游 湘,楊 濤,張 旻,楊鵬飛
(1.中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,成都 610072;2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,成都 610031)
錦屏一級(jí)水電站壩區(qū)兩岸山體雄厚,谷坡陡峻,基巖裸露,相對(duì)高差千余米,為典型的深切“V”形谷。巖層走向與河流流向基本一致,右岸為順向坡。壩址區(qū)右岸谷坡巖體由雜谷腦組第二段(T2-3Z)3-8層大理巖、角礫狀大理巖組成,層面裂隙及層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶較發(fā)育。
岸塔式6孔電站進(jìn)水口與1孔泄洪洞進(jìn)口前緣位于壩前右岸普斯羅溝下游溝壁,呈一字形布置。為改善進(jìn)水條件,經(jīng)水力學(xué)試驗(yàn)研究,上游溝壁巖體需開挖掉一部分形成引渠。引渠邊坡開挖坡比1∶0.18,邊坡開口線1 920 m,開挖底高程1 777 m。該部位地形陡峻,技施設(shè)計(jì)前一直未布置實(shí)物勘探。設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)測(cè)的失穩(wěn)滑移模式是以第6層層面邊界(高程1 887 m)為底滑面的順層滑動(dòng)??紤]在1 887 m高程以上(T2(6)2-3z層Ⅳ類巖石)布置錨索T=200 t,間排距5 m。開挖工程于2005年9月開工。
隨著引渠邊坡開挖、監(jiān)測(cè)交通洞兼勘測(cè)平洞以及施工支洞開挖的不斷揭露,泄洪洞引渠邊坡發(fā)育有f13,fyj6,fXD5,f8SZ-1,f8SZ-2,f8SZ-3共6條斷層,gyj2,gyj3~7,g8sz-1,gXN2,gXN4等多條層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶。這些斷層和層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶構(gòu)成引渠邊坡不同高程、不同部位控制開挖邊坡穩(wěn)定性的主要結(jié)構(gòu)面。因此施工期根據(jù)不斷揭露的地質(zhì)條件,進(jìn)行了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)研究。引渠開挖邊坡動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)調(diào)整后平面及剖面如圖1所示。
2006年10月,右岸進(jìn)水口引渠邊坡監(jiān)測(cè)交通洞兼勘測(cè)平硐已開挖完成,引渠內(nèi)側(cè)邊坡1 860 m高程以上已部分開挖。根據(jù)揭示的地質(zhì)資料分析,引渠邊坡發(fā)育一系列的層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶,構(gòu)成了破壞的底滑面,主要以底滑面gyj3(推測(cè)出露高程1 800~1 815 m)、后緣拉裂面fyj6,第③組裂隙為側(cè)裂面組合成為控制性塊體。潛在失穩(wěn)塊體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與底滑面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值密切相關(guān)。實(shí)際結(jié)構(gòu)面,無(wú)論是充填物還是連通率均不規(guī)則,因此需要結(jié)合反演分析,綜合確定結(jié)構(gòu)面計(jì)算參數(shù)。
建立邊坡的三維幾何計(jì)算模型如圖2。按照f(shuō)yj6和gyj3的位置固定,第③組裂隙的位置采用間距為20 m進(jìn)行搜索,共搜索得到潛在失穩(wěn)滑塊5個(gè)。經(jīng)計(jì)算對(duì)比,滑塊1的穩(wěn)定性最差,因此以滑塊1為對(duì)象,反算其滑面參數(shù)。按暴雨工況下滑塊安全系數(shù)為1.05,反算得到層間擠壓帶gyj3抗剪強(qiáng)度參數(shù)為:c=115 k Pa,φ=31°。
圖1 引渠開挖邊坡平面及剖面Fig.1 Plane view and profile of the intake slope
圖2 三維計(jì)算模型Fig.2 Three-di mensional computation model
根據(jù)反算參數(shù)采用三維剛體極限平衡分析[1-2]方法計(jì)算工程邊坡需加強(qiáng)錨固設(shè)計(jì)如下:在高程1 917 m以上設(shè)置7排錨索T=200 t,L=35~55 m,排距5.00 m。在高程1 814 m~1 917 m間設(shè)置錨索T=300 t,L=45~100 m,間排距5.00 m。在滑塊1的自然臨空面部位還增加了錨索7根T=100 t,L=30~35 m。
