石门水库灌区沥水沟渡槽两岸倾倒体稳定性分析

卢功臣，张兴安

(陕西省水利电力勘测设计院勘察分院，陕西 咸阳 712000)

1 工程概况

沥水沟渡槽是汉中石门水库灌区渠首的重点建筑物，位于汉中市褒河沥水沟口，为东干渠跨越沥水沟的引水建筑物。距石门水库坝区约2.1 km，渡槽设计输水流量30 m3/s，加大流量32 m3/s，渡槽全长241.1 m，渡槽为予应力薄壳钢筋混凝土结构，最大建筑高度43.3 m，渡槽属Ⅱ等工程3级建筑物。

1.1 工程地质条件

沥水沟渡槽位于沥水沟入褒河流域处，为丘陵和低山地形，沟口有汉江三级阶地分布，沟内有褒河的一、二级阶地。基岩出露于渡槽进出口两岸山坡，大面积为人工堆积和第四系的土、石所覆盖。

右岸边坡在工程区总体呈近EW向展布，梁顶地面向左岸倾斜见图1；右岸相对高差约79 m，属中低山峡谷地形。右岸基岩边坡倾向157°，自然边坡坡角40°～60°，坡高约65 m，属高边坡；边坡表层大部分基岩裸露，部分有少量坡积壤土覆盖。边坡上缓下陡，发育有5～33 m厚的倾倒(变形体)岩体，裂隙发育，地下水埋藏较深，主要位于未变形弱风化绿泥石绢云母千枚岩中。

左岸山坡总体呈EW向展布，梁顶地面向下游倾斜；左岸相对高差约80 m。自然边坡坡角25°～40°，坡高约37 m，属中边坡，边坡表部堆有大量施工期隧洞弃渣物见图2。底部基岩发育有7～22 m厚的变形体岩体，裂隙发育，地下水埋藏较深，主要位于未变形弱风化绿泥石绢云母千枚岩中。

图1 右岸形态图

图2 左岸形态图

1.2 物理地质现象

本区地处汉江盆地西南部，地势南高北低，海拔高程900～2 200 m，褒河由北向南仅湍流而下，河谷深切100～300 m，两岸基岩裸露，阶地不甚发育，仅局部有残留堆积阶地，岸坡陡峭，一般谷底宽度约50～150 m 。沥水沟以上为丘陵区及中低山堆积地貌，河谷岸坡高倾角构造结构面发育，不稳定岩体形成的崩塌及坡面不稳定的滚石异常发育，山区坡麓分布着含壤土的砂、碎石组成的坡积及残积物。河谷为汉江阶地堆积地貌。冲沟口及支流出口，多发育着洪积扇，但规模均不大。测区内物理地质现象，主要表现有基岩倾倒、滑坡、崩塌等。

1)倾倒岩体：主要出露于斜坡上的千枚岩，由于地形坡度较陡，岩层的片理走向与岸坡走向夹角小于45°，在重力其它外力作用下，局部岩体，倾倒变形，顺层或逆层向坡外倾倒，形成的非构造成因的地表岩层呈拖拉式变形，或地表挠曲。倾倒岩层的位移随深宽愈来愈小，实际上是岩体长期蠕变的结果(见图3)。

工程区范围内分布的基岩倾倒体有两处：

(1)渡槽进口段倾倒体，长190 m，宽100 m。面积约19 000 m2，厚度5～20 m，呈NEE向长方形分布，向SE20～300(沥水沟)倾倒。经勘探查明：该倾倒体的结构是，沿岸坡表层岩体深度5～15 m范围岩性内倾倒剧烈，岩石风化破碎张裂，15 m以下倾倒微弱分界线不很明显，属于渐变状态，岩体稍完整。岩层倾倒后产状较乱，一般为10°～30°∠30～60°。(正常岩层的产状为340°～355°∠70°～80°)。该倾倒体的厚度与范围见图3。(2)渡槽出口段倾倒体，长210 m，宽70 m，面积约15 000 m2。为一长方形，呈NEE向分布，向330°～340°方向倾倒，倾倒体内岩层产状混乱，一般为230°～250°∠35°～60°。

