边坡优化的技术经济分析及应用
2011-09-11王立明
王立明
(国电大渡河深溪沟水电有限公司,四川汉源 625300)
1 概述
对于人工边坡,选择合适的边坡坡角和坡高、在确保安全的前提下能够降低边坡开挖量和支护量,减少经济投入。1970 年,Hoek[1]建立了坡高、坡角和边坡体参数的关系,并绘制了斜坡稳定性计算曲线。国内亦对岩质边坡做了大量平面破坏模型试验。付永胜和李隽蓬[2]基于统计分析方法建立了铁路岩石边坡坡角α与岩体质量RQ间的相关关系,提出了考虑坡高和水体因素影响的、确定铁路岩石边坡角的关系式。唐秋元和刘建宁[3]分析了不同情况下同向岩质边坡的极限稳定坡角及边坡极限高度。利用这些方法,可以对边坡设计进行优化,进而提高经济效益。
笔者结合数学原理和优化原理,以可靠性分析、费用分析以及风险分析为主线,建立了以经济指标为设计目标的目标函数,从中推求出安全性较高、费用较低、风险较小的边坡开挖方案,并以某电站右坝肩为例,对边坡优化设计的技术经济方案进行了评估。
2 Hoek的稳定性算图
Hoek经过大量研究,对地下水及张裂隙的不同条件绘制算图,用于快速确定均质边坡的安全系数,可分析地下水位和边坡剖面的改变对安全系数的影响。
对于圆弧形破坏形式的均质边坡,Hoek认为可通过稳定因数来初步快速的确定边坡安全系数或极限坡角,该稳定因数定义为,式中,γ为岩土体的重度;H为坡高;c和φ分别为岩土体的粘聚力和内摩擦角。
3 特定边坡坡角设计的优化方法
一般认为,边坡马道的设置可以将一个较高边坡分成几个坡高较小的边坡。要达到此效果,马道的宽度需满足一定的条件,即给定安全条件下的最危险圆弧滑动面在马道位置,且不得滑到上一级边坡内,否则马道对边坡安全性的改善程度将大大降低。
大量试算说明,假定1/2坡高以下部位利用岩土体自重压载有利于提高边坡稳定性,即工程上常用的“压脚”方法,则边坡的分级数和马道宽度可通过以下步骤确定:(1)根据坡高H选择合适的分级数n,各级马道与坡脚o点的垂直高度为H/2n;(2)根据H和岩土参数确定稳定因素,即可根据要求的安全系数查图1确定坡角α;(3)从o点开始,按第一级边坡的坡高查图1确定边坡坡角,得图2中的oa段;(4)根据第二级边坡至坡脚的坡高,查图1,确定第二级边坡的坡角(oc);(5)第一级水平马道宽即为ab,b点为oc与水平线的交点;(6)按第三级边坡坡高,查图1的第三级坡角(be),第二级马道宽为cd;(7)依此类推,可得第四级坡角dg,第三级坡宽ef。最后所得坡面形状如图2所示。
图1 无地下水条件的圆弧破坏算图
由图2优化前后的坡面形状可以看出,减少开挖量的关键在于最下面一级边坡的坡角和坡高的选择。
4 某电站右坝肩边坡优化的应用
依据图2所示的基本原理,对某水电站右坝肩边坡进行了设计优化。原设计边坡坡比见图3,其中,Ⅱ类岩体按 1∶0.2、Ⅲ类岩体按 1∶0.3、Ⅳ类岩体按1∶0.5 设计。
该电站右坝肩边坡主要特性包括:(1)地层岩性为灯影组中厚层状白云岩和白云质灰岩;(2)边坡岩体以弱风化、强卸荷岩体为主;岩体结构以镶嵌碎裂结构岩体为主,局部块裂结构;(3)边坡中上部岩体以Ⅳ级岩体为主,中下部以Ⅲ级岩体为主,其次为Ⅳ类。边坡区主要软弱结构面为较平缓的顺层挤压破碎带及层面裂隙。据产状分析对边坡稳定性不起控制作用,因此边坡整体稳定。
根据规范和Hoek稳定性算图,对于Ⅰ类边坡岩体类型(右坝肩边坡岩体均属Ⅰ类类型),H≤25 m边坡坡比取1∶0.25~0.35;对于Ⅱ类岩体,H≤15 m 坡比取1∶0.15,H≤8m取坡比1∶0.1,计算参数见表1。
表1 计算参数取值表
图3为原设计与优化后的坡面比较图,其中,细虚线表示初步设计方案,细实线为笔者所述方法的优化方案,粗实线为最终实施方案。
图3 原设计与优化后的坡面比较图
笔者采用简化Bishop法对3种坡面计算了安全系数,并计算了相应边坡剖面的开挖面积(表2)。由计算可知:在应用笔者的优化方法对边坡开挖面进行优化后,不仅边坡稳定性得到了改善,而且边坡开挖量亦相应减少。
表2 计算结果对比表
5 边坡优化的技术经济分析
设计结合地质条件,在实际施工过程中,将682.5 m 高程以下坡比调整为 1∶0.3~ 1∶0.2,682.5 m高程以上坡比调整为1∶0.5,边坡最大开挖高度由160 m减少至120 m左右。将技施工程量与招标工程量相比较,土方明挖节省工程量4.46 万 m3,石方明挖节省工程量 54.5 万 m3,共计节约投资2 184.79万元。如果按笔者的算法进行理论计算,还将在此基础上减少约1.7万m3的开挖量,投资节约成果显著。
6 结语
笔者简要介绍了基于Hoek稳定性算图的边坡开挖优化方法,并对某电站右坝肩边坡进行了优化计算,结果表明:
(1)基于Hoek稳定性算图的边坡开挖优化设计方法对圆弧形滑面破坏的边坡具有明显效果;
(2)在不改变开挖剥落量的基础上,可以增加边坡稳定性;
(3)在不改变边坡稳定性条件的基础上,可以减少开挖剥落量,减少投资。
[1] E.Hoek,J.Bray.Rock slope engineering[M].London:Institution of Mining and Metallurgy,1981.
[2] 付永胜,李隽蓬.铁路岩石边坡坡角的确定方法[J].西南交通大学学报,1991,26(2):56-60.
[3] 唐秋元,刘建宁.同向岩质边坡极限稳定坡角及极限高度分析[J].西部探矿工程,2005,17(2):186-188.
[4] 杨航宇,颜志平,朱赞凌,等.公路边坡防护与治理[M].北京:人民交通出版社,2002.
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[6] 《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1992.
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