2007年8月,引渠邊坡開挖至1 860 m高程時(shí),在坡體內(nèi)8號(hào)施工支洞開挖中揭露出層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶g8sz-1,其產(chǎn)狀 N40°~60°E/N W∠30°~50°,根據(jù)產(chǎn)狀推測(cè)g8sz-1可能在引渠開挖邊坡上約1 780 m高程附近出露,以底滑面g8sz-1、后緣拉裂面fyj6,第③組裂隙為側(cè)裂面組合構(gòu)成控制引渠邊坡穩(wěn)定的塊體。推測(cè)的g8sz-1的產(chǎn)狀是一個(gè)范圍,因此需要對(duì)其底滑面產(chǎn)狀進(jìn)行敏感性分析,以確定引渠邊坡破壞的潛在失穩(wěn)塊體的穩(wěn)定性。
計(jì)算方案及相應(yīng)的分析結(jié)果如表1所示。走向按10°間距劃分,傾向按5°間距劃分,二者組合構(gòu)成底滑面的產(chǎn)狀,據(jù)此確定g8sz-1的計(jì)算產(chǎn)狀,與fyj6、第③組裂隙組合進(jìn)行滑塊搜索,并分析滑面產(chǎn)狀對(duì)塊體穩(wěn)定性的影響。搜索的滑塊中,選取體積最大的滑塊進(jìn)行分析,按2.1節(jié)方法反算得到gyj8抗剪強(qiáng)度參數(shù)為c=150 k Pa,φ=31°。
表1 各種產(chǎn)狀組合的滑塊形態(tài)Table 1 For ms of sliding blocks with various occurrence combination
底滑面產(chǎn)狀對(duì)其穩(wěn)定性有較大的影響,如圖3所示。底滑面產(chǎn)狀位于區(qū)域ABCD內(nèi)時(shí),需要增加坡面支護(hù)力,才能保證工程邊坡的穩(wěn)定。當(dāng)?shù)谆孀呦驗(yàn)镹60°E,與工程邊坡走向基本一致時(shí),是最不利的情況,而當(dāng)傾角為35°時(shí),為最危險(xiǎn)情況,現(xiàn)有支護(hù)不足以保證工程邊坡穩(wěn)定,所需錨固力相當(dāng)大,需首先考慮優(yōu)化邊坡體型,盡量避免g8SZ-1在開挖坡面出露。
圖3 可能失穩(wěn)的底滑面產(chǎn)狀范圍Fig.3 Scope of possible unstable bottom surface
結(jié)合進(jìn)口水力學(xué)試驗(yàn)成果分析引渠邊坡開挖體型有優(yōu)化的余地,將原設(shè)計(jì)的1 827.00 m高程直線段引渠邊坡在樁號(hào)引0+30 m位置調(diào)整為圓弧形開挖,調(diào)整后的體型開挖平剖面如圖1。從而避免了擠壓錯(cuò)動(dòng)帶g8SZ-1在開挖坡面出露的可能性或增加了其外側(cè)的巖體厚度,對(duì)提高邊坡的穩(wěn)定性大有益處。
3.3.1 計(jì)算模型
三維幾何模型如圖4(a),真實(shí)再現(xiàn)了計(jì)算區(qū)域復(fù)雜的地形地貌、控制性結(jié)構(gòu)面。控制性結(jié)構(gòu)面包括:fyj6,g8sz-1、第 ③ 組 結(jié) 構(gòu) 面 (N60°~80°W/NE(SW)∠70°~80°)。采用遍布節(jié)理模型來(lái)模擬,節(jié)理模型的產(chǎn)狀采用第③組結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。在幾何模型的基礎(chǔ)上,建立有限元計(jì)算模型如圖4(b)。為較好地模擬復(fù)雜的地質(zhì)因素,模型全部采用四面體單元進(jìn)行離散。計(jì)算域共剖分了167 526個(gè)單元,30 484個(gè)節(jié)點(diǎn)。
根據(jù)模型所處的地形地貌條件、河谷對(duì)稱性及邊坡荷載方向,模型邊界條件順河向邊界(X向)、橫河向邊界(Y向)和底部邊界(Z向)分別取法向支座。
3.3.2 計(jì)算參數(shù)
數(shù)值分析采用了國(guó)際通用巖土分析軟件FLAC3D。根據(jù)計(jì)算域的地質(zhì)情況,按巖體分級(jí)分區(qū)選擇材料。采用彈塑性本構(gòu)模型,屈服準(zhǔn)則選用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則。材料參數(shù)如表2所示。
表2 巖體力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of rock mass
3.3.3 坡體變形分析
3.3.3.1 塊體分區(qū)分析
