水利工程楔形體穩(wěn)定性分析及支護(hù)優(yōu)化處理

關(guān)玉春

(福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州 362000)

0 引 言

在節(jié)理化巖質(zhì)邊坡中，由于結(jié)構(gòu)面的切割作用，楔形體破壞是一種常見(jiàn)的邊坡破壞形式。如何在眾多結(jié)構(gòu)面中尋找出優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，即對(duì)邊坡產(chǎn)生破壞性的結(jié)構(gòu)面，并且對(duì)該結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的楔形體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，判別其滑移方式，為楔形體支護(hù)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

在楔形體穩(wěn)定性分析中，在定性分析方法中赤平極射投影是一種重要的分析方法，將三維的邊坡數(shù)據(jù)投射到二維平面中，能夠直觀(guān)準(zhǔn)確地判別坡體穩(wěn)定性以及優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面。在現(xiàn)行的楔形體穩(wěn)定性分析方法中，Swedge作為一種極限平衡法分析軟件，能夠快速對(duì)四面體的楔形體進(jìn)行穩(wěn)定性分析并提供簡(jiǎn)便快捷的支護(hù)計(jì)算。

本文利用赤平極射投影對(duì)某巖質(zhì)邊坡進(jìn)行定性分析，從多組結(jié)構(gòu)面尋找出優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，并對(duì)該優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，尋找出最佳支護(hù)方式。

1 楔形體穩(wěn)定性分析

邊坡受兩個(gè)相交的結(jié)構(gòu)面切割時(shí)，構(gòu)成的可能滑移體多數(shù)是楔形體，在自重作用下，一般是由兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的組合交線(xiàn)的傾斜方向控制。

在楔形體穩(wěn)定性分析中，只考慮楔形體的幾何方向，很難準(zhǔn)確地得到楔形體安全系數(shù)。1973年，Hoek等在對(duì)楔形體極限穩(wěn)定性分析中，同時(shí)考慮了楔形體的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度和地下水分布。圖1為楔形體分析要素和水壓力分布圖。

圖1 楔形體分析要素和水壓力分布圖

根據(jù)圖1楔形體的分析要素及水壓力分布圖，將其進(jìn)行極限平衡法分析。圖2為赤平極射投影的楔形體穩(wěn)定性分析赤平極射投影圖。

圖2 赤平極射投影楔形體穩(wěn)定性分析

Hoek等所進(jìn)行的楔形體穩(wěn)定性分析，穩(wěn)定性系數(shù)FS可計(jì)算為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

ψ5=tanψacos(αa-α5)=tanψbcos(αb-α5)

(7)

式(1)～式(7)中：αa、ψa分別為結(jié)構(gòu)面A的傾向和傾角；αb、ψb分別為結(jié)構(gòu)面B的傾向和傾角；α5、ψ5為結(jié)構(gòu)面A和結(jié)構(gòu)面B的交線(xiàn)5的傾向和傾角；na,nb分別為結(jié)構(gòu)面A和結(jié)構(gòu)面B的極點(diǎn)；θ13、θ24、θ45、θ35、θna,nb分別為圖2中赤平極射投影圖交線(xiàn)的交點(diǎn)；ca,φa分別為結(jié)構(gòu)面A的黏聚力和內(nèi)摩擦角；cb、φb分別為結(jié)構(gòu)面B的黏聚力和內(nèi)摩擦角；γc為楔形體巖體容重；γw為水容重；H為楔形體高度，HCR為楔形體的臨界高度。

2 工程概況

某水利工程庫(kù)岸邊坡，坡體地質(zhì)情況復(fù)雜。結(jié)合地質(zhì)調(diào)查及相關(guān)勘探發(fā)現(xiàn)，該巖質(zhì)邊坡有多組結(jié)構(gòu)面，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體多屬于灰?guī)r和白云巖，該邊坡屬于典型的多級(jí)復(fù)雜性巖質(zhì)邊坡。圖3為該滑坡全貌圖。

圖3 滑坡全貌圖

3 赤平極射投影分析

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)技術(shù)手段分析，現(xiàn)場(chǎng)查明該坡體有8條不同發(fā)育程度的結(jié)構(gòu)面，表1為坡體及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)。利用赤平極射投影技術(shù)，對(duì)該坡體進(jìn)行定性分析，圖4為該坡體及結(jié)構(gòu)面的赤平極射投影圖。

表1 坡體及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)

圖4 坡體赤平極射投影圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該巖質(zhì)邊坡沿著某個(gè)結(jié)構(gòu)面發(fā)生順層滑移的可能性很小，最有可能發(fā)生楔形體滑移。從圖4中的坡體赤平極射投影圖中可以看出，有3組結(jié)構(gòu)面交線(xiàn)位于自然坡面與開(kāi)挖坡面之間的月牙形的區(qū)域。根據(jù)楔形體滑移原理可知，該3組結(jié)構(gòu)面組合形成的塊體最容易發(fā)生楔形體滑移。表2為根據(jù)式(6)和式(7)求解得到的結(jié)構(gòu)面交線(xiàn)的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)。

