库什塔依电站坝肩卸荷岩体稳定性研究

曾　锋, 练　操

(水利部 长江勘测技术研究所,湖北 武汉　430011)

0　引言

在水利水电工程建设中,经常会遇到高陡边坡稳定问题(如大坝坝肩、隧洞进出口等),出现许多岩质边坡工程,如何通过边坡稳定性分析研究,为边坡工程采取合理的加固措施和加固效果提供科学依据是一项重要的课题。本文通过极限平衡法和有限元法等定量稳定性分析方法,对库什塔依水电站左坝肩卸荷岩体稳定性进行了研究。

1　工程概况

库什塔依水电站位于库什太河与库克苏河汇合口下游约4.5 km的库克苏河干流上。大坝左岸为阶地陡坡地貌,发育Ⅱ、Ⅳ阶地;坡顶为Ⅳ阶地夷平面,分布高程1 425～1 440 m,Ⅱ级阶地高出河水位7～10 m,分布高程1 300 m以下。卸荷岩体位于左岸中上部石炭系下统阿克沙克组(C1ab)中厚层灰岩高边坡中,灰岩中节理裂隙发育,产状变化大,以NW向、近SN向的陡倾角和近EW向(NEE、NWW)的缓倾角裂隙为主,其次近东西向的陡倾角裂隙也较发育。边坡典型地质剖面如图1。根据平硐及钻孔揭示,灰岩卸荷强烈,裂隙非常发育;其岩体卸荷可划分为强卸荷带和弱卸荷带,卸荷特征为:①岩体卸荷强烈,强卸荷带较宽。多数强卸荷宽度均超过30 m,少数接近30 m,且在硐底局部具有强卸荷特征;②随着高程的降低,强卸荷带宽度有减小的趋势;③强卸荷带岩体裂隙非常密集且多张开,具有较大的张开度。多数裂隙张开度一般在10 cm以上,最大为1.5 m,充填粉土或碎石土,局部存在架空现象;④弱卸荷带,卸荷裂隙密度较小,张开度一般在10 cm以下,仅局部存在较大裂隙;⑤裂隙走向以NE向为主,其次是NW向,前者倾坡外,后者倾坡内。据平硐编录统计,裂隙中超过75%为陡倾角,中倾角在20%左右,缓倾角裂隙很少。岩体卸荷成因机制主要受到地形、地层岩性及结构面组合的影响,与构造环境也有一定关系。

图1　边坡典型地质剖面图

卸荷岩体的可能模式分为初期和后期,初期以崩塌、掉块为主,后期施工以卸荷张拉变形、倾倒坠落失稳为主。

2　边坡稳定性研究分析及计算成果

根据工程的重要性,选取两种边坡稳定性综合分析方法是:刚体极限平衡法和有限元法。

2.1　刚体极限平衡法分析

岩质边坡稳定性分析采用刚体极限平衡法,根据边坡岩体裂隙产状、强卸荷带深度及边坡破坏模式,确定滑移面地质剖面(图2)。由滑移面或潜在滑移面的几何形状,选择双平面滑动计算公式,双平面块体受力如图3。

由图2可以看出,需对整个可能失稳的边坡进行稳定分析计算,即计算①、②及③三部分的整体稳定性。施工期间,第①部分被挖除,需考虑②与③两部分的整体稳定性以及②与③各自的稳定性。边坡稳定性计算工况如表1。

图2　滑移面地质剖面图

图3　双平面滑动块体受力图

表1计算工况、荷载组合及安全系数

Table 1Calculation condition, load combination and safety coefficient

注:计算不考虑地下水位影响。

表2　边坡稳定性计算成果

由表2可以看出,目前现状条件下,三种工况下边坡整体处于稳定状态;施工期间,块体①被挖除,边坡由剩余块体②与③组成,各工况下整体也处于稳定状态。块体③在短暂状况下稳定程度稍低;块体②在各工况下处于稳定状态。

