水利工程楔形体稳定性分析及支护优化处理

关玉春

(福建省水利水电工程局有限公司，福建 泉州 362000)

0 引 言

在节理化岩质边坡中，由于结构面的切割作用，楔形体破坏是一种常见的边坡破坏形式。如何在众多结构面中寻找出优势结构面，即对边坡产生破坏性的结构面，并且对该结构面构成的楔形体进行稳定性分析，判别其滑移方式，为楔形体支护提供有力的数据支撑。

在楔形体稳定性分析中，在定性分析方法中赤平极射投影是一种重要的分析方法，将三维的边坡数据投射到二维平面中，能够直观准确地判别坡体稳定性以及优势结构面。在现行的楔形体稳定性分析方法中，Swedge作为一种极限平衡法分析软件，能够快速对四面体的楔形体进行稳定性分析并提供简便快捷的支护计算。

本文利用赤平极射投影对某岩质边坡进行定性分析，从多组结构面寻找出优势结构面，并对该优势结构面进行稳定性分析，寻找出最佳支护方式。

1 楔形体稳定性分析

边坡受两个相交的结构面切割时，构成的可能滑移体多数是楔形体，在自重作用下，一般是由两个结构面的组合交线的倾斜方向控制。

在楔形体稳定性分析中，只考虑楔形体的几何方向，很难准确地得到楔形体安全系数。1973年，Hoek等在对楔形体极限稳定性分析中，同时考虑了楔形体的几何尺寸、结构面的抗剪强度和地下水分布。图1为楔形体分析要素和水压力分布图。

图1 楔形体分析要素和水压力分布图

根据图1楔形体的分析要素及水压力分布图，将其进行极限平衡法分析。图2为赤平极射投影的楔形体稳定性分析赤平极射投影图。

图2 赤平极射投影楔形体稳定性分析

Hoek等所进行的楔形体稳定性分析，稳定性系数FS可计算为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

ψ5=tanψacos(αa-α5)=tanψbcos(αb-α5)

(7)

式(1)～式(7)中：αa、ψa分别为结构面A的倾向和倾角；αb、ψb分别为结构面B的倾向和倾角；α5、ψ5为结构面A和结构面B的交线5的倾向和倾角；na,nb分别为结构面A和结构面B的极点；θ13、θ24、θ45、θ35、θna,nb分别为图2中赤平极射投影图交线的交点；ca,φa分别为结构面A的黏聚力和内摩擦角；cb、φb分别为结构面B的黏聚力和内摩擦角；γc为楔形体岩体容重；γw为水容重；H为楔形体高度，HCR为楔形体的临界高度。

2 工程概况

某水利工程库岸边坡，坡体地质情况复杂。结合地质调查及相关勘探发现，该岩质边坡有多组结构面，节理裂隙发育，岩体多属于灰岩和白云岩，该边坡属于典型的多级复杂性岩质边坡。图3为该滑坡全貌图。

图3 滑坡全貌图

3 赤平极射投影分析

经过现场地质调查和相关技术手段分析，现场查明该坡体有8条不同发育程度的结构面，表1为坡体及结构面产状数据。利用赤平极射投影技术，对该坡体进行定性分析，图4为该坡体及结构面的赤平极射投影图。

表1 坡体及结构面产状数据

图4 坡体赤平极射投影图

根据现场地质调查发现，该岩质边坡沿着某个结构面发生顺层滑移的可能性很小，最有可能发生楔形体滑移。从图4中的坡体赤平极射投影图中可以看出，有3组结构面交线位于自然坡面与开挖坡面之间的月牙形的区域。根据楔形体滑移原理可知，该3组结构面组合形成的块体最容易发生楔形体滑移。表2为根据式(6)和式(7)求解得到的结构面交线的产状数据。

表2 结构面交线的产状数据

根据上述对结构面交线的分析，有3组结构面交线容易造成坡体滑移。下面利用Swedge软件对该坡体进行稳定性分析，为楔形体支护提供数据支撑。

4 Swedge稳定性分析

利用极限平衡法软件Swedge，对上述所筛选出的易发生滑移的结构面交线进行稳定性分析。该坡体结构面属于软弱结构面，通过现场地质调查和相关实验室试验，参照相关规范，对该结构面的物理力学参数进行取值，表3为结构面的物理力学参数。

表3 结构面力学参数

4.1 结构面J2和J4

对结构面J2和J4组合进行稳定性分析，根据现场地勘资料，利用Swedge进行确定性分析。图5为结构面J2和J4组合楔形体滑移图，图6为该楔形体结果输出。

从该结果输出可知，当结构面J2和J4组合时，楔形体的安全系数为1.697。该组合形式的楔形体不易发生滑移，无需对其进行支护处理。

图5 结构面J2和J4组合楔形体滑移图

图6 结构面J2和J4组合楔形体结果输出

4.2 结构面J4和J5

对结构面J4和J5组合进行稳定性分析，根据现场地勘资料，利用Swedge进行确定性分析。图7为结构面J4和J5组合楔形体滑移图，图8为该楔形体结果输出。

图7 结构面J4和J5组合楔形体滑移图

图8 结构面J4和J5组合楔形体结果输出

从该结果输出可知，当结构面J4和J5组合时，楔形体的安全系数为1.622。该组合形式的楔形体不易发生滑移，无需对其进行支护处理。

4.3 结构面J4和J8

对结构面J4和J8组合进行稳定性分析，根据现场地勘资料，该楔形体高35 m，利用Swedge进行确定性分析。图9为结构面J4和J8组合楔形体滑移图，图10为该楔形体结果输出。

从该结果输出可知，当结构面J4和J8组合时，楔形体的安全系数为1.086。根据《建筑边坡技术规范》(GB50330-2013)[9]的安全要求，该组合形式的楔形体易发生潜在滑移，需对其进行支护处理。

图9 结构面J4和J8组合楔形体滑移图

图10 结构面J4和J8组合楔形体结果输出

5 Swedge支护分析

从以上坡体稳定性分析结果可知，当该坡体结构面J4和J8组合时，该组合形式形成的楔形体易发生潜在滑移，需要对其进行支护处理。对该楔形体支护拟采用端锚支护处理，锚杆长度为20 m，设定安全系数为1.4，利用Swedge进行优化支护分析。图11为锚杆支护示意图，图12为锚杆支护后结果输出。

图11 锚杆支护示意图

图12 锚杆支护后结果输出

从上述结果可知，最优化的锚杆支护产状为313°∠69°，结构面J4和J8的结构面交线的产状为134°∠24°，在赤平极射投影图中，最优化的锚杆支护位置与结构面交线是垂直的，符合工程实际要求。

6 结 论

利用赤平极射投影对某岩质边坡进行定性分析，从多组结构面寻找出优势结构面，结构面J2和J4、J4和J5、J4和J8组合形成的楔形体易发生潜在滑移。利用极限平衡法软件Swedge并对该3组优势结构面进行稳定性分析，求解出结构面J4和J8组合形成的楔形体安全系数不符合规范要求，对其进行优化支护分析，确定最优支护方案。本文分析方法对实际工程有一定的参考意义，在工程实践中可灵活运用。