某水电站坝肩随机块体稳定系数敏感性影响分析

杨昌斌,严华,谭锦荣

(1.中交四航工程研究院有限公司,广州 510230;2.广东省科源工程监理咨询公司,广州 510170; 3.中交第四航务工程局有限公司,广州 510230)

某水电站坝肩随机块体稳定系数敏感性影响分析

杨昌斌1,严华2,谭锦荣3

(1.中交四航工程研究院有限公司,广州 510230;2.广东省科源工程监理咨询公司,广州 510170; 3.中交第四航务工程局有限公司,广州 510230)

针对复杂的地质条件,运用三维极限平衡法对某水电站坝肩随机块体的稳定性进行分析,并研究了块体稳定系数Fs的敏感性影响因子。通过敏感性计算,确定了结构面抗剪强度参数(包括粘聚力C、抗剪断摩擦系数f)和结构面产状(包括倾向和倾角)两组主要影响因子,分析了以上影响因子与Fs的变化规律。根据主要影响因子的变化规律比较,得出结构面产状是影响随机块体稳定性主导因素的结论。敏感性影响因子的变化规律分析,为坝肩抗滑设计和治理提供了一定的理论依据。

三维极限平衡法;抗剪强度参数;产状;敏感性分析

坝肩所在地形地质条件,包括岩体断层、裂隙等一般较为复杂,是影响坝肩安全稳定的主要因素。影响坝肩岩体稳定的因素很多,通过随机块体理论搜索坝肩潜在的不稳定块体,并进行因素敏感性分析,可以找出决定坝肩岩体稳定的主导因素,从而为坝肩抗滑设计和治理提供依据。

1 工程概况

某水电站挡水建筑物为抛物线型碾压混凝土双曲拱坝,坝顶高程1452.5 m,坝底高程1285 m,最大坝高167.5 m,为目前世界上最高的碾压混凝土拱坝。坝肩岩体主要由中厚层-块状灰岩和中厚层-块状白云岩组成。坝肩抗滑的主要工程地质问题是在左岸坝肩存在一组以J14为代表的张性裂隙及沿裂隙发育的夹泥溶洞(表1)。该张性裂隙和层面裂隙组合可形成楔形块体,对坝肩稳定不利,因此需要对边坡的稳定性进行分析,从而为设计和治理提供依据。

表1 坝肩发育的结构面一览表Table 1 Schedule of structural p lanes developing in the dam abutment

2 块体理论计算基本原理

2.1 运动模式分析

块体的运动形式有3种,即脱离岩体(脱落或上托)、单面滑动及双面滑动[1]。

(1)块体脱离岩体运动

(2)单面滑动

其中,

块体沿结构面i的滑动还必须满足下列两个条件:

(3)双面滑动

块体沿两个结构面i和j运动,即沿两结构面的交线运动,其运动方向Sij与主动力合力呈锐角相交,即:

式中,k代表块体各结构面,但k≠i≠j。

2.2 稳定性安全系数

(1)块体脱离岩体运动

(2)单面滑动

按极限平衡的概念,块体的稳定安全系数为作用在块体上的阻滑力与滑动力之比,阻滑力为主动力引起的在滑面上反作用力造成的抗剪力,滑动力为在滑动方向上的分量。当考虑滑移面的粘聚力作用时,安全系数Fc的计算公式为:

式中,fi、Ci分别为滑动面摩擦系数和粘聚力;Ai为块体滑动面的面积;Ni、Ti为合力在滑动面i上沿法向和切向上的分量。

(3)双面滑动

考虑滑移面的粘聚力时,块体的安全系数为:

式中,fi、Ci、fj、Cj分别为滑面i、j的摩擦系数和粘聚力;Ai、Aj为滑面i、j的面积;Ni、Nj为合力在滑面i、j法向上的分量;Tij为合力沿滑面i、j交线方向上的滑动力分量。

其中,Ni、Nj、Tij通过以下各式进行计算:

