某堆积体边坡滑面的强度参数反演研究

李江龙 李建林 黄宜胜

(三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌 443002)

某堆积体边坡滑面的强度参数反演研究

李江龙 李建林 黄宜胜

(三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌 443002)

通过现有的资料分析，某堆积体边坡可能的破坏模式为覆盖层内部的滑动或沿滑动带的深层滑动．根据地勘资料、室内试验数据和边坡安全系数的计算方法，对边坡的岩土体力学强度参数进行反演分析．计算结果表明：建立准确的计算模型并采用参数反演所得出的结果客观、合理，通过对其他剖面的稳定性计算更进一步地验证了所得结果的合理性，为类似工程的稳定性分析以及强度参数的反演计算提供了参考依据．

水电站； 边坡稳定性； 滑面强度参数； 反演分析

刚体极限平衡法理论严谨、发展历史悠久，被工程界广泛采用[1-3]，但用该方法进行边坡稳定性分析时，计算结果的精度在很大程度上依赖于所选岩土体力学参数值的精准度[4]．对于天然边坡，由于岩土体的构成比较复杂，使得通过室内外试验很难直接准确地测得其力学参数，所以在采用刚体极限平衡法进行边坡稳定安全系数的计算时，敏感地层强度参数的选取大都取值于岩土体的强度参数的反演结果[5-6]，最终所得边坡安全系数计算结果也比较符合实际情况．本文主要对金沙江上游某水电站堆积体边坡的力学参数运用二维刚体极限平衡法进行稳定性分析，通过不断调整反演区域的强度参数值使堆积体达到相关规范要求最小的安全系数值，得到极限平衡条件下的强度参数值并与具体工程实际相结合，综合比较，选取较为合理的强度参数．

1 地质概况

某水电站堆积体边坡位于金沙江上游NWW向的金沙江断裂带附近，地质构造较为复杂，NW-NNW向断裂构造发育，NEE向断裂构造较为发育，岩体变质较深、褶皱强烈，节理裂隙发育．工程区经历了多次区域变质作用，成为负变质的片麻岩组(下段)和大理岩组(上段)．堆积体包括了堆积物(Qdl+col)、冲积、崩积物(Qpl+col)、滑坡堆积物(Qdel)、滑动带(fn-1、fn-2)、层间挤压带(f1-1与f1-2之间岩体)、层间错动(f1-1、f1-2)、断层(F1、F9-1)、出露风化岩、山脊、基岩等不同地质体．工程区地质图如图1所示，本文所分析区域已在图中标明．

图1 堆积体工程区地质及剖面分布图

2 反演分析

2.1 反演方法

根据地勘资料和室内试验数据，初步推断堆积体的破坏模式可能为覆盖层内部的滑动或者沿滑动带的深层滑动．本文利用Slide软件对堆积体进行刚体极限平衡法分析，选用Bishop圆弧法计算发生在覆盖层内部的滑动破坏，选用M-P折线法计算沿滑动带发生的深层滑动．堆积体的初始抗剪参数(参考设计单位提供建议值)见表1．

根据相关规范确定最不利工况下的边坡安全系数，通过不断调整反演区域所在岩土层的抗剪力学参数，选取使剖面在最不利工况下达到平衡状态的强度参数值为反演的结果．

表1 堆积体各地层力学参数建议值

2.2 最不利工况安全系数的确定

该堆积体位于开敞式溢洪道左侧，处于泄洪雾化影响的区域，且距离大坝较近，按照DL/T5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》的级别划分规定，按A类Ⅰ级边坡设计．自然状态下，该堆积体未见整体变形趋势，稳定性较好．工程区曾经发生过6.7级地震，但该堆积体并未发生过整体失稳．可以判断在天然工况和地震工况条件下，该堆积体的安全系数仍有一定的裕度．综合上面的分析，在进行参数反演时，考虑工程区曾经发生的6.7级地震，按地震加速度0.05g取值[7]，综合规范和工程区实际情况，选取地震工况下的安全系数标准取为1.05．

2.3 反演剖面及反演模式

取堆积体工程地质4个典型剖面A-A′、B-B′、D-D′、E-E′作为参数反演的计算剖面，剖面位置如图1所示，对应的剖面计算模型如图2～5所示．可以看出，选取的4个剖面穿过了本文所要进行参数反演的地质构造区，故4个剖面所反演出的参数较为准确．

