滲透壓力作用下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定計算分析

閆 涵，宋明瑞

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

0 引言

水利水電施工中，在選定樞紐布局方法和建筑設(shè)計時，經(jīng)常不可避免地產(chǎn)生巖石高陡坡度，如庫岸邊坡、拱壩壩肩邊坡等，對于節(jié)理、斷層發(fā)育的巖質(zhì)邊坡，楔形體滑塊是邊坡工程中常見的破壞形式。巖石邊坡經(jīng)常由于沒有排水設(shè)施、運(yùn)行期間大雨或久雨、高拱壩的泄流霧化雨等因素導(dǎo)致地下水位突然上升，產(chǎn)生地下水的滲流，其作用對楔形體穩(wěn)定性影響較大，是造成邊坡失穩(wěn)的主要因素。

文中總結(jié)設(shè)計巖石邊坡楔形體滑塊抗滑穩(wěn)定計算成果，分析滲透壓力作用下楔形體穩(wěn)定的不同計算方法。

1 楔形體穩(wěn)定計算思路和方法

1.1 計算思路

邊坡穩(wěn)定計算中，根據(jù)地質(zhì)平面圖及平切圖可以得到特定斷層分布。首先應(yīng)對邊坡潛在楔形體滑塊組合進(jìn)行篩選，通常采取赤平極射投影法，將主要發(fā)育的各組斷層、節(jié)理兩兩組合作為滑動面進(jìn)行試算，篩選出抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)較小的楔形體滑塊組合，并結(jié)合各楔形體滑塊滑動方向，分析確定是否存在可作為相應(yīng)滑塊張裂縫面的節(jié)理裂隙，最終得出邊坡典型楔形體滑塊組合。

對于各滑塊組合，節(jié)理裂隙是隨機(jī)分布的，需要分析不同大小滑塊的穩(wěn)定性。如計算各工況下所有滑塊的安全系數(shù)，則工作量過大，通?？舍槍δ骋还r計算出各組合中最危險的楔形體滑塊，然后對其進(jìn)行全工況抗滑穩(wěn)定計算。

1.2 計算方法

根據(jù)NB/T 10512-2021《水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》，采用楔形體法時，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K按下式計算，楔形體穩(wěn)定分析法計算簡圖如圖1所示。

圖1 楔形體穩(wěn)定分析法計算圖

式 中：AA，AB，c′A，c′B，φ′A，φ′B分別為滑 面A和滑面B的計算面積、有效凝聚力和內(nèi)摩擦角；UA，UB，UC分別為滑面A、滑面B和張裂縫面C上的水壓力；W為楔形體滑塊的重量；NA，NB分別為滑面A、滑面B的有效法向應(yīng)力；P為錨桿、滲透壓力等其他外作用力；q，r，s，x，y，z，mWS，mCS，mRS為相關(guān)作用系數(shù)。

2 滲透壓力計算

1）算法1：根據(jù)邊坡設(shè)計規(guī)范，當(dāng)由于地下水位較高或上述因素導(dǎo)致地下水位上升，而產(chǎn)生地下水滲流工況時,對完全被河流淹沒的滑體部分，按浮容比重計算，對不能被河水徹底淹沒的滑體部分，其滲透壓強(qiáng)或動水壓強(qiáng)Pw按下式推算：

式中：γw為水的重度；V為滲流作用范圍內(nèi)巖體的體積；J為地下水的滲透比降。

2）算法2：實際計算中，滲透壓力對楔形體的作用狀況較為復(fù)雜，亦可將滲透壓力計入到各表面水壓力中，直接計算楔形體各表面的水壓力，此方法對于水下部分采用飽和容重，水壓力Uw的計算公式：