3 坝肩稳定性分析

3.1 稳定性系数计算

根据张性裂隙、层面溶浊裂隙、卸荷裂隙以及切层裂隙的空间组合关系及其与边坡坡面的方位关系,利用块体理论搜索出左坝肩边坡潜在可移动块体类型主要有2组(1#、2#),右坝肩下游边坡潜在可移动块体类型有1组(3#)。楔形体块体参数见表2和表3。

表2 结构面抗剪强度参数Table 2 Shearing resistance parameters of structural p lane

表3 潜在楔形体结构面组合Table 3 Structural p lane combination of potential sphenoid

根据刚体极限平衡分析,坝肩楔形体受力分析模型(为突出楔形体所受外力,图示未列重力和块体与母体之间的作用力;图示竖向力、顺河力、横河力均为拱坝传递给坝肩上楔形体的外部作用力)如图1所示。根据《混凝土拱坝设计规范》(DL/T5346-2006),在该拱坝坝肩稳定计算报告中,对1#～3#楔形体在不同工况下的稳定性进行了分析计算,其稳定性计算结果见表4。

图1 拱坝楔形体受力分析模式Fig.1 Force analysismode of arch dam sphenoid

表4 拱坝坝肩稳定计算成果Table 4 Stability calculation results of arch dam abutment

3.2 稳定影响因素敏感性分析

坝肩稳定影响因素敏感性分析就是研究和分析由于影响坝肩岩体各因素的不确定性变化所产生的影响,即研究工程主体发生变化而使稳定系数发生变化程度。如果某些不确定性因素在一定范围内变化使稳定系数产生很大变化幅度,则说明这些不确定性因素是敏感性强的,反之则是敏感性不强的。由于各因素对稳定系数Fs的影响程度不同(即敏感性大小不同),因此需要以定量的标准来找出其中影响较大的因子,并分析其影响规律[2,3]。敏感因子对稳定系数Fs影响程度的大小可用敏感性系数来反映。因素敏感性系数的定义如下:

式中,|Δx|为X因素的变化量;Fso为各因素的基准值计算出的稳定性系数基准值;|ΔFs|为某一因素变化所引起的稳定性系数变化量。

一般来说,结构面抗剪强度参数和结构面产状对坝肩楔形体稳定性影响较大,因此取结构面抗剪强度参数和结构面产状等因素进行敏感性分析。以1#楔形体在校核洪水位加温升工况的稳定性分析为例,根据块体理论计算结构面抗剪强度参数和结构面产状变化引起的稳定性系数变化值,并分析出各因子对稳定性系数的敏感性。

假定1#楔形体后缘拉裂面连通率为100%,图2～4为后缘拉裂面倾角、倾向与楔形体稳定系数的敏感性分析结果。由计算可知,随着拉裂面倾角在40°～90°范围的增大,稳定系数逐渐增大。在拉裂面倾向在90°～130°范围内逐渐增大时,稳定系数逐渐减小。其原因是由于拉裂面倾角、倾向的改变,使得楔形体体积发生变化,抗滑力和下滑力也随之发生改变。

图2 拉裂面倾角敏感性分析Fig.2 Suscep tibility analysis on the dip angle of pull apart p lane

图3 拉裂面倾向敏感性分析Fig.3 Suscep tibility analysis on the dip of pull apart plane

图4 侧裂面②抗剪断摩擦角敏感性分析Fig.4 Suscep tibility analysis on the shearing resistance friction angle of sideslip surface②

根据计算结果,拉裂面倾角与稳定系数呈正相关(图2),相关系数大于0.99;拉裂面倾向与稳定系数呈负相关(图3);侧裂面抗剪强度参数与稳定系数呈正相关(图4、图5)。

图5 侧裂面②粘聚力敏感性分析Fig.5 Suscep tibility analysis on the cohesive strength of sideslip surface②