图2 A-A′剖面计算模型 图3 B-B′剖面计算模型

图4 D-D′剖面计算模型 图5 E-E′剖面计算模型

首先对4种滑动模式进行初步分析计算，强度参数取表1所给出的参考范围的中值，比较天然工况下4个剖面在4种滑动模式下的安全系数，地下水位线以下地层取饱和状态的强度参数，详细结果见表2．可以看出，对于第1破坏模式(小圆弧滑动)，E-E′剖面最危险；对于第2破坏模式(大圆弧滑动)，D-D′剖面最危险；对于第3和第4破坏模式(折线滑动)，A-A′剖面最危险．对于小圆弧滑动，主要是反演堆积物(Qdl+col)的合理参数，以E-E′剖面反演结果为准；大圆弧滑动、上折线滑动、下折线滑动，主要是反演滑动带(fn-1、fn-2)的合理参数，其中大圆弧滑动以D-D′剖面为准，上折线滑动和下折线滑动以A-A′剖面为准．

表2 滑面在4种滑动模式下的初步计算结果

4种破坏模式如图6～9所示，均以D-D′剖面为例．对于D-D′剖面来说，小圆弧滑动的圆心及圆弧与坡面两个交点的坐标分别为(1 297.699，60.656)、(880.95，590.999)、(1 275.639，180.07)；大圆弧滑动的圆心及圆弧与坡面两个交点的坐标分别为(1 480.028，611.26)、(1 141.058，264.808)、(1 324.937，148)．上折线滑动和下折线滑动其折线分别紧贴滑动带(fn-1、fn-2)上表面和下表面，其顺序为先反演堆积物(Qdl+col)的强度参数，得出较为准确的结果后，再进行滑动带(fn-1、fn-2)强度参数的反演强度参数的赋值时，将上一步堆积物(Qdl+col)的反演结果代入其中．

图6 第1破坏模式(小圆弧滑动) 图7 第2破坏模式(大圆弧滑动)

图8 第3破坏模式(上折线滑动) 图9 第4破坏模式(下折线滑动)

2.4 反演结果

由于后期可能会对工程区内的部分地区进行开挖作业，对边坡的稳定情况会产生不利影响，若开挖时恰逢暴雨天气，则对边坡的整体稳定性十分不利，所以，对反演结果(粘聚力c，摩擦角φ)采取保守取值．

1)第1破坏模式(小圆弧滑动)，选取E-E′剖面反演堆积物(Qdl+col)的参数，依据表3的计算结果，作E-E′剖面堆积物(Qdl+col)稳定安全系数k与摩擦角φ关系曲线如图10所示．可以看出，有多组堆积物的力学参数组合满足在最低稳定要求的安全系数1.05(见表4)，经过综合比较，堆积物(Qdl+col)的强度组合以c取50 kPa、φ取23.6°比较合理．

表3 E-E′剖面堆积物所确定的安全系数

表4 E-E′剖面(Qdl+col)：k=1.05(地震工况)

图10 E-E′剖面堆积物k-φ关系曲线图

2)在第2破坏模式(大圆弧滑动)下，选取D-D′剖面，堆积物参数可按照上文中反演出比较合理的参数取值，圆弧穿过滑动带，表明采取此种破坏模式反演滑动带(fn-1、fn-2)参数较为合理，详细结果见表5，并得到D-D′剖面滑动带稳定安全系数k与摩擦角φ关系曲线如图11所示．可以看出，有多组滑动带的力学参数组合满足在最低稳定要求的安全系数1.05(见表6)，经过综合比较，此种破坏模式下的滑动带(fn-1、fn-2)的强度组合以c取80 kPa、φ取22.1°比较合理．

表5 D-D′剖面滑动带所确定的安全系数

表6 D-D′剖面(fn-1、fn-2)：k=1.05(地震工况)

图11 D-D′剖面滑动带k-φ关系曲线图

3)对于第3破坏模式(上折线滑动)，选取A-A′剖面，反演滑动带(fn-1、fn-2)参数，折线紧贴滑动带上侧，主要模拟该剖面沿滑动带上侧滑动的情况，详细结果见表7，并得到A-A′剖面滑动带稳定安全系数k与摩擦角φ关系曲线如图12所示．多组满足最低稳定要求的滑动带力学参数组合(见表8)，经过综合比较，此种破坏模式下的滑动带(fn-1、fn-2)的强度组合以c取90 kPa、φ取22.5°比较合理．

