含软弱夹层的边坡稳定性及加固分析

2014-03-22谢红建

东北水利水电 2014年7期

关键词：卸荷屈服夹层

谢红建,万力

（贵州省水利水电勘测设计研究院,贵州贵阳 550002）

含软弱夹层的边坡稳定性及加固分析

谢红建,万力

（贵州省水利水电勘测设计研究院,贵州贵阳 550002）

在进行某水利工程坝址野外地质勘察时，发现在坝址右岸边坡中存在 3条软弱夹层，这些夹层控制着边坡的稳定性。通过对软弱夹层的调查及对该边坡破坏模式的分析，建立了边坡三维地质模型，确定了岩体及控制性层面的物理力学参数。运用数值分析方法，模拟边坡实际的开挖和锚固过程，计算边坡在开挖加固过程中边坡体的应力、应变、位移和塑性区分布、稳定性系数等。通过分析计算结果及评价边坡加固效果，为水电站安全运营提供了一定的参考依据。

岩质边坡；弱面夹层；三维数值模拟；稳定性；加固分析

0 引言

在西部地区，随着建设规模的扩展，在铁路、公路及水利水电工程等基本建设中，均涉及到岩质边坡的开挖和支挡。岩质边坡稳定性分析的计算方法包括两类：极限平衡法和数值分析。极限平衡法主要分析岩质边坡在平面滑动、楔形体滑动、圆弧滑动和倾倒破坏下的稳定性系数。极限平衡法基于刚体理论，不考虑滑体的变形，并假定一定形状的滑面进行计算，滑面上的应力满足摩尔－库仑准则。而数值分析方法是通过分析边坡中的应力应变特征，并应用强度折减定义其稳定性，对边坡进行应力－应变分析有利于对变形和渐进破坏机理的认识，也有利于边坡加固设计。数值分析方法应用较广的有限元法、有限差分法。

1 工程概况

某水利工程坝址右岸边坡为顺向坡，位于坝址下游，坡脚受河流切割，形成临空面；边坡岩体内卸荷裂隙、层间软弱泥化夹层发育；在坝址右岸边坡易形成以泥化夹层为底滑面，卸荷裂隙为后缘拉裂面及侧滑面的潜在不稳定体。

边坡无断裂构造切割，出露地层为中三迭统凉水井组（T2L）中厚至厚层块状灰岩。据布置于右岸的平硐揭露的泥化夹层空间几何形状分析，夹层为层间错动及溶蚀风化作用而形成。软弱泥化夹层顺层间发育，层间泥化夹层连续性较好，向深部至弱风化中下部逐渐尖灭，软弱泥化夹层面具有一定起伏差，主要为夹层 J1，J4，J6，分布在坡脚位置。其中夹层 J1，J4 为泥夹岩屑型，夹层 J6 为泥化夹层。岩体的倾角为 240。

通过采用极限平衡方法计算，拟对边坡采用清方减载和锚固相结合的方式。清方锚固的方式为：设有多级马道，马道高差为 10 m，开挖坡度为1∶2.5，开挖边坡最高约 110 m，剖面采用挂网喷混凝土护面，并设锚杆加固，在泥化夹层部位设置预应力锚索进行加固，预应力锚索轴向拉力设计值为 160 t，间排距为 4 m。

由于边坡岩体结构复杂，岸坡卸荷裂隙发育，地形地貌变化较大，开挖边坡高，三维效应明显。同时需要进行预应力锚索加固。且距离大坝等水工构筑物较近，易对水工建筑物安全构成威胁。因此进行三维条件下的边坡稳定性,以保证工程安全是非常必要的。

2 三维数值分析

2.1 三维计算模型

采用 flac3D 软件进行模拟，该程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏模式。根据开挖卸荷方案和支护及工程地质条件，坐标系以与河流流向平行且指向下游为 x轴，左侧边界坝轴线约 9 m，右侧边界距离坝轴线约 239 m。以与河流流向垂直且指向坡顶为y轴，铅垂方向为 z轴。计算模型沿 x向边坡宽度为230 m，沿 y 向边坡走向长度为 270 m，z 向边坡底部高程为 400m。共有 219 911 个单元，83 387 个节点，对于三维模型，软弱层面采用实体建模的模式，比采用接触面更容易收敛，故本次分析采用实体模型，采用上述方法生成的空间模型，见图 1。