式中：A為楔形體各表面面積；γc為各面的形心水頭。

兩種算法均需對滑塊相關(guān)部分體積及表面積進(jìn)行測量獲得。

3 實例分析

3.1 工程概況

某工程擋水建筑物型式為混凝土拱壩，大壩左岸岸坡相對較緩，坡頂面近似走向N65°E，傾向SE，傾角35°。為滿足大壩輪廓的要求，方便施工，采用全徑向開挖方式。巖質(zhì)邊坡開挖坡比1∶0.3～1∶0.4，每16.0 m高差設(shè)置1層馬道，馬道徑向?qū)挾葹?.2 m，開挖后邊坡最大高度約230.0 m。右岸岸坡較陡，為減小開挖量和棄渣，右岸采用窯洞式拱肩槽槽挖。兩岸巖石斷層、節(jié)理裂隙較為發(fā)育，均以中等～陡傾角為主。開挖后形成的邊坡坡度較陡，經(jīng)赤平投影法對邊坡潛在楔形體滑塊組合進(jìn)行篩選，典型組合見表1，該組合的赤平極射投影見圖2。根據(jù)地勘資料，邊坡巖性為花崗巖，構(gòu)造陡傾角裂隙連通率取20%，滑動面的抗剪斷參數(shù)根據(jù)裂隙連通率及卸荷帶分布比例進(jìn)行加權(quán)取值。

表1 典型組合邊坡楔形體滑塊產(chǎn)狀要素

圖2 邊坡的赤平極射投影

3.2 楔形體穩(wěn)定分析及計算

1）考慮節(jié)理裂隙分布的隨機(jī)性，針對上述滑塊組合，通過偏移側(cè)滑面節(jié)理位置及張裂縫面位置，對組合中各楔形體滑塊進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計算（施工期工況），找出最危險滑塊，主要計算參數(shù)及結(jié)果見表2。

表2 危險滑塊及計算安全系數(shù)

2）根據(jù)邊坡設(shè)計規(guī)范，考慮工程地下水位較高，以及暴雨或久雨造成的地下水位升高，對上述危險滑塊的兩種工況進(jìn)行分析：工況1（持久作用情況），邊坡正常運(yùn)行期（水力坡降J=0.5）；工況2（短暫作用情況），正常運(yùn)行期大雨或久雨所造成的地下水位升高（水力坡降J=0.6）。

假定地下水滲流方向垂直于開挖邊坡面走向，滲透壓力分別按照上述兩種算法進(jìn)行計算，滑塊抗滑穩(wěn)定計算安全系數(shù)分別見表3、表4。

表3 算法1危險滑塊計算安全系數(shù)

表4 算法2危險滑塊計算安全系數(shù)

根據(jù)上述結(jié)果，兩種算法的計算結(jié)果有一定差別，但差別較小。在實際工程中，建議根據(jù)巖石特性及參數(shù)，研究地下水可能的分布情況，選擇合適的算法（或多種方法）進(jìn)行邊坡抗滑穩(wěn)定計算求解。

4 結(jié)語

上文通過對巖石邊坡楔形體計算思路進(jìn)行總結(jié)梳理，分析了裂隙水壓作用的不同計算方法，復(fù)核邊坡設(shè)計規(guī)范中算法的可靠性。多項科學(xué)研究結(jié)果和統(tǒng)計資料都證實，影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的最主要原因是地下水[1，2]。地下水常由暴雨或排水措施影響等而升高，形成的滲流力會對滑塊產(chǎn)生一定的作用，影響邊坡穩(wěn)定性。建議類似問題應(yīng)充分搜集巖石地質(zhì)資料，研究不同時段的地下水分布規(guī)律，為邊坡穩(wěn)定性分析及計算提供合理依據(jù)。

根據(jù)邊坡設(shè)計規(guī)范要求，對于Ⅰ級、Ⅱ級的高～超高邊坡，應(yīng)采用多種分析方法進(jìn)行穩(wěn)定分析，如有限元、離散元等數(shù)值方法，綜合評估高邊坡變形狀況和穩(wěn)定可靠性，進(jìn)行綜合比較后確定加固處理措施。