表7 A-A′剖面滑动带所确定的安全系数

图12 A-A′剖面滑动带k-φ关系曲线图

φ/°22．922．822．722．622．622．5c/kPa808284868890

4)对于第4破坏模式(下折线滑动)，选取A-A′剖面，反演滑动带(fn-1、fn-2)参数，折线紧贴滑动带下侧，主要模拟该剖面沿滑动带下侧滑动的情况，详细结果见表9，并得到A-A′剖面滑动带稳定安全系数k与摩擦角φ关系曲线如图13所示．多组满足最低稳定要求的滑动带力学参数组合(见表10)，经过综合比较，此种破坏模式下的滑动带(fn-1、fn-2)的强度组合以c取90 kPa、φ取22.5°比较合理．

表9 A-A′剖面滑动带所确定的安全系数

表10 A-A′剖面(fn-1、fn-2)：k=1.05(地震工况)

图13 A-A′剖面滑动带k-φ关系曲线图

2.5 反演结果分析

对反演结果进行汇总见表11，利用四舍五入法，保守考虑最终确定：堆积物(Qdl+col)的合理抗剪参数为φ=24°、c=50 kPa，滑动带(fn-1、fn-2)的合理抗剪参数为φ=23°、c=90 kPa．

表11 结果汇总

2.6 验证分析

选取C-C′剖面，强度参数赋值时，将反演结果代入堆积物和滑动带所在地层中，可得到地震工况4种破坏模式下的边坡稳定安全系数结果统计见表12．由于取值较保守，在采用反演得出的抗剪参数计算C-C′剖面稳定安全系数时，计算得出的安全系数均大于1.05，但是差距不大．说明反演得出的结果能较真实合理地反映出反演范围内地层参数的力学特性．

表12 C-C′剖面极限平衡计算结果

3 结 论

本文对强度参数的反演计算最终取值在设计单位所提供的建议值范围内且比较符合工程经验．所得结果代入其他剖面进行验证计算时，结果合理，进一步说明了反演所得强度参数的合理性．

由于4个剖面均采取最不利的地震工况且取值保守，所以相较于反演区域强度参数的实际值，本次反演计算所选取的强度参数偏小，但考虑到后续进行的开挖加固工程会对边坡的稳定性产生不利影响，为保证后续工程安全可靠，采取保守取值所得的最终结果较为合理可靠．

[1] 陈祖煜．土质边坡稳定性分析-原理·方法·程序[M]．北京：中国水利水电出版社，2003：68-72．

[2] 陈祖煜．岩质边坡稳定性分析-原理·方法·程序[M]．北京：中国水利水电出版社，2004：157-187．

[3] 李建林．边坡工程．[M]．重庆：重庆大学出版社，2013：76-79．

[4] 刘迎曦，吴立军，韩国城．边坡地层参数的优化反演[J]．岩土工程学报，2001，23(3)：315-318．

[5] 强天驰．多参数优化反演分析法及其应用[J]．岩石力学与工程学报，2005，24(2)：1492-1496．

[6] 郭 靖，王乐华，赵宗勇，等．复杂化带条件下的岩石参数反演研究[J]．水利水电技术，2012，43(3)：55-56．

[7] 陈厚群．水工建筑物抗震设计规范修编的若干问题研究[J]．水力发电学报，2011，30(6)：4-10．

ResearchonBack-analysisofSlideSurfaceStrengthParametersofaAccamulationSlopes

Li Jianglong Li Jianlin Huang Yisheng

(College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

Though the analysis of existing data, the possible failure modes of a overburden slope are sliding within the cover or sliding along the deep side of the slide. According to the geological survey data, the indoor test data and the calculation method of the slope safety factor, the parameters of the rock and soil mechanics strength parameters are analyzed inversion. The results show that the results obtained by using the parameters inversion are objective and reasonable. The stability of the results is verified by the stability calculation of other sections. This paper also provide references for the stability analysis of similar projects and the inversion calculation of intensity parameters.

hydropower station； slope stability； strength parameters of slide surface； Reverse analysis

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.05.001

2017-04-25

湖北省自然科学基金面上项目(2015CFB545)；国家自然科学基金重点项目(51439003)

黄宜胜(1978-)，男，副教授，博士，主要从事基础力学教学和岩体力学研究．E-mail： hys2007@ctgu.edu.cn

TU43

A

1672-948X(2017)05-0001-05

[责任编辑周文凯]