可門電廠某高陡巖質邊坡穩定性研究

劉 勇,賀廣零,許 資,冷志威

(湖南三一智慧新能源設計有限公司,湖南 長沙 410000)

巖質邊坡穩定性分析一直是巖土工程領域的研究重點。我國作為基建強國,產生了許多超級工程,伴隨著這些規?？涨暗墓こ潭鴣淼倪€有高陡～超高陡巖質邊坡。這些巖質邊坡一旦變形破壞會給工程本體及周邊居民正常生活生產造成巨大影響。巖質邊坡變形破壞形式主要有崩塌、傾倒、滑移破壞(平面滑移、圓弧滑移、楔形體滑移)等[1]。在巖質邊坡破壞前對其進行穩定性分析,從而進行針對性防治,可以避免重大損失。

巖體內部存在許多不規則不連續結構面,如節理、裂隙、斷裂破碎帶及軟弱夾層等,其具體特性難以確認,加之高陡邊坡往往規模巨大,其產狀、構造多樣,給其穩定性分析帶來了巨大困難。

目前,工程中巖質邊坡穩定性分析常用有三大類方法：一種是基于巖質邊坡坡面與巖體優勢結構面產狀調查而進行的赤平極射投影法分析。一種是基于邊坡滑動面確定情況下,計算抗滑力和滑動力比值得出安全系數,以極限平衡法為代表。最后一類方法是數值分析法,建立模型,利用擴大自重法、強度折減法在邊坡處于極限狀態時得到安全系數。

可門電廠位于福州市連江縣坑園鎮,建設過程中在電廠西南角形成了一高陡邊坡,為巖質邊坡。邊坡目前沒有發生整體滑動,但淺部表層發生了大量巖體滑脫掉塊,對電廠正常生產造成了一定隱患,有必要對邊坡穩定性做出評價。

擬通過赤平極射投影法[2]、極限平衡法[3]、強度折減法[4-6]等多種方法依靠理正巖土計算軟件、Geostudio數值模擬計算軟件對該高陡巖質邊坡進行穩定性分析。

1 邊坡工程地質條件

邊坡位于構造剝蝕低丘陵坡麓,相對高差約70 m,坡角50°～70°,為巖質邊坡。坡腳現高程為8.0 m～11.62 m,邊坡高度為72.3 m。邊坡由6層馬道分割成7個臺層,臺層高度約為5.5 m～12.5 m,高寬比約為1∶0.37～1∶0.96(見圖1)。

組成邊坡巖土體自上而下為:碎塊狀強風化花崗巖,破碎,層厚約3.0 m;中等風化花崗巖,較破碎,勘察中未揭穿,厚度大于5 m。邊坡面層巖體節理裂隙發育,存在表層剝落與松動現象。

2 巖體結構特征調查

根據野外調查,高邊坡坡面產狀約為40°∠67°,高邊坡結構面有構造結構面和次生結構面,其中構造結構面以剪節理為主,產狀穩定,次生結構面主要是卸荷裂隙和風化裂隙居多。經過統計,在邊坡中普遍分布的結構面有3組:

第一組:傾向210°～217°,傾角76°～84°,主要為構造結構面,未貫穿,坡面上延伸長度較短,向坡內延伸長度短,局限于淺表層。與坡面關系為逆向,本組結構面對高邊坡穩定性影響最大。

第二組:傾向298°～315°,傾角22°～70°,主要為剪節理,未貫穿。與坡面關系為橫交,本組結構面對高邊坡穩定性影響較大。

第三組:傾向80°～90°,傾角32°～73°,主要為剪節理,大部分未貫穿。與坡面關系為斜交,本組結構面主要可能與前兩組結構面組成楔形體或者菱形塊體。

邊坡巖體為較完整較硬巖,主要結構面為非外傾結構面及外傾不同結構面組合,結合一般,綜合評定邊坡巖體類型為Ⅱ類。

對結構面測量結果分類并進行統計,制作了邊坡主要結構面的傾向玫瑰圖和傾角玫瑰圖,分別見圖2，圖3。

3 邊坡穩定性分析與評價

本邊坡存在較破碎的強風化巖體,也存在較完整的中風化巖體。對于較破碎的強風化巖體,其巖體松散,其滑面呈圓弧狀,采用簡化Bishop法進行定量計算是必要的。對于較完整的中風化巖體,其巖體較完整,滑面一般呈平面,相關規范推薦采用強度折減法進行穩定性分析。

極限平衡法與強度折減法均是基于條分法進行計算,對于較完整巖質邊坡,穩定性是由主要結構面控制,用條分法不太符合巖體結構特征。赤平極射投影法充分考慮結構面與邊坡坡面空間組合關系,基于此判定邊坡穩定性更為合理。

極限平衡法和強度折減法充分考慮巖體各部分的穩定性,且有定量結果,缺點是其假設條件與巖質邊坡結構特征不太相符。赤平極射投影法更符合巖質邊坡的實際情況,但是定性判斷缺乏直觀性。

