某水库岩质边坡三维离散元稳定性分析

文 新,曹东勇,安亚杰

(1.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北 武汉 430074；2.河南省水利勘测有限公司,河南 郑州 450008)

1 引言

随着大规模水利工程的建设,工程开挖往往形成高陡岩质边坡,一旦边坡发生失稳破坏将会造成严重经济损失。例如1989年云南漫湾水电站在开挖左坝肩过程中发生滑坡,滑坡体积达到10.8×104m3,导致水电站延迟一年发电,直接经济损失超过1亿元[1]。边坡岩体由结构面和它所围限的结构体组成,结构面是岩体内形成的具有一定延伸方向、长度和规模的地质界面或带,例如层面、断层、节理、裂隙等。岩质边坡稳定性除受到工程地质条件、岩石物理力学性质、天然应力、地下水和外部荷载作用影响外,主要受岩体结构面控制[2]。

目前岩质边坡稳定性分析主要有定性分析法和定量分析法。定性分析法通过研究边坡岩体结构、地质构造等,结合边坡成因及演化规律,定性地阐释边坡可能发生的变形破坏方式。常见的定性分析法有工程地质类比法、自然历史分析法、模型试验法和图解法等[3]。

定量分析法包括极限平衡法和数值分析法两类。数值分析法中,有限元法(FEM)、边界元法(BEM)和有限差分法(FLAC)对连续介质比较适用。而离散单元法将岩体离散为块体单元,允许单元自由移动和离开,可以真实模拟裂隙岩体内部应力应变状态,分析结果更为可靠[4]。

本文以某水库岩质边坡为研究对象,在现场工程地质调查基础上,统计分析了边坡优势结构面产状,对岩体进行质量分级,提出了岩体和结构面的物理力学参数。运用赤平投影法分析了边坡可能发生的破坏模式,采用3DEC软件分别分析了边坡在自然、暴雨和地震不同工况下发生平面滑动、楔形体滑动的稳定性,对边坡稳定性进行综合评价。

2 边坡工程地质条件

边坡坡高60m,坡面倾向135°,开挖有5级马道,坡角为63°。典型剖面的工程地质剖面图见图2.1所示。

图2.1 边坡典型剖面工程地质剖面图

边坡区历史上从未发生过三级以上地震,属于构造稳定区,不考虑初始地应力作用。根据边坡钻孔显示,边坡地下水位较低,在自然状态下岩体裂隙内未见滴水,故自然状态下不考虑地下水作用。

表2.1 边坡岩石物理力学参数

3 结构面特征与岩体质量分级

3.1 边坡优势结构面分组

边坡岩体发育有十几条长数米、宽0.1～1m不等的断层,断层面张开,一般较粗糙,且分布有断层角砾岩,部分已风化。岩体还发育有几十条裂隙,长度在十几厘米至3米之间,宽度一般在3mm以内,裂隙面微张开,粗糙不平,有充填物,充填物多为泥质、铁质、铁锰质薄膜。

绘制了结构面的玫瑰花图和极点等密度图,见图3.1和图3.2所示。

图3.1 结构面玫瑰花图

图3.2 结构面极点等密度图

得出优势结构面有五组,产状见表3.1所示。

表3.1 边坡优势结构面产状

3.2 边坡岩体质量分级

采用国标《工程岩体分级标准》(GB50218-94)提出的二级分类对边坡岩体进行质量分级[5],见式(3-1)。其中,σcw为岩块饱和单轴抗压强度,Kv为岩体完整性系数[6][7]。算得边坡安山玢岩BQ值为356.8,属于Ⅲ级岩体,岩体为碎裂结构。

BQ=90+3σcw+250Kv

(3-1)

3.3 边坡岩体和结构面物理力学计算参数

结合室内试验和工程地质类比,边坡岩体和结构面的物理力学参数计算建议值见下表3.2和3.3。

表3.2 边坡岩体物理力学参数

表3.3 边坡结构面物理力学参数

4 边坡变形破坏模式

采用赤平投影法,做出边坡结构面和坡面的赤平投影图,五组结构面交线的产状见图4.1所示。

图4.1 边坡结构面赤平投影图

分析可知,边坡可能沿着J1结构面(190°∠55°)发生平面滑动,还可能沿着J1、J4结构面交线I14发生楔形体滑动。

5 3DEC数值分析

5.1 原理与方法

采用3DEC软件分析边坡稳定性,可以得到任意单元的位移和应力。在计算时,对结构面的摩擦角φ和粘聚力с进行折减。刚开始,折减系数取值比较小,结构面抗剪强度较大。随后逐步增大折减系数,结构面抗剪强度逐步较小,直到边坡岩体刚好发生失稳破坏时终止折减。取实际抗剪强度与此时折减的抗剪强度之比为边坡稳定的安全系数[8]。