2.2　有限元数值分析

本文根据边坡岩体节理裂隙发育特点,使用节理材料来模拟滑动破坏面,再通过有限元折减强度法计算。有限元模型及网格划分截面如图4。图4中箭头所指区域为使用节理材料的区域。左右边界约束X方向位移,底边界约束X和Y方向位移。模型采用4节点平面应变线性完全积分单元,自由网格划分,共有2 169个单元。节理面的粘聚力C和内摩擦角φ与刚体极限平衡分析取值相同,天然状态下滑面抗剪断强度的取值,节理岩块的抗剪强度参数取值等于灰岩的取值,计算中节理材料为无拉力材料,即节理张开时没有拉伸强度。计算参数如表3。

图4　有限元模型及网格划分

表3　 相关岩体计算参数取值

采用强度折减法,选取4种抗剪强度折减系数对边坡原抗剪强度的相关系数折减,使用折减后的系数进行有限元计算。

2.2.1 抗剪强度折减系数Fr=0时

得到自重应力平衡初始各方向的相应应力云图如图5-图7。由图可以看出初始自重应力平衡后(Fr=1.0时),最大剪应力发生在边坡表面即块体③的下半部分,而且由于节理材料区的存在,使得坡顶和块体③的上部与整个岩体连接削弱,从而最小水平向应力发生在该处。

图5　自重应力平衡后初始竖向应力云图

图6　自重应力平衡后初始水平向应力云图

图7　自重应力平衡后的初始剪应力云图

2.2.2抗剪强度折减系数Fr=1.2时

得到应力分布云图如图8-图10。图8中当Fr=1.2时,塑性区几乎贯穿了整个块体①以及大部分块体③,说明在自重作用下块体③的稳定系数为1.2。节理裂隙区的顶部也已进入塑性屈服。但图10可见,此时顶部节理并未开裂,因为顶部的水平向应力为负值,即依然为压应力。

图8　Fr=1.2塑性区分布云图

图9　Fr=1.2水平应力分布云图

图10　Fr=1.2剪应力分布云图

2.2.3抗剪强度折减系数Fr=1.404时

得到应力分布云图如图11-图13。当Fr=1.404时,塑性区继续向上和向坡面深度方向发展,节理裂隙区的顶部塑性屈服区向下发展。图13显示此时最大剪应力集中于滑移面附近。

图11　Fr=1.404塑性区分布云图

图12　Fr=1.404水平应力分布云图

图13　Fr=1.404剪应力分布云图

2.2.4抗剪强度折减系数Fr=1.820时

得到应力分布云图如图14-图16。当Fr=1.820时,塑性区贯穿整个边坡,此时发生块体①②③的共同失稳,因此自重下块体①②③共同失稳的稳定系数为1.820。图15中坡顶的水平向应力为正值,说明节理裂隙区域已经开裂。图16中剪应力最大值集中分布于裂隙左侧的滑床表面,而滑体内部剪应力相对较小,说明此时的破坏是整体滑移破坏。整体失稳示意图如图17。

图14　Fr=1.820塑性区分布云图

图15　Fr=1.820水平应力分布云图

图16　Fr=1.820剪应力分布云图

图17　Fr=1.820整体失稳示意图

通过有限元强度折减系数计算分析,从边坡破坏的过程及塑性区的分布来看,塑性区在抗剪强度折减系数Fr相对较小的时候,主要集中在浅层表面,这表明主要的破坏形式为崩塌、掉块,出现大规模整体滑移失稳的可能性很小。

3　结语

(1)通过刚体极限平衡法对卸荷岩体不同时期边坡破坏模式计算,结果表明,左岸边坡不会产生整体式变形破坏,逐步的、小规模的崩塌、掉块是边坡主要的破坏特征。

(2)根据节理材料来模拟的有限元截面模型是合理的,较好的反映了左坝肩卸荷岩体裂隙发育特征。

(3)有限元计算的稳定系数与刚体极限平衡法计算的稳定系数基本一致。

(4)通过有限元强度折减法,选取一系列的抗剪强度折减系数对边坡原抗剪强度系数折减来有限元计算,由塑性区分布云图分析,塑性区呈现由下往上的发展趋势,这表明该边坡易出现牵引式的破坏模式,即上部岩体因失去支撑而变形失稳。

参考文献：

[1]张鲁渝,郑颖人,赵尚毅.用有限元强度折减法进行边坡稳定分析[J].中国工程科学,2002(10).

[2]新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院.新疆伊犁库克苏河库什塔依水电站可行性研究报告[R].乌鲁木齐:新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院,2008.