開挖未加支護(hù)前的坡體位移增量如圖5(a),開挖后坡體變形僅局限在工程邊坡為臨空面的有限范圍內(nèi)。盡管fyj6和g8sz-1圍限了較大區(qū)域的巖體,從剛體極限平衡的角度分析,這一部分巖體均有失穩(wěn)可能,但由于第③組結(jié)構(gòu)面的存在,致使?jié)撛谑Х€(wěn)塊體的邊界不完全由fyj6和g8sz-1所構(gòu)成,第③組結(jié)構(gòu)面成為局部失穩(wěn)塊體的上游邊界。
從圖5(b)暴雨工況所示的塑性區(qū)分布來(lái)看,工程邊坡附近巖體具有大片貫通的塑性區(qū),顯示了自工程開挖以來(lái),該部分巖體受擾動(dòng)最明顯,在各工況應(yīng)力調(diào)整的過(guò)程中,正在或者曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)塑性流動(dòng)。在塊體上游側(cè),底滑面部位的巖體發(fā)展成為塑性區(qū),其上部巖體仍處于彈性,值得注意的是,在上游側(cè)g8sz-1出露的轉(zhuǎn)折處,其上部巖體沿第③組結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀方向發(fā)展成為貫通的塑性區(qū)。由此將塊體劃分為下游側(cè)的潛在失穩(wěn)塊體一和上游側(cè)的潛在失穩(wěn)塊體二。
圖4 邊坡計(jì)算模型Fig.4 Computation model of intake slope
圖5 有限元計(jì)算結(jié)果Fig.5 Result of finite element calculation
3.3.3.2 加固方案分析
為保證下游滑塊的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,按本文第2章三維剛體極限平衡分析方法復(fù)核原2.2節(jié)加強(qiáng)錨固設(shè)計(jì)方案,邊坡安全系數(shù)滿足規(guī)范要求,體型優(yōu)化后不需再增加支護(hù)。
為保證邊坡的永久運(yùn)行安全,本文還采用滑面單元點(diǎn)安全系數(shù)分布來(lái)評(píng)價(jià)支護(hù)方案的加固效果,并從提高滑面點(diǎn)安全系數(shù)的角度對(duì)各種錨索布置方式進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。點(diǎn)安全系數(shù)[3]定義如下:
數(shù)值計(jì)算過(guò)程中,滑面上一點(diǎn)達(dá)到塑性破壞,只表明該點(diǎn)在最危險(xiǎn)截面上的正應(yīng)力和垂直該正應(yīng)力平面上的最大剪應(yīng)力間滿足屈服準(zhǔn)則。只有當(dāng)所有滑帶單元垂直滑面的正應(yīng)力和平行滑動(dòng)方向的剪應(yīng)力間都滿足屈服條件時(shí),滑坡才會(huì)整體失穩(wěn)。該點(diǎn)在滑動(dòng)方向的抗剪強(qiáng)度由下式確定:
式中:τu,σn分別為滑面上滑動(dòng)方向上的抗剪強(qiáng)度和垂直滑面的正應(yīng)力(拉為正),c,φ分別為滑帶材料的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。
滑面該點(diǎn)的安全系數(shù)定義為
滑坡的整體安全系數(shù)定義為
計(jì)算結(jié)果表明:若上部強(qiáng)支護(hù),則滑面點(diǎn)安全系數(shù)基本沒(méi)有提高,若中部強(qiáng)支護(hù),滑面點(diǎn)安全系數(shù)有一定提高,若下部強(qiáng)支護(hù),滑面點(diǎn)安全系數(shù)提高最大。未支護(hù)時(shí)滑面點(diǎn)安全系數(shù)及其位移矢量計(jì)算成果如圖6(a),滑塊內(nèi)側(cè)沿線點(diǎn)安全系數(shù)較小,局部小于1,最小值為0.933。圖6(b)示出了坡面平均布置錨索時(shí)滑面點(diǎn)安全系數(shù)的分布特征,工程邊坡開挖面一側(cè)點(diǎn)安全系數(shù)有極大提高,最大達(dá)1.712,滑面整體安全系數(shù)達(dá)到1.316。
模型計(jì)算取邊坡1-1剖面(見(jiàn)圖1中位置)。模型采用四面體單元進(jìn)行離散。計(jì)算域共剖分了2 851個(gè)單元,5 890個(gè)節(jié)點(diǎn),單元網(wǎng)格劃分如圖7。
圖6 點(diǎn)安全系數(shù)分布Fig.6 Distribution of the safety factor of sliding surface point
圖7 有限元網(wǎng)格劃分Fig.7 Finite element meshes
