謝紅建,萬 力

（貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,貴州 貴陽 550002）

含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性及加固分析

謝紅建,萬 力

（貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,貴州 貴陽 550002）

在進(jìn)行某水利工程壩址野外地質(zhì)勘察時(shí)，發(fā)現(xiàn)在壩址右岸邊坡中存在 3條軟弱夾層，這些夾層控制著邊坡的穩(wěn)定性。通過對(duì)軟弱夾層的調(diào)查及對(duì)該邊坡破壞模式的分析，建立了邊坡三維地質(zhì)模型，確定了巖體及控制性層面的物理力學(xué)參數(shù)。運(yùn)用數(shù)值分析方法，模擬邊坡實(shí)際的開挖和錨固過程，計(jì)算邊坡在開挖加固過程中邊坡體的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和塑性區(qū)分布、穩(wěn)定性系數(shù)等。通過分析計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)邊坡加固效果，為水電站安全運(yùn)營提供了一定的參考依據(jù)。

巖質(zhì)邊坡；弱面夾層；三維數(shù)值模擬；穩(wěn)定性；加固分析

0 引言

在西部地區(qū)，隨著建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)展，在鐵路、公路及水利水電工程等基本建設(shè)中，均涉及到巖質(zhì)邊坡的開挖和支擋。巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的計(jì)算方法包括兩類：極限平衡法和數(shù)值分析。極限平衡法主要分析巖質(zhì)邊坡在平面滑動(dòng)、楔形體滑動(dòng)、圓弧滑動(dòng)和傾倒破壞下的穩(wěn)定性系數(shù)。極限平衡法基于剛體理論，不考慮滑體的變形，并假定一定形狀的滑面進(jìn)行計(jì)算，滑面上的應(yīng)力滿足摩爾－庫侖準(zhǔn)則。而數(shù)值分析方法是通過分析邊坡中的應(yīng)力應(yīng)變特征，并應(yīng)用強(qiáng)度折減定義其穩(wěn)定性，對(duì)邊坡進(jìn)行應(yīng)力－應(yīng)變分析有利于對(duì)變形和漸進(jìn)破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí)，也有利于邊坡加固設(shè)計(jì)。數(shù)值分析方法應(yīng)用較廣的有限元法、有限差分法。

1 工程概況

某水利工程壩址右岸邊坡為順向坡，位于壩址下游，坡腳受河流切割，形成臨空面；邊坡巖體內(nèi)卸荷裂隙、層間軟弱泥化夾層發(fā)育；在壩址右岸邊坡易形成以泥化夾層為底滑面，卸荷裂隙為后緣拉裂面及側(cè)滑面的潛在不穩(wěn)定體。

邊坡無斷裂構(gòu)造切割，出露地層為中三迭統(tǒng)涼水井組（T2L）中厚至厚層塊狀灰?guī)r。據(jù)布置于右岸的平硐揭露的泥化夾層空間幾何形狀分析，夾層為層間錯(cuò)動(dòng)及溶蝕風(fēng)化作用而形成。軟弱泥化夾層順層間發(fā)育，層間泥化夾層連續(xù)性較好，向深部至弱風(fēng)化中下部逐漸尖滅，軟弱泥化夾層面具有一定起伏差，主要為夾層 J1，J4，J6，分布在坡腳位置。其中夾層 J1，J4 為泥夾巖屑型，夾層 J6 為泥化夾層。巖體的傾角為 240。

通過采用極限平衡方法計(jì)算，擬對(duì)邊坡采用清方減載和錨固相結(jié)合的方式。清方錨固的方式為：設(shè)有多級(jí)馬道，馬道高差為 10 m，開挖坡度為1∶2.5，開挖邊坡最高約 110 m，剖面采用掛網(wǎng)噴混凝土護(hù)面，并設(shè)錨桿加固，在泥化夾層部位設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固，預(yù)應(yīng)力錨索軸向拉力設(shè)計(jì)值為 160 t，間排距為 4 m。

由于邊坡巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，岸坡卸荷裂隙發(fā)育，地形地貌變化較大，開挖邊坡高，三維效應(yīng)明顯。同時(shí)需要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索加固。且距離大壩等水工構(gòu)筑物較近，易對(duì)水工建筑物安全構(gòu)成威脅。因此進(jìn)行三維條件下的邊坡穩(wěn)定性,以保證工程安全是非常必要的。