表2 結(jié)構(gòu)面交線(xiàn)的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)

根據(jù)上述對(duì)結(jié)構(gòu)面交線(xiàn)的分析，有3組結(jié)構(gòu)面交線(xiàn)容易造成坡體滑移。下面利用Swedge軟件對(duì)該坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，為楔形體支護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

4 Swedge穩(wěn)定性分析

利用極限平衡法軟件Swedge，對(duì)上述所篩選出的易發(fā)生滑移的結(jié)構(gòu)面交線(xiàn)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。該坡體結(jié)構(gòu)面屬于軟弱結(jié)構(gòu)面，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，參照相關(guān)規(guī)范，對(duì)該結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行取值，表3為結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)。

表3 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

4.1 結(jié)構(gòu)面J2和J4

對(duì)結(jié)構(gòu)面J2和J4組合進(jìn)行穩(wěn)定性分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘資料，利用Swedge進(jìn)行確定性分析。圖5為結(jié)構(gòu)面J2和J4組合楔形體滑移圖，圖6為該楔形體結(jié)果輸出。

從該結(jié)果輸出可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)面J2和J4組合時(shí)，楔形體的安全系數(shù)為1.697。該組合形式的楔形體不易發(fā)生滑移，無(wú)需對(duì)其進(jìn)行支護(hù)處理。

圖5 結(jié)構(gòu)面J2和J4組合楔形體滑移圖

圖6 結(jié)構(gòu)面J2和J4組合楔形體結(jié)果輸出

4.2 結(jié)構(gòu)面J4和J5

對(duì)結(jié)構(gòu)面J4和J5組合進(jìn)行穩(wěn)定性分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘資料，利用Swedge進(jìn)行確定性分析。圖7為結(jié)構(gòu)面J4和J5組合楔形體滑移圖，圖8為該楔形體結(jié)果輸出。

圖7 結(jié)構(gòu)面J4和J5組合楔形體滑移圖

圖8 結(jié)構(gòu)面J4和J5組合楔形體結(jié)果輸出

從該結(jié)果輸出可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)面J4和J5組合時(shí)，楔形體的安全系數(shù)為1.622。該組合形式的楔形體不易發(fā)生滑移，無(wú)需對(duì)其進(jìn)行支護(hù)處理。

4.3 結(jié)構(gòu)面J4和J8

對(duì)結(jié)構(gòu)面J4和J8組合進(jìn)行穩(wěn)定性分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘資料，該楔形體高35 m，利用Swedge進(jìn)行確定性分析。圖9為結(jié)構(gòu)面J4和J8組合楔形體滑移圖，圖10為該楔形體結(jié)果輸出。

從該結(jié)果輸出可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)面J4和J8組合時(shí)，楔形體的安全系數(shù)為1.086。根據(jù)《建筑邊坡技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)[9]的安全要求，該組合形式的楔形體易發(fā)生潛在滑移，需對(duì)其進(jìn)行支護(hù)處理。

圖9 結(jié)構(gòu)面J4和J8組合楔形體滑移圖

圖10 結(jié)構(gòu)面J4和J8組合楔形體結(jié)果輸出

5 Swedge支護(hù)分析

從以上坡體穩(wěn)定性分析結(jié)果可知，當(dāng)該坡體結(jié)構(gòu)面J4和J8組合時(shí)，該組合形式形成的楔形體易發(fā)生潛在滑移，需要對(duì)其進(jìn)行支護(hù)處理。對(duì)該楔形體支護(hù)擬采用端錨支護(hù)處理，錨桿長(zhǎng)度為20 m，設(shè)定安全系數(shù)為1.4，利用Swedge進(jìn)行優(yōu)化支護(hù)分析。圖11為錨桿支護(hù)示意圖，圖12為錨桿支護(hù)后結(jié)果輸出。

圖11 錨桿支護(hù)示意圖

圖12 錨桿支護(hù)后結(jié)果輸出

從上述結(jié)果可知，最優(yōu)化的錨桿支護(hù)產(chǎn)狀為313°∠69°，結(jié)構(gòu)面J4和J8的結(jié)構(gòu)面交線(xiàn)的產(chǎn)狀為134°∠24°，在赤平極射投影圖中，最優(yōu)化的錨桿支護(hù)位置與結(jié)構(gòu)面交線(xiàn)是垂直的，符合工程實(shí)際要求。

6 結(jié) 論

利用赤平極射投影對(duì)某巖質(zhì)邊坡進(jìn)行定性分析，從多組結(jié)構(gòu)面尋找出優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面J2和J4、J4和J5、J4和J8組合形成的楔形體易發(fā)生潛在滑移。利用極限平衡法軟件Swedge并對(duì)該3組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，求解出結(jié)構(gòu)面J4和J8組合形成的楔形體安全系數(shù)不符合規(guī)范要求，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化支護(hù)分析，確定最優(yōu)支護(hù)方案。本文分析方法對(duì)實(shí)際工程有一定的參考意義，在工程實(shí)踐中可靈活運(yùn)用。