5.2 模型建立

用3DEC建立考虑风化带和5组优势结构面的边坡地质力学模型,其它结构面反映在岩体计算参数的弱化上。假定结构面无限延伸且剪出口位于坡角处。模型计算范围长300m、宽50m、最高点高114.04m。计算采用莫尔-库仑屈服条件的弹塑性模型,模型X轴指向坡面倾向方向,Y轴与坡面走向平行,Z轴竖直向上。

5.3 计算工况

选取自然状态、暴雨及地震3种工况,分别分析边坡发生平面破坏和楔形体破坏的稳定性。在暴雨工况下,结构面强度指标按照自然状态下80%计算。在地震工况下,按照边坡区基本地震烈度为Ⅵ度计算,增加一个指向坡面倾向方向的水平地震加速度,地震加速度取0.05g。

5.4 边界条件

在X方向固定模型的左右边界,在Y方向上固定模型的前后边界,在Z方向固定底面边界,同时将顶面视作自由边界。Z方向还施加一个与坐标轴方向相反的重力加速度,大小取值9.8m/s2。

5.5 结算结果

以边坡在天然状态下发生楔形体滑动为例,边坡的应力和位移图见5.1-5.4所示。

图5.1 边坡天然状态下楔形体滑动最大主应力分布图

图5.2 边坡天然状态下楔形体滑动最小主应力分布图

图5.3 边坡天然状态下楔形体滑动X轴向位移图

图5.4 边坡天然状态下楔形体滑动Z轴向位移图

由图可知,边坡最大主应力值从边坡底部到顶部逐渐减小,最大值约为14.514MPa,位于边坡山脊底部处。最大主应力在边坡表面产生了拉应力,大小在0～0.004MPa左右。最小主应力值从坡脚到坡顶也逐渐减小,最大值约为4.771MPa,位于边坡山脊底部处。最小主应力在边坡坡面处也产生了拉应力,大小在0～0.004MPa左右。

X轴向位移呈现出坡面中间最大、坡顶和坡脚逐渐减小的特点,最大位移约10.29cm位于边坡坡面中部马道处。Z轴向位移随高程的增大而增大,最大位移约12.207cm。

经过强度折减法稳定性计算,得出自然工况下边坡楔形体破坏的稳定性系数为1.18。

3DEC软件分析了边坡在自然状态、暴雨和地震工况下的应力、位移场,计算了边坡的稳定性系数,其余工况和破坏模式下的稳定性系数见表5.1。

表5.1 边坡不同工况下稳定性系数

6 结论

根据《建筑边坡工程技术规范)(GB 50330-2013),边坡安全等级为一级,边坡保持稳定的安全系数为1.35。边坡在自然状态、暴雨和地震工况下稳定性系数均低于保持稳定的安全系数,边坡在局部地区产生拉应力,边坡极有可能发生平面滑动和楔形体滑动破坏,暴雨和地震作用下会加速破坏。

[1]刘佑荣,唐辉明.岩体力学[M].北京：化学工业出版社,2009．

[2]邹桂林.谈谈工程地质中和地质力学相关的问题[J].江西建材,2009(04)．

[3]陈祖煜,汪小刚,杨健.岩质边坡稳定分析[M].北京：中国水利水电出版社,2005．

[4]李松,苏生瑞,高晖,等.离散元在地震引发的滑坡——碎屑流规律上的应用[J].甘肃地质.2012(2)．

[5]建设部,国家质量监督检验检疫总局.工程岩体分级标准(GB50218-2014)[S].北京：中国建筑工业出版社,2015．

[6]程世勇.工程岩体分级法在采空区稳定性分析中的应用[J].露天采矿技术,2013(09)．

[7]王涛.大峪沟—三峡岭引水隧洞围岩稳定性分析[D].辽宁：辽宁工程技术大学,2009．

[8]韦立德,杨春和,高长胜.基于三维强度折减有限元的抗滑桩优化探讨[J].岩土工程学报.2005(11)．