根据式(18)～(20)可以得出表5。

由表5可知,拉裂面的倾向是影响1#楔形体稳定性大小的最敏感的因素,其敏感性系数达3.884;其次是拉裂面倾角的影响,敏感性系数为1.092;然后是侧裂面②抗剪断摩擦系数的影响,敏感性系数为0.700;侧裂面②粘聚力的影响最小,敏感性系数为0.085。同理对楔形体2#和3#进行分析,得到类似结果。

表5 因素敏感性系数计算Table 5 Suscep tibility coefficient calculation of factors

4 结论

对于随机块体而言,组成块体的结构面产状和抗剪强度参数是具有随机性的。潜在楔形体结构面的抗剪强度参数在一定程度上是通过实验或经验来预估。由于地质体的复杂性,潜在楔形体结构面的产状和延伸程度却很难预测。

对一般岩土体边坡而言,若确定了潜在滑面的位置,则潜在滑面的抗剪强度参数往往是影响稳定性最主要的因素(如文献[2]和文献[3]其结论是滑面的抗剪强度参数是影响稳定性最主要的因素),但是对于随机块体理论而言,人们更应该重视可能形成块体的结构面产状,更应该关注野外的工程地质调查工作。随着岩体结构面三维网络模拟理论与应用的发展,从宏观角度对坝肩块体系统整体稳定性分析的研究越来越得到工程地质学者和技术人员的重视。

对拱坝坝肩设计而言,结构面力学指标和产状等是控制稳定计算的关键指标。拱肩槽开挖后将形成三面凹坡,若挖后揭露的结构面产状和力学性质与目前提供的数据有差别,或出现新的结构面时,应对实际揭露的结构面进行调查与试验,并进行块体稳定性分析或其他必要的分析研究。

[1]杨昌斌,池为,姜清辉,等.万家口子水电站高碾压混凝土拱坝坝肩三维可视化稳定分析[J].红水河,2008,27(4):47-50.

[2]周佳荣,易发成,侯莉.多因素作用下边坡稳定影响因素敏感性分析[J].西南科技大学学报,2008,23(2):31-36.

[3]任奋华,杨志军,刘艳,等.滑动带稳定系数的敏感性影响规律的研究[J].金属矿山,2009,5:155-157.

STABIL ITY SENSIBIL ITY ANALYSISONDAM ABUTM ENT BASE BY RANDOM BLOCK THEORY

YANG Chang-bin1,YAN Hua2,TAN Jin-rong3
(1.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.,L td,Guangzhou 510230,China; 2.Guangdong Keyuan Engineering Supervision Consultant Company,Guangzhou 510170,China; 3.CCCC Fourth Harbo r Engineering Co.,L td,Guangzhou 510230,China)

There are lo ts of discontinuities w hose geometry exhibits a random behavio r in rock excavated slopes,and the failure surface of the slope is no rmally consisted of the joints and rock-bridges.The rock mass of dam abutment is enclosed by faults,joint fissures and bedding planes,and it is necessary to carry out stability sensibility analysis in o rder to make the abutment w ithstand potential slide.In the paper,three-dimensional limiting equilibrium method is emp loyed for stability analysison the dam abutment.The facto r influencing the dam abutment stability is numerous.The leading facto r can be found out through the sensitivity analysis,w hich offered the basis for administration and design of the dam abutment.The sensitivity study indicates that the two main influencing factors are shear strength parameters and occurrences of rock mass structure.The change law sof Fs under different conditions are analyzed and it is concluded that the occurrences of rock mass structure are the most sensitive one of the two.The analysisof sensitivity influencing facto rs can p rovide a theo retical basis for the dam abutment stability analysis.

three-dimensional limiting equilibrium method;shear strength parameters;occurrences;sensibility analysis

P642;TU 457

:A

1006-4362(2010)02-0044-04

杨昌斌(1977- ),男,湖北云梦人,高级工程师,博士,主要从事岩土工程设计与施工、隧道与地下空间工程设计与施工、水利水电工程设计与施工、地质灾害治理、软土地基处理及其相关科研教学工作。

2009-12-27改回日期:2010-05-07