幾條長數米、寬0.1～1m不等的斷層,斷層面張開,一般較粗糙,且分布有斷層角礫巖,部分已風化。巖體還發育有幾十條裂隙,長度在十幾厘米至3米之間,寬度一般在3mm以內,裂隙面微張開,粗糙不平,有充填物,充填物多為泥質、鐵質、鐵錳質薄膜。

繪制了結構面的玫瑰花圖和極點等密度圖,見圖3.1和圖3.2所示。

圖3.1 結構面玫瑰花圖

圖3.2 結構面極點等密度圖

得出優勢結構面有五組,產狀見表3.1所示。

表3.1 邊坡優勢結構面產狀

3.2 邊坡巖體質量分級

采用國標《工程巖體分級標準》(GB50218-94)提出的二級分類對邊坡巖體進行質量分級[5],見式(3-1)。其中,σcw為巖塊飽和單軸抗壓強度,Kv為巖體完整性系數[6][7]。算得邊坡安山玢巖BQ值為356.8,屬于Ⅲ級巖體,巖體為碎裂結構。

BQ=90+3σcw+250Kv

(3-1)

3.3 邊坡巖體和結構面物理力學計算參數

結合室內試驗和工程地質類比,邊坡巖體和結構面的物理力學參數計算建議值見下表3.2和3.3。

表3.2 邊坡巖體物理力學參數

表3.3 邊坡結構面物理力學參數

4 邊坡變形破壞模式

采用赤平投影法,做出邊坡結構面和坡面的赤平投影圖,五組結構面交線的產狀見圖4.1所示。

圖4.1 邊坡結構面赤平投影圖

分析可知,邊坡可能沿著J1結構面(190°∠55°)發生平面滑動,還可能沿著J1、J4結構面交線I14發生楔形體滑動。

5 3DEC數值分析

5.1 原理與方法

采用3DEC軟件分析邊坡穩定性,可以得到任意單元的位移和應力。在計算時,對結構面的摩擦角φ和粘聚力с進行折減。剛開始,折減系數取值比較小,結構面抗剪強度較大。隨后逐步增大折減系數,結構面抗剪強度逐步較小,直到邊坡巖體剛好發生失穩破壞時終止折減。取實際抗剪強度與此時折減的抗剪強度之比為邊坡穩定的安全系數[8]。

5.2 模型建立

用3DEC建立考慮風化帶和5組優勢結構面的邊坡地質力學模型,其它結構面反映在巖體計算參數的弱化上。假定結構面無限延伸且剪出口位于坡角處。模型計算范圍長300m、寬50m、最高點高114.04m。計算采用莫爾-庫侖屈服條件的彈塑性模型,模型X軸指向坡面傾向方向,Y軸與坡面走向平行,Z軸豎直向上。

5.3 計算工況

選取自然狀態、暴雨及地震3種工況,分別分析邊坡發生平面破壞和楔形體破壞的穩定性。在暴雨工況下,結構面強度指標按照自然狀態下80%計算。在地震工況下,按照邊坡區基本地震烈度為Ⅵ度計算,增加一個指向坡面傾向方向的水平地震加速度,地震加速度取0.05g。

5.4 邊界條件

在X方向固定模型的左右邊界,在Y方向上固定模型的前后邊界,在Z方向固定底面邊界,同時將頂面視作自由邊界。Z方向還施加一個與坐標軸方向相反的重力加速度,大小取值9.8m/s2。

5.5 結算結果

以邊坡在天然狀態下發生楔形體滑動為例,邊坡的應力和位移圖見5.1-5.4所示。

圖5.1 邊坡天然狀態下楔形體滑動最大主應力分布圖

圖5.2 邊坡天然狀態下楔形體滑動最小主應力分布圖

圖5.3 邊坡天然狀態下楔形體滑動X軸向位移圖

圖5.4 邊坡天然狀態下楔形體滑動Z軸向位移圖

由圖可知,邊坡最大主應力值從邊坡底部到頂部逐漸減小,最大值約為14.514MPa,位于邊坡山脊底部處。最大主應力在邊坡表面產生了拉應力,大小在0～0.004MPa左右。最小主應力值從坡腳到坡頂也逐漸減小,最大值約為4.771MPa,位于邊坡山脊底部處。最小主應力在邊坡坡面處也產生了拉應力,大小在0～0.004MPa左右。

X軸向位移呈現出坡面中間最大、坡頂和坡腳逐漸減小的特點,最大位移約10.29cm位于邊坡坡面中部馬道處。Z軸向位移隨高程的增大而增大,最大位移約12.207cm。

經過強度折減法穩定性計算,得出自然工況下邊坡楔形體破壞的穩定性系數為1.18。

3DEC軟件分析了邊坡在自然狀態、暴雨和地震工況下的應力、位移場,計算了邊坡的穩定性系數,其余工況和破壞模式下的穩定性系數見表5.1。

表5.1 邊坡不同工況下穩定性系數

6 結論

根據《建筑邊坡工程技術規范)(GB 50330-2013),邊坡安全等級為一級,邊坡保持穩定的安全系數為1.35。邊坡在自然狀態、暴雨和地震工況下穩定性系數均低于保持穩定的安全系數,邊坡在局部地區產生拉應力,邊坡極有可能發生平面滑動和楔形體滑動破壞,暴雨和地震作用下會加速破壞。

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