顺层岩质边坡的稳定性及敏感性研究

2014-11-26侯争军

山西建筑 2014年29期

侯争军

(中国大唐集团四川分公司，四川成都 610091)

0 引言

随着我国水利水电工程建设的快速发展，出现了大量的顺层岩质边坡工程问题，有些顺层岩质边坡的稳定性问题直接决定着工程修建的可行性。顺层岩质边坡是指倾斜方向与边坡层状基岩的倾向接近或大体一致的边坡。影响其稳定性的主要因素有结构面倾角大小、粘聚力、内摩擦角、地下水以及节理裂隙切割状况等。

本文结合某水电站的顺层岩质边坡工程，运用有限元法，对影响顺层岩质边坡的稳定性分析，并对粘聚力、内摩擦角、结构面倾角和地下水影响因子的敏感性问题进行分析，从而得到了顺层岩质边坡稳定性的一些规律。

1 边坡工程概况

某水电站边坡工程位于西南部山区，地形地貌条件十分复杂，自然边坡高陡，基岩裸露，边坡稳定性较差，其中顺层边坡的稳定性问题较为突出。自然边坡高大于300 m，开挖边坡高约125 m，宽约130 m，开挖坡比1∶0.5，岩性以花岗岩为主，岩石组分中石英含量约占35%，钾长石含量大于20%，斜长石约占40%，黑云母3%，角闪石1%，铁矿石少许。其软弱夹层厚度为1 mm～5 mm，其倾斜方向与基岩倾向呈顺层关系，依据试验资料，软弱夹层的强度参数为c=30 kPa，φ=25°，边坡设计断面如图1所示。岩体物理力学指标如表1所示。

图1 顺层边坡设计断面图

表1 岩体物理力学指标值表

2 顺层岩质边坡稳定性数值模拟研究

2.1 有限元模型［4］

本次分析计算将岩土体材料视为各向同性的理想弹塑性材料，Drucker-Prager屈服准则可以较准确描述这类材料，Drucker-Prager函数的表达式如下:

其中，I1为应力第一不变量;J2为偏应力第二不变量;a，δy均为Drucker-Prager准则的相关参数。

2.2 边坡稳定性与粘聚力关系

在无地下水位时，取 c=15°，20°，25°，30°，35°，40°，50°共7个值，其他参数不变，c与边坡的稳定安全系数的关系见图2。

图2 顺层边坡稳定性与粘聚力c的关系

由图2可以看出，安全系数与粘聚力基本上保持线性关系，随着粘聚力c的增大，安全系数Fs也随之增大。边坡稳定安全系数Fs对于岩体粘聚力c的变化率为0.006～ -0.028，平均值为0.017。

2.3 边坡稳定性与内摩擦角关系

在无地下水位时，取 φ =15°，20°，25°，30°，35°，40°，45°的 7个值，其他参数不变，φ与边坡的稳定安全系数的关系见图3。

图3 顺层边坡稳定性与内摩擦角φ的关系

由图3可以看出，安全系数与内摩擦角φ基本上保持线性关系，随着内摩擦角φ的增大，安全系数Fs也随之增大。边坡稳定安全系数Fs对于岩体内摩擦角φ的变化率为0.008～-0.04，其平均值为 0.02。

2.4 边坡稳定性与地下水位的关系

本文将地下水位的高度以水位线距边坡顶面的距离来表示，地下水位为0时表示地下水位线沿边坡坡面分布。计算中考虑了渗水压力的影响作用，取地下水位为0，1，2，3，4，5 共6 个值，其他参数不变，hw与边坡的稳定安全系数的关系见图4。

图4 顺层边坡稳定性与地下水位hw关系

由图4可以看出，边坡稳定安全系数Fs对地下水位hw的反应比较敏感，随着地下水位hw的不断升高，边坡稳定安全系数Fs逐渐减小。边坡稳定安全系数Fs对于地下水位hw的变化率为0.02 ～0.04，其平均值为0.03。

2.5 边坡稳定性与结构面倾角关系

为研究结构面倾角与边坡稳定安全系数的关系，依次改变结构面倾角为 15°，20°，25°，30°，34°，35°，40°，45°共 8 个值，保持其他参数不变，边坡结构面倾角与边坡稳定安全系数的关系见图5。

图5 边坡结构面倾角与安全系数关系

由图5可以看出，当边坡结构面倾角小于34°时，结构面倾角与边坡安全系数成反比关系，计算表明此范围内结构面倾角越小则越有利于增强边坡的稳定性;当结构面倾角大于34°时，边坡安全系数与结构面倾角成正比关系，计算表明在此范围内顺层倾角越大则越有利于增强边坡的稳定性;边坡稳定安全系数Fs对于结构面倾角的变化率为0.002 4～ -0.09，平均值为0.05。