2 三維數(shù)值分析

2.1 三維計(jì)算模型

采用 flac3D 軟件進(jìn)行模擬，該程序能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞模式。根據(jù)開挖卸荷方案和支護(hù)及工程地質(zhì)條件，坐標(biāo)系以與河流流向平行且指向下游為 x軸，左側(cè)邊界壩軸線約 9 m，右側(cè)邊界距離壩軸線約 239 m。 以與河流流向垂直且指向坡頂為y軸，鉛垂方向?yàn)?z軸。計(jì)算模型沿 x向邊坡寬度為230 m，沿 y 向邊坡走向長度為 270 m，z 向邊坡底部高程為 400m。共有 219 911 個(gè)單元，83 387 個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)于三維模型，軟弱層面采用實(shí)體建模的模式，比采用接觸面更容易收斂，故本次分析采用實(shí)體模型，采用上述方法生成的空間模型，見圖 1。

圖1 邊坡的夾層分布及錨索的布置

2.2 材料的物理力學(xué)參數(shù)

巖體物理力學(xué)參數(shù)取值的原則是根據(jù)巖體室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)取值，經(jīng)綜合分析比較確定。綜合確定巖體的物理力學(xué)參數(shù)，見表 1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算假定

為便于分析計(jì)算，作出如下假設(shè)：1）巖體假設(shè)為彈塑性體，并且不考慮巖石應(yīng)變硬化（或軟化）；2）巖體為均質(zhì)、各向同性的材料，塑性流動(dòng)不改變材料的各向同性；模擬中通過巖體參數(shù)綜合考慮巖層和巖體中的結(jié)構(gòu)面、裂隙的存在與影響；軟弱層面以實(shí)際情況來模擬；3）考慮到巖石的脆性，分析中涉及到的所有物理量均與時(shí)間無關(guān)；4）由于研究區(qū)為河谷坡地，認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力已得到釋放，巖體應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，不考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響；5）在壩址進(jìn)行帷幕灌漿后，壩下游邊坡的地下水位較低，不考慮地下水影響。

2.4 邊界條件

計(jì)算模型除坡面設(shè)為自由邊界外，模型底部設(shè)為固定約束邊界，模型四周設(shè)為單向邊界。在初始條件中，不考慮構(gòu)造應(yīng)力（現(xiàn)場溝谷切割，認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力已得到釋放），僅考慮自重應(yīng)力作用下的初始應(yīng)力。即在程序中采用位移邊界條件，模型的左右（x方向）邊界、前后（y方向）邊界和底邊界均施加速度約束條件，上邊界為自由邊界。

2.5 計(jì)算過程

計(jì)算時(shí)，按下述步驟進(jìn)行：按前述約束條件，在只考慮重力作用的情況下，進(jìn)行本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb 模型的彈塑性求解，應(yīng)變模式采用小應(yīng)變變形模式，直至系統(tǒng)達(dá)到平衡，然后按設(shè)計(jì)布置錨索。Flac3D 中用最大不平衡力和典型內(nèi)力的比值 R表示模型的不平衡力的相對(duì)大小，該值為百分?jǐn)?shù)，在計(jì)算過程中總大于零，因模型不會(huì)達(dá)到絕對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，可以根據(jù)要求的精度設(shè)定 R 值，模型默認(rèn)的 R 值最小為 1e-5。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移場規(guī)律分析

圖2為開挖階段及錨固階段的 y向垂直河流向水平位移云圖。位移最大的部分集中在軟弱層面 J6 以上，其位移方向朝向河床，最大值約 2.6 cm，越遠(yuǎn)離軟弱層面，其值呈環(huán)形降低，即變形向臨空方向發(fā)展，其變形部位主要位于軟弱層以上和開挖第一階臺(tái)階以下的部分。而在錨固階段，由于錨索的作用，出現(xiàn)了 y 方向位移向坡體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，只是位移不是太大，在 1～2 mm 間，但在整個(gè)錨固區(qū)都出現(xiàn)該現(xiàn)象，說明錨索減少了向河床方向運(yùn)動(dòng)的位移。

