块体理论在某水电站楔形体稳定性分析中的应用

张 涛,朱 伟,闫思泉,高旭辉

(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)

块体理论在某水电站楔形体稳定性分析中的应用

张 涛,朱 伟,闫思泉,高旭辉

(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)

某水电站厂房后边坡施工过程中揭露了一非典型性的楔形体,据现场获得的裂隙面参数和楔形体几何参数,用全空间赤平投影法确定了其滑动模式,采用块体理论矢量法进行其自然条件和饱水工况下的稳定性分析。为后期的加固处理设计提供了一定的依据。

块体理论;全空间赤平投影;滑动模式;矢量法;稳定性分析

0 引言

岩体被结构面切割成各种类型的块体时,在自然状态下,这些空间块体处于静力平衡状态。但由于岩体的开挖,使得暴露在临空面上某些块体失去原始的静力平衡状态,因而造成某些块体先沿着结构面滑移、失稳,进而产生连锁反应,造成岩体工程的破坏。块体理论[1]能较好地分析此类局部块体失稳引起连锁反应的破坏模式,这一方法被引入国内后,得到了广泛的应用[2,3]。某水电站厂房后边坡岩体裂隙比较发育,由于裂隙面和边坡面的组合切割,使岩体被切割成不连续的块体。针对边坡上的非典型性(指区别于由左、右结构面或后缘拉裂面形成的典型的空间四面体或五面体的楔形体)的确定性楔形体,本文运用块体理论的全空间赤平投影法判断其滑动模式,并采用矢量分析法对其进行了稳定分析。

1 块体理论方法概述

块体理论首先将结构面和开挖临空面看成空间平面,块体是由空间平面构成的几何凸体,将各种作用荷载看成空间向量,应用几何方法详尽研究岩体内可构成的块体类型及其可动性;然后通过静力平衡计算,求出块体的滑动力,作为工程加固措施的设计依据。具体分析方法有两种:一种是矢量运算法——将空间平面和力系以矢量表示,通过矢量运算给出全部块体理论分析结果;二是作图法——应用全空间赤平投影方法直接作图分析。

2 工程地质条件概述

某水电站工程规模为大(2)型,坝型为混凝土双曲拱坝,最大坝高111 m,正常蓄水位756.00 m,相应库容1.97×108m3。电站装机容量130 MW。

某水电站厂房后边坡坡高约170 m,边坡走向280°;组成边坡的岩性为紫红色钙质泥岩、粉砂质泥岩、泥岩、泥质粉砂岩夹石英砂岩、钙质细砂岩,以较软岩为主,具有失水风化崩解性。岩层产状260°～270°∠60°～75°。

3 厂房后边坡稳定性初步判别

根据前期工程地质勘察及后期施工地质编录可知,厂房后边坡主要发育如下几组结构面:

(1)裂隙面1:160°～180°∠45°～79°,间距0.3～1.2 m,充填泥质、岩屑及铁质锈膜;

(2)裂隙面2:280°～290°∠25°～35°,间距1.0～2.0 m,充填泥质、岩屑及铁质锈膜;

(3)层面:260°～270°∠60°～70°,个别发育泥质夹层,宽约3～5 mm。

根据《水利水电工程边坡设计规范》(SL386—2007),采用极射赤平投影法对厂房后边坡稳定性进行了初步判别(见图1和图2)。分析中采用了如下产状:边坡坡面190°∠59°;裂隙面1为160°∠65°;裂隙面2为280°∠35°;层面为270°∠70°。

从图2中可以读出:裂隙面1与层面交线产状为212°∠56°;裂隙面1与裂隙面2交线产状为240°∠28.4°。可以看出以上两条结构面的交线均倾向坡外,且倾角也均大于结构面摩擦角(取值见表1),故存在沿结构面交线滑动的可能性。

从图1和图2的赤平投影图中也同样可以得知[4]:厂房后边坡发生平面滑动的可能性较小,但存在结构面组合切割而成的块体发生楔形体滑动的可能性。

下节中采用块体理论对厂房后边坡揭露的一非典型性楔形体进行了稳定性分析。

图1 平面滑动赤平极射投影分析图Fig.1 Analysis chart of stereographic projection of vector of plane sliding

图2 楔形体滑动赤平极射投影分析图Fig.2 Analysis chart of stereographic projection of vector of the wedge

4 确定性楔形体稳定性分析

根据施工期地质编录,厂房后边坡上揭露一非典型性楔形体,其三维几何图形如图3,图中:AB=15 m,AD=20 m。此楔形体由三条结构面和两个开挖面组成;结构面及岩体的物理力学参数见表1。

4.1 滑动模式判断

块体的运动形式可以采用全空间赤平投影方法确定,其具体的判断方法如下:

图3 楔形体三维几何图形Fig.3 3-D geometric figure ofwedge

表1 岩体及结构面物理力学参数Table 1 Physical and mechanics parameters of rock mass and structrual plane

(1)块体脱离岩体运动:若主动合力→r在全空间赤平投影图上的投影点落在某个JP(裂隙锥)内,则该JP的运动形式为脱离岩体运动;若→r的投影点正好落在JP的边界上,则在→r作用下不可能出现脱离岩体的运动。