图1 边坡的夹层分布及锚索的布置

2.2 材料的物理力学参数

岩体物理力学参数取值的原则是根据岩体室内物理力学试验、经验取值，经综合分析比较确定。综合确定岩体的物理力学参数，见表 1。

表1 岩体物理力学参数

2.3 计算假定

为便于分析计算，作出如下假设：1）岩体假设为弹塑性体，并且不考虑岩石应变硬化（或软化）；2）岩体为均质、各向同性的材料，塑性流动不改变材料的各向同性；模拟中通过岩体参数综合考虑岩层和岩体中的结构面、裂隙的存在与影响；软弱层面以实际情况来模拟；3）考虑到岩石的脆性，分析中涉及到的所有物理量均与时间无关；4）由于研究区为河谷坡地，认为构造应力已得到释放，岩体应力以自重应力为主，不考虑构造应力的影响；5）在坝址进行帷幕灌浆后，坝下游边坡的地下水位较低，不考虑地下水影响。

2.4 边界条件

计算模型除坡面设为自由边界外，模型底部设为固定约束边界，模型四周设为单向边界。在初始条件中，不考虑构造应力（现场沟谷切割，认为构造应力已得到释放），仅考虑自重应力作用下的初始应力。即在程序中采用位移边界条件，模型的左右（x方向）边界、前后（y方向）边界和底边界均施加速度约束条件，上边界为自由边界。

2.5 计算过程

计算时，按下述步骤进行：按前述约束条件，在只考虑重力作用的情况下，进行本构模型为Mohr-Coulomb 模型的弹塑性求解，应变模式采用小应变变形模式，直至系统达到平衡，然后按设计布置锚索。Flac3D 中用最大不平衡力和典型内力的比值 R表示模型的不平衡力的相对大小，该值为百分数，在计算过程中总大于零，因模型不会达到绝对稳定的平衡状态，可以根据要求的精度设定 R 值，模型默认的 R 值最小为 1e-5。

3 计算结果与分析

3.1 位移场规律分析

图2为开挖阶段及锚固阶段的 y向垂直河流向水平位移云图。位移最大的部分集中在软弱层面 J6 以上，其位移方向朝向河床，最大值约 2.6 cm，越远离软弱层面，其值呈环形降低，即变形向临空方向发展，其变形部位主要位于软弱层以上和开挖第一阶台阶以下的部分。而在锚固阶段，由于锚索的作用，出现了 y 方向位移向坡体内的运动，只是位移不是太大，在 1～2 mm 间，但在整个锚固区都出现该现象，说明锚索减少了向河床方向运动的位移。

3.2 应力及塑性区分布规律分析

边坡在陡峭的位置和软弱夹层上部的位置出现较大范围的拉应力，这种拉应力分布与软弱层面关系较大，这也与边坡容易产生拉裂缝相吻合。在锚固阶段，锚索作用在坡体后，产生拉应力的位置变小，且有些位置由拉应力变为压应力，说明锚索增加了该方向的约束，提高了边坡的稳定性。

图2为开挖阶段和锚固阶段剪切屈服区域和拉伸屈服分布图。从开挖阶段剪切塑性屈服区域的分布可以看出，它们均处于软弱层面附近，主要位于软弱层面 J1，J4 上部及 J6 靠近上游的位置，软弱层面 J1，J4 位于边坡下部，剪应力集中。这说明软弱层面岩体在压应力作用下发生了剪切屈服。而在边坡表面卸荷带及软弱层面附近均产生大量的拉伸屈服区，拉伸屈服容易产生拉裂缝，这和此边坡的实际情况是相符合的。故边坡的破坏形式为底部软弱层面因剪切屈服产生蠕滑，进而对软弱层面尖灭位置（锁固段）产生拉伸作用，加剧了卸荷裂隙产生的拉裂缝，进而产生破坏作用。

而在加锚索后，屈服区的范围急剧减少，屈服区仅位于 J6 靠近上游的位置，表明锚索有利于提高软弱层面的法向应力，进而提高其抗剪能力。同时锚索沿层面方向的分力也减少了下滑力，表明锚索支护效果明显。

图2 开挖阶段和锚固阶段 y方向（垂直河流）的位移

图3 开挖阶段和锚固阶段屈服区分布

3.3 锚索受力分析

锚索自由段的锚固力为 139.6 t，小于施加的锚固力 160 t，主要是锚索有向坡体内的位移，造成锚索锚固力的减少。

3.4 边坡整体破坏趋势分析

对边坡进行强度折减法的安全系数分析，发现其边坡的破坏受软弱夹层的控制，边坡的变形破坏机制为滑移－拉裂。锚固后的稳定性系数可以达到 1.41，较二维分析的 1.17 大。尽管二维和三维计算在参数相同下无可比性，但通过稳定性系数可以看出，边坡的三维效应突出。临近破坏时的屈服区分布见图 4。主要破坏形式为坡体上部产生大量的拉伸屈服，在软弱层面产生剪切屈服，同时锚索也产生屈服。