[摘要]本文論述了石別水電站進(jìn)水口邊坡的特征,采用剛體極限平衡法對邊坡進(jìn)行數(shù)值仿真分析,評價邊坡在天然與開挖無支護(hù)、加支護(hù)及電站正常運行等工況下的穩(wěn)定性分析及評價,并對各典型剖面進(jìn)行加固措施研究和支護(hù)方案設(shè)計,使邊坡治理更趨科學(xué)合理。
[關(guān)鍵詞]石別水電站 進(jìn)水口邊坡 計算模型 地質(zhì)參數(shù) 穩(wěn)定性計算 防治方案
1、工程概況
引水隧洞布置在壩址左岸,進(jìn)水口邊坡地形在上部岸坡較緩,自然坡度為12°~16°;公路下方岸坡較陡,自然坡度為35°~42°。邊坡無基巖出露,經(jīng)鉆探揭露,覆蓋層為第四系殘坡積碎石土,厚度為10.8~12.6m。下伏地層為二疊系上統(tǒng)玄武巖組(P2β)玄武質(zhì)凝灰?guī)r,全風(fēng)化帶厚4~5m,強(qiáng)風(fēng)化層厚4~8m,弱風(fēng)化帶厚7~9m。
取水口邊坡高達(dá)40m,屬于較高的巖土合邊坡,邊坡分三臺開挖,開挖坡比從上往下分別為1:1,1:0.75和1:0.5。邊坡的穩(wěn)定性對工程而言至關(guān)重要,本文運用專業(yè)軟件就施工期、運行期及地震作用等多種復(fù)雜工況對沉砂池邊坡二維典型剖面的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,評價在當(dāng)前設(shè)計開挖坡比情況下邊坡靜力工況下的穩(wěn)定安全度及建議支護(hù)方案的效果。
2、計算基本原理
假定巖土體的破壞是由于滑體內(nèi)滑面上發(fā)生滑動而造成的,滑動體被看成是剛體,不考慮其變形,滑面上巖土體處于極限平衡狀態(tài),并滿足摩爾—庫倫準(zhǔn)則�；娴男螤羁梢詾槠矫�、圓弧面、對數(shù)螺旋面或其它不規(guī)則面,然后通過由滑裂面形成的隔離體的應(yīng)力平衡方程,確定滑裂面上安全系數(shù)Fs的大小。其中安全系數(shù)Fs值最小的滑面就是最危險滑動面,其對應(yīng)的安全系數(shù)值即為該邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)值。
根據(jù)摩爾-庫倫條件應(yīng)有:
由每一土條豎向力的平衡得
聯(lián)合兩式:得出
按滑動體對圓心的力矩平衡
可有
上式右端的Ni需要按式(2-3)進(jìn)行計算。由于公式兩端均含有Kc,故需要迭代求解。
3、計算模型、計算參數(shù)及計算工況確定
3.1計算模型的建立
根據(jù)水工設(shè)計布置,結(jié)合邊坡地質(zhì)條件,本此研究選取坡高最大的典型邊坡剖面(Ⅶ-Ⅶ)采用Slide巖土邊坡分析軟件進(jìn)行典型剖面穩(wěn)定性分析。典型剖面的工程地質(zhì)剖面圖見《進(jìn)水口邊坡工程地質(zhì)剖面圖(Ⅶ-Ⅶ)》,并據(jù)此建立了二維剛體極限平衡法計算模型,剖面模型如圖1所示。根據(jù)邊坡地質(zhì)特征及巖土體分層情況,選取沖坡積層、崩坡積層、下伏基巖的全、強(qiáng)、弱風(fēng)化、微至新鮮程度作為分區(qū)邊界建立軟件二維剛體極限平衡法計算模型,Slide提供模型的基本框架并將模型的左右邊界和底邊界設(shè)置為約束邊界。
3.2計算參數(shù)及計算要求
在靜動力計算中,邊坡巖(土)體均采用彈塑性模型,巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。
石別水電站為清水江水電開發(fā)的第三級,為小(1)型工程,以發(fā)電為主。各建筑物級別分別為:永久性主要建筑物為4級,次要建筑物為5級。根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5353-2006)第5.0.1、5.0.4條規(guī)定,本工程邊坡屬A類樞紐工程區(qū)邊坡,其級別為Ⅲ級。持久工況下設(shè)計安全系數(shù)應(yīng)不低于1.05,短暫工況下安全系數(shù)不低于1.05,偶然工況下安全系數(shù)應(yīng)不低于1.00。
3.3計算荷載及計算工況
邊坡設(shè)計需考慮的荷載包括自重、岸邊外水壓力、地下水壓力、加固力、地震作用等。