(2)块体沿单面滑动:在全空间赤平投影中,相应于沿结构面i滑动的JP必在包括的圆弧一侧,而且是在平面i的不包括的半空间内。

(3)块体沿双平面i和j滑动:在全空间赤平投影图上,相应于沿双平面i和j滑动的JP必以两平面的交线的投影点为一个角点,同时,该JP必在平面j不包括的半空间,且在平面i不包括的半空间内。

根据组成楔形体的结构面的产状,做出结构面的全空间赤平投影图,见图4。在楔形体的滑动模式判断图中,根据以上的判断方法可以确定:此确定性楔形体的滑动模式是沿着结构面1和3下滑。

图4 楔形体滑动模式判断Fig.4 Judgement of slide model ofwedge

4.2 几何参数的求解

首先建立直角坐标系如下:重力反方向为Z轴正方向;正北方向为Y轴正方向;正东方向为X正方向。根据结构面、坡面、坡顶面的倾向和倾角以及实测的AB和AD的长度,确定结构面、坡面、坡顶面等的平面方程如下:

然后联立相应的平面方程可以得出各相应的关键点的坐标,见表2。

表2 各关键点的坐标Table 2 Coordinate of key points

最后,根据得出的各关键的坐标及矢量计算公式⑥和公式⑦,可以得出各面面积及楔形体体积。

计算的各面面积及楔形体体积如下:

4.3 稳定性分析

根据矢量推导可知:当楔形体沿两结构面(i和j)滑动时,主动力合力在滑动方向的下滑力(T)及在两结构面上的正压力(Ni和Nj)可采用矢量公式⑧、⑨和⑩计算。分析中,水压力按参考文献[4]中的计算方法处理。

在得出以上的各种分力后,稳定系数K可按以下两种工况分别按式⑪和式⑫[5]计算:

(1)仅考虑自重作用时的稳定系数

(2)考虑结构面充水时的稳定系数

式⑪、⑫中:NiG、NjG——重力在结构面i、j上的正压力分力;NiS、NjS——水压力在结构面i、j上的正压力分力;TG——重力在滑动方向上的下滑力分力;TS——水压力在滑动方向上的下滑力分力;φi、φj——结构面i、j的内摩擦角;Ci、Cj——结构面i、j的粘聚力;Si、Sj——结构面i、j的面积。

将用式⑥、⑦、⑧、⑨、⑩计算的各数值分别带入⑪及⑫可得出确定性楔形体在两种计算工况下的稳定系数和剩余下滑力,见表3。

稳定性分析显示:此确定性楔形体向坡内的延伸深度最大约8 m,楔形体体积为554 m3;在自重作用下,此楔形体是稳定的;在饱水(强降雨)状态下,此楔形体将会滑动,其下滑形式为沿结构面1和3向下运动,剩余下滑力为1 330 kN;对比两种计算工况的分析结果可知,水对此楔形体稳定性的影响是显著的,故在边坡加固处理时,需要注意地表水和地下水的疏干。

表3 楔形体稳定性计算结果Table 3 Result of stability analysis of the wedge

5 结语

赤平投影分析运用于边坡稳定性初步判别中,是一种方便、快捷的方法。块体理论适合于分析类似文中边坡楔形体的稳定性。本文中边坡上揭露的确定性楔形体,在饱水(强降雨)条件下将会发生失稳。因此,在施工过程中,需注意地表水和地下水的疏干;另外,可考虑针对分析所得剩余下滑力采取相应的加固处理措施;加固处理措施的处理深度可参考楔形体深入边坡的深度。

[1] 刘锦华,吕祖珩.块体理论在工程岩体稳定分析中的应用[M].北京:水利电力出版社,1988.

[2] 张子新,孙钧.块体理论赤平解析法及其在硐室稳定分析中的应用[J].岩石力学与工程学报,2002,21(6):1 556-1 560.

[3] 毛海和,夏才初,张子新.块体理论赤平解析法在龙滩水电站地下厂房洞室群稳定分析中的应用[J].岩石力学与工程学报,2005,24(8):1 308-1 314.

[4] SL386—2007,水利水电工程边坡设计规范[S].

[5] E.Hoek J.W.Bray.岩石边坡工程[M].卢世宗,李成村,夏继祥,等译.北京:冶金工业出版社,1983.

(责任编辑:于继红)

Application of Block Theory in Stability Analysis of Wedge in a Hydropower Station

ZHANG Tao,ZHU Wei,YAN Siquan,GAO Xuhui
(Yellow R iver Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

An atypicalwedge is exposed during construction of rear slope of the power house.Base on the parameters of fracture surface and geometryparametersofwedge obtained from field investigation,the first,slidingmodelof thewedge is deter mined by the method of stereographic projection of vector,the second,stability analysis in both natural conditions and saturated water are made by vector method,which provided some basis for the design of reinforcement in the late period.

block theory;stereographic projection of vector;slidingmode;vectormethod;stability analysis

TV7

A

1671-1211(2010)05-0446-04

2010-07-01

张涛(1978-),男,工程师,岩土工程专业,从事水利水电工程地质工作。E-mail:zhangtao52961@163.com