連通率即結(jié)構(gòu)面被斷層貫通的程度,也就是斷層在結(jié)構(gòu)面中所占的比例。結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)受連通率影響,按巖體力學(xué)參數(shù)和斷層力學(xué)參數(shù)的加權(quán)平均來(lái)計(jì)算更加合理。根據(jù)前期地質(zhì)資料確定斷層和巖體的c和φ值,再通過(guò)修改連通率得到新的c值和φ值作為結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù),根據(jù)邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值與不同連通率所對(duì)應(yīng)的計(jì)算值之間的接近程度,取二者最接近時(shí)的連通率所對(duì)應(yīng)的c值和φ值作為結(jié)構(gòu)面的計(jì)算參數(shù),即求得待反演參數(shù)。
通過(guò)Flac3d軟件求得的在不同連通率下多點(diǎn)位移計(jì)孔口和距孔口最深處的相對(duì)位移在多點(diǎn)位移計(jì)方向的投影位移,分別如表3所示。
表3 Flac 3d反演計(jì)算結(jié)果Table 3 Result of Flac 3d inversion calculation
根據(jù)監(jiān)測(cè)資料,孔口處和距孔口最深處的相對(duì)位移為0.89 mm,故當(dāng)連通率等于0.43時(shí),最為接近實(shí)際位移。通過(guò)反演的連通率計(jì)算斷層和底滑面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為c=373.8 k Pa和φ=28.55°。
在反演結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,各滑塊底滑面的c值和φ值與反演參數(shù)相等,計(jì)算結(jié)果如表4所示。最不利塊體組合為gyj3+fyj6,在最不利地震荷載(0.269 g)作用下,塊體安全系數(shù)為1.069,塊體穩(wěn)定性能夠得到保障。
表4 1-1剖面工程邊坡的穩(wěn)定性分析Table 4 Slope stability analysis f or pr ofile 1-1
錦屏一級(jí)水電站右岸進(jìn)水口引渠邊坡為高陡順層巖石邊坡,邊坡后緣發(fā)育陡傾的fyj6斷層,是潛在失穩(wěn)塊體的后緣面,層間擠壓帶發(fā)育,構(gòu)成了潛在失穩(wěn)塊體的底滑面。但層間擠壓帶的發(fā)育位置和產(chǎn)狀、連通率等復(fù)雜多變,施工前期無(wú)法準(zhǔn)確定量評(píng)價(jià)塊體穩(wěn)定性。施工期設(shè)計(jì)遵循了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)原則,保障了工程邊坡的安全。
(1)2006年10月,開挖揭示邊坡體主要以底滑面gyj3為控制性結(jié)構(gòu)面,論文討論了底滑面參數(shù)的確定方法以及相應(yīng)的塊體穩(wěn)定性。建立邊坡的三維計(jì)算模型,采用搜索方法,確定出潛在失穩(wěn)滑塊。按暴雨工況下滑塊安全系數(shù)為1.05反算得到底滑面gyj3的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為:c=115k Pa,φ=31°。據(jù)此對(duì)塊體加強(qiáng)錨固設(shè)計(jì)。
(2)2007年8月,坡體開挖至1 860 m高程時(shí),揭露出控制性底滑面g8sz-1,其產(chǎn)狀有一定的變化范圍,論文對(duì)此進(jìn)行了敏感性分析,提出了不利產(chǎn)狀區(qū)域,據(jù)此優(yōu)化了邊坡開挖體型,避免了擠壓錯(cuò)動(dòng)帶g8SZ-1在開挖坡面出露的可能性或增加了其外側(cè)的巖體厚度。并建立三維幾何及數(shù)值計(jì)算模型,分析優(yōu)化體型后的坡體變形特征和支護(hù)方案評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)g8sz-1的產(chǎn)狀研究和開挖體型優(yōu)化,避免了再次增加大量的支護(hù)措施,從而節(jié)約了工程投資。
(3)為確保邊坡穩(wěn)定安全,邊坡施工完建后開展了監(jiān)測(cè)資料的反饋分析。利用多點(diǎn)位移計(jì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果,通過(guò)比較計(jì)算位移和監(jiān)測(cè)位移,綜合支護(hù)效果、結(jié)構(gòu)面特性等,反演出結(jié)構(gòu)面的等效抗剪強(qiáng)度參數(shù)為:c=373.8 k Pa和φ=28.55°,據(jù)此評(píng)價(jià)了引渠邊坡施工完建后是穩(wěn)定安全的。
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