闫 涵,宋明瑞
(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021)
水利水电施工中,在选定枢纽布局方法和建筑设计时,经常不可避免地产生岩石高陡坡度,如库岸边坡、拱坝坝肩边坡等,对于节理、断层发育的岩质边坡,楔形体滑块是边坡工程中常见的破坏形式。岩石边坡经常由于没有排水设施、运行期间大雨或久雨、高拱坝的泄流雾化雨等因素导致地下水位突然上升,产生地下水的渗流,其作用对楔形体稳定性影响较大,是造成边坡失稳的主要因素。
文中总结设计岩石边坡楔形体滑块抗滑稳定计算成果,分析渗透压力作用下楔形体稳定的不同计算方法。
边坡稳定计算中,根据地质平面图及平切图可以得到特定断层分布。首先应对边坡潜在楔形体滑块组合进行筛选,通常采取赤平极射投影法,将主要发育的各组断层、节理两两组合作为滑动面进行试算,筛选出抗滑稳定安全系数较小的楔形体滑块组合,并结合各楔形体滑块滑动方向,分析确定是否存在可作为相应滑块张裂缝面的节理裂隙,最终得出边坡典型楔形体滑块组合。
对于各滑块组合,节理裂隙是随机分布的,需要分析不同大小滑块的稳定性。如计算各工况下所有滑块的安全系数,则工作量过大,通常可针对某一工况计算出各组合中最危险的楔形体滑块,然后对其进行全工况抗滑稳定计算。
根据NB/T 10512-2021《水电工程边坡设计规范》,采用楔形体法时,抗滑稳定安全系数K按下式计算,楔形体稳定分析法计算简图如图1所示。
图1 楔形体稳定分析法计算图
式 中:AA,AB,c′A,c′B,φ′A,φ′B分别为滑 面A和滑面B的计算面积、有效凝聚力和内摩擦角;UA,UB,UC分别为滑面A、滑面B和张裂缝面C上的水压力;W为楔形体滑块的重量;NA,NB分别为滑面A、滑面B的有效法向应力;P为锚杆、渗透压力等其他外作用力;q,r,s,x,y,z,mWS,mCS,mRS为相关作用系数。
1)算法1:根据边坡设计规范,当由于地下水位较高或上述因素导致地下水位上升,而产生地下水渗流工况时,对完全被河流淹没的滑体部分,按浮容比重计算,对不能被河水彻底淹没的滑体部分,其渗透压强或动水压强Pw按下式推算:
式中:γw为水的重度;V为渗流作用范围内岩体的体积;J为地下水的渗透比降。
2)算法2:实际计算中,渗透压力对楔形体的作用状况较为复杂,亦可将渗透压力计入到各表面水压力中,直接计算楔形体各表面的水压力,此方法对于水下部分采用饱和容重,水压力Uw的计算公式:
式中:A为楔形体各表面面积;γc为各面的形心水头。
两种算法均需对滑块相关部分体积及表面积进行测量获得。
某工程挡水建筑物型式为混凝土拱坝,大坝左岸岸坡相对较缓,坡顶面近似走向N65°E,倾向SE,倾角35°。为满足大坝轮廓的要求,方便施工,采用全径向开挖方式。岩质边坡开挖坡比1∶0.3~1∶0.4,每16.0 m高差设置1层马道,马道径向宽度为2.2 m,开挖后边坡最大高度约230.0 m。右岸岸坡较陡,为减小开挖量和弃渣,右岸采用窑洞式拱肩槽槽挖。两岸岩石断层、节理裂隙较为发育,均以中等~陡倾角为主。开挖后形成的边坡坡度较陡,经赤平投影法对边坡潜在楔形体滑块组合进行筛选,典型组合见表1,该组合的赤平极射投影见图2。根据地勘资料,边坡岩性为花岗岩,构造陡倾角裂隙连通率取20%,滑动面的抗剪断参数根据裂隙连通率及卸荷带分布比例进行加权取值。
表1 典型组合边坡楔形体滑块产状要素
图2 边坡的赤平极射投影
1)考虑节理裂隙分布的随机性,针对上述滑块组合,通过偏移侧滑面节理位置及张裂缝面位置,对组合中各楔形体滑块进行抗滑稳定计算(施工期工况),找出最危险滑块,主要计算参数及结果见表2。
表2 危险滑块及计算安全系数
2)根据边坡设计规范,考虑工程地下水位较高,以及暴雨或久雨造成的地下水位升高,对上述危险滑块的两种工况进行分析:工况1(持久作用情况),边坡正常运行期(水力坡降J=0.5);工况2(短暂作用情况),正常运行期大雨或久雨所造成的地下水位升高(水力坡降J=0.6)。
假定地下水渗流方向垂直于开挖边坡面走向,渗透压力分别按照上述两种算法进行计算,滑块抗滑稳定计算安全系数分别见表3、表4。
表3 算法1危险滑块计算安全系数
表4 算法2危险滑块计算安全系数
根据上述结果,两种算法的计算结果有一定差别,但差别较小。在实际工程中,建议根据岩石特性及参数,研究地下水可能的分布情况,选择合适的算法(或多种方法)进行边坡抗滑稳定计算求解。
上文通过对岩石边坡楔形体计算思路进行总结梳理,分析了裂隙水压作用的不同计算方法,复核边坡设计规范中算法的可靠性。多项科学研究结果和统计资料都证实,影响岩质边坡稳定性的最主要原因是地下水[1,2]。地下水常由暴雨或排水措施影响等而升高,形成的渗流力会对滑块产生一定的作用,影响边坡稳定性。建议类似问题应充分搜集岩石地质资料,研究不同时段的地下水分布规律,为边坡稳定性分析及计算提供合理依据。
根据边坡设计规范要求,对于Ⅰ级、Ⅱ级的高~超高边坡,应采用多种分析方法进行稳定分析,如有限元、离散元等数值方法,综合评估高边坡变形状况和稳定可靠性,进行综合比较后确定加固处理措施。