巖(土)體的自重地下水位以上采用天然重度,在地下水位以下,則應(yīng)根據(jù)計算方法正確選擇。坡體上的建筑物作坡體自重計。邊坡各部位地下水壓力應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)資料和地下水位長期觀測資料確定。采用地下水最高水位作為持久狀態(tài)水位。電站擋水建筑物為四級,50年超越概率10%的場地地表峰值加速度為0.05g,相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。
3.4計算假定
在邊坡的穩(wěn)定性模擬分析中,作如下假定:
(1)按彈塑性平面應(yīng)變問題處理。
(2)對于巖石采用三角形六結(jié)點單元,線性函數(shù)的位移模式進(jìn)行模擬。
(3)忽略巖層交界面間膠結(jié)物質(zhì)的厚度,同時用界面單元模擬邊坡結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的裂縫。
(4)當(dāng)作用在接觸面上某一點處的切向力達(dá)到該方向上的最大抵抗能力時,巖層將沿該方向發(fā)生相對滑動。
(5)在整個變形過程中,接觸面上各點的位移滿足變形相容條件,即發(fā)生接觸的變形體不相互侵入。
4、邊坡巖(土)體物理力學(xué)參數(shù)的反演分析
天然條件下Ⅶ-Ⅶ剖面邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果見圖2,計算結(jié)果表明安全系數(shù)為2.153。采用提供的巖土體物理力學(xué)參數(shù)計算得到的安全系數(shù)大于安全規(guī)范值,說明自然邊坡比較穩(wěn)定;而實際邊坡同樣是比較穩(wěn)定的,故認(rèn)為提供參數(shù)的物理力學(xué)參數(shù)是合理的,因此可以使用所提的物理學(xué)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行后續(xù)的穩(wěn)定計算。
5、建議支護(hù)方案下高邊坡穩(wěn)定性分析
本節(jié)主要研究施工期(邊坡開挖支護(hù)完成狀態(tài))以及運行期(主要分析正常運行、正常運行遇地震及庫水驟降工況)下的邊坡穩(wěn)定性,驗算是否符合三級邊坡穩(wěn)定要求,同時對支護(hù)方案進(jìn)行評價。
5.1開挖邊坡在無支護(hù)狀態(tài)下穩(wěn)定性分析
從圖3在當(dāng)前開挖狀態(tài)下典型剖面穩(wěn)定性分析示意圖可以看出,邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)為1.055,根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范DZT0219-2006》規(guī)定,邊坡處于整體暫時穩(wěn)定~變形狀態(tài),潛在的推測最危險滑動面位置:滑弧穿過殘坡坡積層、全風(fēng)化層并從全風(fēng)化層中滑出。在施工過程中容易發(fā)生滑動現(xiàn)象,開挖過程中必須采取合理的支護(hù)措施。
5.2建議支護(hù)方案下邊坡穩(wěn)定性分析
本次計算中所采用的支護(hù)參數(shù)為:Φ=25mm,L=4.5m@3m×3m系統(tǒng)錨桿,φ6@200×200鋼筋網(wǎng),直徑50mm排水孔間排距為2m,傾角為5°(或與坡面垂直),排水孔外面采用Φ=50mmPVC排水管,深入邊坡10cm,外露20cm,噴15cm厚C20混凝土。
從圖4建議支護(hù)方案下典型剖面穩(wěn)定性分析示意圖可以看出,邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)為1.057,符合短暫工況下安全系數(shù)不低于1.10~1.05的要求,能滿足施工期的穩(wěn)定,但很接近1.05,且從計算結(jié)果中可以看到,由于錨桿尺寸短,未能有效穿到強(qiáng)風(fēng)化基巖,對邊坡安全系數(shù)提高不大。
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