3.2 應(yīng)力及塑性區(qū)分布規(guī)律分析

邊坡在陡峭的位置和軟弱夾層上部的位置出現(xiàn)較大范圍的拉應(yīng)力，這種拉應(yīng)力分布與軟弱層面關(guān)系較大，這也與邊坡容易產(chǎn)生拉裂縫相吻合。在錨固階段，錨索作用在坡體后，產(chǎn)生拉應(yīng)力的位置變小，且有些位置由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，說明錨索增加了該方向的約束，提高了邊坡的穩(wěn)定性。

圖2為開挖階段和錨固階段剪切屈服區(qū)域和拉伸屈服分布圖。從開挖階段剪切塑性屈服區(qū)域的分布可以看出，它們均處于軟弱層面附近，主要位于軟弱層面 J1，J4 上部及 J6 靠近上游的位置，軟弱層面 J1，J4 位于邊坡下部，剪應(yīng)力集中。這說明軟弱層面巖體在壓應(yīng)力作用下發(fā)生了剪切屈服。而在邊坡表面卸荷帶及軟弱層面附近均產(chǎn)生大量的拉伸屈服區(qū)，拉伸屈服容易產(chǎn)生拉裂縫，這和此邊坡的實(shí)際情況是相符合的。故邊坡的破壞形式為底部軟弱層面因剪切屈服產(chǎn)生蠕滑，進(jìn)而對(duì)軟弱層面尖滅位置（鎖固段）產(chǎn)生拉伸作用，加劇了卸荷裂隙產(chǎn)生的拉裂縫，進(jìn)而產(chǎn)生破壞作用。

而在加錨索后，屈服區(qū)的范圍急劇減少，屈服區(qū)僅位于 J6 靠近上游的位置，表明錨索有利于提高軟弱層面的法向應(yīng)力，進(jìn)而提高其抗剪能力。同時(shí)錨索沿層面方向的分力也減少了下滑力，表明錨索支護(hù)效果明顯。

圖2 開挖階段和錨固階段 y方向（垂直河流）的位移

圖3 開挖階段和錨固階段屈服區(qū)分布

3.3 錨索受力分析

錨索自由段的錨固力為 139.6 t，小于施加的錨固力 160 t，主要是錨索有向坡體內(nèi)的位移，造成錨索錨固力的減少。

3.4 邊坡整體破壞趨勢分析

對(duì)邊坡進(jìn)行強(qiáng)度折減法的安全系數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)其邊坡的破壞受軟弱夾層的控制，邊坡的變形破壞機(jī)制為滑移－拉裂。錨固后的穩(wěn)定性系數(shù)可以達(dá)到 1.41，較二維分析的 1.17 大。盡管二維和三維計(jì)算在參數(shù)相同下無可比性，但通過穩(wěn)定性系數(shù)可以看出，邊坡的三維效應(yīng)突出。臨近破壞時(shí)的屈服區(qū)分布見圖 4。主要破壞形式為坡體上部產(chǎn)生大量的拉伸屈服，在軟弱層面產(chǎn)生剪切屈服，同時(shí)錨索也產(chǎn)生屈服。

圖4 邊坡錨固后臨近破壞時(shí)的屈服區(qū)分布

4 結(jié)語

模擬三維地質(zhì)條件下含層間軟弱泥化夾層及邊坡開挖、錨索施加后的邊坡穩(wěn)定，得出以下結(jié)論和建議：

1）錨索產(chǎn)生作用后，坡體位移和塑性區(qū)變小，反映錨索增加了邊坡的約束，提高了邊坡的穩(wěn)定性。

2）邊坡的變形破壞機(jī)制為滑移－拉裂，卸荷錨固是很合理的方案。

3）盡管在相同參數(shù)的條件下，由于邊界條件不同，巖質(zhì)邊坡的二維和三維計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)沒有可比性，但三維邊坡的空間效益仍然很突出。

4）建議壩肩的帷幕灌漿，應(yīng)考慮兼有以下功能：降低右側(cè)邊坡巖體的地下水位，防止水庫運(yùn)行后地下水位抬高導(dǎo)致泥化夾層浸水而使其強(qiáng)度降低，及可能產(chǎn)生的泥化層在高水頭下的沖刷流失。

［1］張倬元，王蘭生，王士天，等．工程地質(zhì)分析原理［M］．北京：地質(zhì)出版社，1997.

［2］孫廣忠.巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1998.

［3］陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D 基礎(chǔ)與工程實(shí)例［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［4］中國巖土錨固工程協(xié)會(huì)．巖土錨固新技術(shù)［M］．北京：人民交通出版社，1998.

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