2)滑坡：工程区分布有两处滑坡体，一处位于距渡槽进口约500.0 m渠道左岸山坡上，另一处位于沥水沟口右岸基岩山坡上。岩性均为碎石质壤土。两处滑坡，远离渡槽，目前稳定，对渡槽安全无影响。

3)危岩：于渡槽进口段的左侧边坡上有一处危岩，长约100 m，宽约60 m，厚约 3～6 m，岩体十分破碎，岩石呈强～全风化，地形坡度大于450，前缘因修公路人工削成陡坎，形成临空面，后缘的 LO4张裂隙，伸延较长，垂直深度达6 m以上，宽10 cm左右，无充填物，在雨季易于灌水，当岩石处于饱和状态时，产生基岩滑坡的可能是存在的。

图3 倾倒体图

4)岩石风化特征：测区范围内基岩的风化程度可分为：全风化带、强风化带和弱风化带三种：

(1)全风化带：在倾倒岩体范围内，全风化岩体的厚度一般0～2 m，局部可达3 m，岩石风化后虽保持原岩的片理结构，但已风化成土状．或碎片，石英脉已成碎石。

(2)强风化带：倾倒岩体范围内和深度到正常岩层1 m左右，均为强风化带，厚度达10～20 m，在倾倒体范围以外，其厚度为3～15 m。该岩体多呈碎块状，节理面均具铁锈色、石英岩节理面上多见锈斑，锤击即成碎屑。

(3)弱风化带：倾倒体分界线1 m以下的正常岩层和倾倒体以外地段的深度3～15 m以下岩层为弱风化带。岩体较完整、坚硬、裂隙减少，岩石断口新鲜，强度较高。

1.3 地层参数

整个工程的剖面图如图4所示。其中不同地层相应的参数如表1所示。

表1 各岩土层参数取值表

2 稳定性计算

瑞典条分法又称为费伦纽斯法，该法假定土坡沿着圆弧面滑动，并认为土条间的作用力对土坡的整体稳定性影响不大，可以忽略，即假定土条两侧的作用力大小相等、方向相反且作用于同一直线。瑞典条分法假设滑动面为圆弧面，将滑动体分为若干个竖向土条，并忽略各土条之间的相互作用力。按照这一假设，任意土条只受自重力Fwi，滑动面上的剪切力FTi和法向力FNi，如图5所示。将Fwi分解为沿滑动面切向方向分力和垂直于切向的法向分力，并由第i条土的静力平衡条件可得FNi=Fwicosθ，其中，Fwi=bi(γ1ih1i+γ2ih2i+…+γkihki)，bi为第i个土条宽度。

设土坡安全系数为Ks，它等于第i个土条的安全系数，由库仑强度理论有

(1)

式中：FTi为土条i在其滑动面上的抗力；Ks为土坡和土条的安全系数。

按整体力矩平衡条件，滑动体ABC上所有外力对圆心的力矩之和应为0。在各土条上作用的重力产生的滑动力矩之和为

(2)

滑动面上的法向力FNi通过圆心，不引起力矩，滑动面上设计剪力FTi产生的滑动力矩为

(3)

由于极限情况下抗滑力矩和滑动力矩相平衡；所以令上述两式相等，则

(4)

该工程地层物质成分主要为人工堆积物和千枚岩的风化体，滑动面应与风化界线相似，由于边坡变形破坏形式，为局部崩塌或滑动(倾倒岩体)，边坡先期倾体已产生变形，下部未变形弱风化岩体为边坡破坏下限，最不利滑面假定位于倾倒岩体与稳定岩体边界进行计算。本次边坡稳定计算采用条分法计算，在右岸和左岸边坡分别选取最危险滑面进行计算。每个滑面分为20个条块，按非地震和地震两种工况条件进行计算。根据各岩土不同抗剪强度指标，具体取值见表1，分析计算最危险滑面的安全系数Ks，计算结果如表2。

图4 沥水沟渡槽(Ⅰ—Ⅰ’)工程地质剖面图

位置安全系数Ks非地震地震左岸边坡1．881．75右岸边坡1．030．98

从计算结果看，左岸边坡整体稳定系K≥1.62，由此说明左岸边坡基本稳定。但是右岸天然状态下稳定系数为1.03左右，安全系数偏低，说明边坡处于极限状态；在地震条件下计算发现安全系数小于1处于不平衡状态。由于该工程地处地壳板块运动活跃地区，2008年发生汶川地震时，属于受灾区；因此该工程在施工过程中需要进行相应的护坡处理，防止在地震条件下出现护坡等地质灾害，对于工程安全造成威。