將上述幾種方法綜合,既考慮整體又顧及局部,定量與定性分析互補,能更全面和準確地把握巖質邊坡的穩定性判斷。

3.1 赤平極射投影分析

根據邊坡坡面產狀與邊坡巖體中主要結構面的空間關系,依據赤平極射投影方法,選擇巖質邊坡中部的某典型剖面進行穩定性分析。

根據對邊坡中部統計窗主要發育結構面的調查,主要有產狀約215°∠78°,305°∠48°,85°∠32°共三組結構面,另有產狀45°∠17°左右伴生節理,高邊坡坡面產狀約為40°∠67°,邊坡該區域主要結構面和坡面赤平極射投影圖如圖4所示。

由圖4可知,主要結構面J1,J2，J3(粗實線所示)相互切割,形成了菱形塊體,結構面J4位于邊坡最底部,在實際空間中并未與以上三組結構面交匯。四組結構面的交線在圖上的投影點分別為M1,M2,M3,M4,M5,M6,圖4中摩擦圓角度為35°(點劃線所示)。

首先,從整體上分析,J1結構面對高邊坡穩定性影響最大,由圖4可見,J1結構面位于坡面的對側,說明其傾向與坡面傾向相反,屬于最穩定的結構;J2結構面對高邊坡穩定性影響較大,其傾向與坡面傾向夾角為45°,大于40°,屬于穩定結構;J1與J2結構面交線投影點M1傾向與坡面傾向夾角為108°,大于40°,亦屬于穩定結構。因此,高邊坡整體上屬于穩定結構。

其次,從局部分析,對于平面滑移[7],圖4中只有J4一組潛在滑面傾向與坡面傾向夾角為5°,不大于20°,但其傾角17°既小于坡面傾角67°,也小于內摩擦角35°,不符合平面滑移條件;另外三組潛在滑面皆不滿足平面滑移的條件。因此,該區域沒有發生平面滑移的可能性。

對于楔形滑移[8-9],圖4中有6組結構面交線,其產狀如長虛線所示,可以看出有M4,M5,M6三組交線與坡面傾向夾角不大于20°,三組交線傾角范圍皆在15°～16°,小于坡面傾角67°,但也小于內摩擦角35°,不符合楔形滑移條件,因此,該區域沒有發生楔形滑移的可能性。

對于崩塌,當巖體中發育有兩組或兩組以上的陡傾節理時,與坡面平行或接近平行的一組節理常演化為拉張裂縫,且當邊坡坡度大于45°,尤其是大于60°時,非常容易形成崩塌[10]。對于本邊坡,只有產狀約215°∠78°的J1一組陡傾結構面,且J1結構面與坡面為逆向關系。因此,巖質邊坡發生崩塌的可能性極小。

傾倒破壞多見于存在反傾結構面切割的巖質邊坡區域[11],結合本巖質邊坡結構面來看,產狀約215°∠78°的J1結構面與坡面即為反傾關系,且由于J2，J3結構面的切割,很可能導致相互切割形成的菱形塊體因重力作用發生傾倒破壞。這也與現場邊坡淺部表層產生菱形塊體滑脫掉塊現象相對應。

綜上所述,從赤平極射投影分析的結果來看,高邊坡整體上是穩定的,沒有發生平面滑移和楔形滑移的可能性,發生崩塌的可能性極小,但是邊坡淺表層可能會發生菱形塊體傾倒破壞。根據調查,這一結論與現場實際情況相符。

3.2 極限平衡法分析

對于較破碎的強風化巖體,其巖體松散,根據GB 50330—2013建筑邊坡工程技術規范推薦,采用簡化Bishop法進行計算,假定滑面呈圓弧狀。分別采用Geostudio軟件和理正巖土計算軟件進行計算。計算材料模型采用理想彈塑性本構模型:摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則。計算剖面選擇具有代表性的邊坡中部某個典型剖面。剖面如圖5所示。

依據土工試驗的相關成果以及可門電廠相近區域的巖體經驗參數,采用的計算參數見表1。

表1 邊坡穩定性計算參數表

3.2.1 簡化Bishop法原理

如圖6所示,將圓弧滑體分成n個垂直條塊,以第i條塊為例說明。

簡化Bishop法主要是忽略條塊間的剪力, 由Mohr-Coulomb準則以及Terza-ghi原理得:

(1)

其中,Ti為條底剪力;Ni為條底法向作用力;ui為條底孔隙水壓力;bi為條塊寬度;ai為條塊滑面傾角;φi為條塊底滑面摩擦角;ci為條塊底滑面黏聚力;Fs為滑面安全系數。

考慮條塊垂直方向力的平衡,得到:

Nicosai+Tisinai=Wi

(2)

其中,Wi為條塊重力。

由式(1),式(2)可得:

(3)

(4)

其中：

(5)

因未考慮水平向力的平衡,實際條塊及滑體不能滿足力矩平衡的條件,故僅考慮對圓心力矩平衡?？傻?