图5 条分法计算示意图

3 FLAC 3D数值模拟分析

3.1 模型范围和参数取值

采用FLAC 3D数值模拟软件[2]，根据工程地质条件对于该边坡剖面进行建模，如图6所示。

3.1.1 参数取值

本次所用的物理力学参数采用勘察工作成果，主要参数详见表1。

3.1.2 范围及边界条件的确定

本次模拟建立与图4剖面图1:1等大的模型。

模型边界条件约束如下：

(1)固定模型左右两边的X方向位移。

(2)固定模型下底X、Y、Z方向的位移，即模型下边界为全约束边界

(3)固定模型Y方向全部的位移。

计算中首先采用弹性模型，模型初始地应力，然后采用莫尔库仑模型进行计算。

3.2 计算分析稳定性

3.2.1 自然状态下安全系数计算分析

在自然状体下计算，利用FLAC 3D软件自带边坡稳定性分析方法折减法计算该边坡边坡稳定性，在自然状态安全系数计算结果为结果1.01，软件计算结果与条分法计算结果1.03接近，说明该坡体确实处于极限平衡状态。从图7可以看出，发生塑性变形的地方与弱风化下线一致，也就是未来出现滑移时候的滑移面。

图6 沥水沟渡槽改线工程剖面模型图

3.2.2 自然状态下应力分析

自然状态下，计算平衡后边坡体的各个应力状体如图8～图11。

图7 安全系数及塑性变形位移云图

图8 最大主应力等值云图(单位pa)

图9 最小主应力等值云图(单位pa)

图10 方向应力等值云图(单位Pa)

图11 方向应力等值云图(单位Pa)

通过图8～图11比较发现最大主应力与最小主应力变化较为平缓，并没有出现特别明显的突变。说明在自然状态下，该边坡基本处于稳定状态。

图12 最大切应力等值云图(单位Pa)

通过图12最大切应力图，发现在最大切应力变化较大的地方与弱风化下线基本吻合，因此如果发生滑动那么在滑移面最可能出现的位置就是弱风化下线的这个面。通过数值模型得出的结果与之前勘察得出的结果一通致，相互验证了其准确性。从图13中强度与应力之比看出，比值为1的线基本上也与弱风化下线一致，与之前计算出的安全系数K=1.03结果一致。

图13 强度与应力之比等值云图

3.2.3 地震状态下位移图

在模型右边界施加一个2008年汶川地震的地震波，计算10 s之后得到如图14的位移图。

图14 地震状态下位移等值云图(单位m)

通过图14看出，在汶川地震的地震波作用下，整个边坡出现较大位移，而且破坏。因此如果发生地震，该边坡很有可能出现边坡失稳，甚至大范围滑坡的情况。

3.2.4 边坡稳定性分析[3]

通过数值模拟分析，得到以下结论

(1)自然状态下，折减法计算出的安全系数K=1.01，与条分法计算结果K=1.03，一致。

(2)自然状态下，最大主应力与最小主应力没有明显突变，说明边坡暂时处于稳定状态，与实际工程情况一致。

(3)自然状态下，最大切应力变化较大的区间与弱风化下线基本一致，说明如果滑动，滑移面就是弱风化下线这个面。

(4)强度与应力之比为1的值与弱风化下线基本一致，说明边坡处于极限平衡状态。

(5)在地震状态下，边坡出现失稳，滑坡等情况。

4 结语

本文通过通过FLAC 3D数值模拟与条分法[4]对于石门水库灌区沥水沟渡槽两岸倾倒体稳定性进行了分析。两种方法结果都证明了该边坡处于极限平衡状态，对于工程安全存在较大风险，并且通过数值模拟得出地震条件下将会出现边坡失稳、滑坡等地质灾害。

通过对于FLAC 3D模拟结果的分析，得出了如果边坡发生失稳，其滑移面可能出现的位置，对于之后工程的后续施工与处理提供了参考的依据。

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