(6)

其中,R為滑動圓半徑。

將式(3),式(4)代入式(6),可得:

(7)

式(7)即可得到安全系數Fs。

3.2.2 Geostudio數值模擬計算

利用Geostudio軟件進行計算,在一般工況下,巖質邊坡計算模型見圖7,計算出的最危險破裂面及穩定性結果見圖8。通過計算結果可知,高邊坡的穩定性系數為1.377。

從現場的巖體特征來看,邊坡巖體為中風化花崗巖,未發現明顯的或成規模的貫穿裂縫,未發現貫通滑面,此種情況下,巖塊的抗剪強度遠高于結構面的抗剪強度,阻滑力相對下滑力會有較大余度,邊坡不會發生整體滑動。這與1.377的穩定性結果相對應。

3.2.3 理正巖土軟件計算

利用理正巖土計算軟件在一般工況下,計算出的最危險破裂面及穩定性結果見圖9。

高邊坡中部的穩定性系數為1.377。

通過圖9可以看出,最危險破裂面與穩定性計算結果與圖8幾乎一致,最危險破裂面位于中風化花崗巖層中,且穩定性系數高,表明邊坡較難沿此面剪斷從而發生滑動。

3.3 強度折減法分析

根據現場勘察,邊坡多處存在菱形體與楔形體破壞,并且存在塊體平面下滑的情況。根據規范,采用強度折減法(傳遞系數隱式解法)進行計算,假定滑面呈折線形。

3.3.1 強度折減法原理

強度折減法即對巖土體剪切強度進行折減,使折減的邊坡穩定安全系數致邊坡達到臨界破壞狀態時,折減如下:

ct=c/Ft

(8)

φt=tan-1(tanφ/Ft)

(9)

其中，c,φ分別為巖土體的黏聚力和內摩擦角;ct,φt分別為折減后的黏聚力和內摩擦角;Ft為折減系數。強度折減法的要點就是利用上述公式調整巖土體的強度指標c,φ值,然后對巖土體邊坡進行數值分析,通過不斷地增加折減系數Ft,反復分析計算,直至邊坡達到臨界破壞,此時得到的折減系數即為邊坡的穩定安全系數Fs。

3.3.2 理正巖土軟件計算

利用理正巖土計算軟件在一般工況下,計算出高邊坡的最危險破裂面及穩定性結果見圖10。

通過計算結果可知,一般工況下,高邊坡的穩定性系數為1.387。

強度折減法考慮了條塊間剩余作用力的傳導,且折線形滑面比較符合巖質邊坡的變形破壞特征,因此,計算結果能較好反映巖質邊坡平面滑移和楔形滑移的可能性。在邊坡巖性較好情況下,巖塊沿平面的抗剪斷強度較高,阻滑力大,穩定性系數高。

3.4 各種分析方法結果對比

邊坡屬于巖質邊坡,坡高大部分在30 m以上,且邊坡下部為廠內生活區,邊坡一旦破壞后果很嚴重,依據GB 50330—2013建筑邊坡工程技術規范3.2.1條[12],邊坡的工程安全等級屬于一級。邊坡穩定性驗算時,在一般工況下,本邊坡的穩定安全系數為1.35。

為準確分析高巖質邊坡的穩定性利用各種分析方法對邊坡進行了穩定性分析,分析結果如表2所示。

表2 邊坡穩定性計算結果表

通過赤平極射投影分析可知,高邊坡整體上是穩定的,沒有發生平面滑移和楔形滑移的可能性,發生崩塌的可能性極小,但是邊坡淺表層可能會發生菱形塊體傾倒破壞。

通過極限平衡法中簡化Bishop法分析,兩種計算軟件計算出來的邊坡的穩定性系數都為1.377,大于1.35,可以判定邊坡處于穩定狀態,從另一方面也可以說明巖質邊坡發生圓弧破壞的可能性較小。

通過強度折減法分析,計算出來的邊坡的穩定性系數為1.387,大于1.35,可以判定邊坡處于穩定狀態,從另一方面也可以說明巖質邊坡發生折線型破壞的可能性較小。

整體上看,各種分析方法最終得出的穩定性系數都比較接近,通過數值分析軟件得出的穩定性系數都要大于1.35,可以判定邊坡整體處于穩定狀態,但安全儲備不是很大。

4 結論

綜合上述赤平極射投影法、極限平衡法、強度折減法等多種方法依靠理正巖土軟件、Geostudio軟件對可門電廠的某高陡巖質邊坡進行了穩定性分析。分析結果表明邊坡整體處于穩定狀態,本巖質邊坡沒有發生平面滑移和楔形滑移的可能性,發生崩塌、圓弧破壞、折線型破壞的可能性較小,最有可能的破壞形式是傾倒破壞,這與現場邊坡淺部表層發生菱形塊體滑脫掉塊的實際情況相吻合。

邊坡坡面裸露時間過長,在外界的空氣、水分的作用下,巖石的風化、破碎程度加劇,建議減少邊坡暴露面和暴露時間,對坡面零星危巖、松動塊石、雜草等進行清除,依據坡高以及傾倒破壞程度的不同,對高陡邊坡不同區域提出對應的防護建議。邊坡相對高差大,坡度陡,滑脫掉塊明顯的區域建議采用掛網噴錨防護;邊坡相對高差小滑脫掉塊范圍較小的區域建議采用素噴混凝土防護。