水利工程邊坡穩(wěn)定性研究論文
邊坡形態(tài)規(guī)模與變形機理分析
1邊坡的形態(tài)規(guī)模
根據層面、坡面及節(jié)理裂隙赤平投影分析(圖2)，J1、J2對左岸邊坡穩(wěn)定性不起控制作用，其穩(wěn)定性主要受J3控制，受卸荷作用的影響，在左岸J3以傾北東方向(產狀為NW290°～335°/NE∠70°～80°)為主。受此外傾結構面的控制，邊坡前緣的強風化、強卸荷巖體屬潛在不穩(wěn)定塊體，在暴雨、地震等作用下，可能失穩(wěn)而發(fā)生崩塌、掉塊。
2邊坡變形機理分析
從巖體力學的觀點來看，巖體邊坡的破壞不外乎剪切和拉斷兩種形式。大量的野外調查資料及理論研究表明，絕大部分巖體邊坡的破壞均為剪切滑動破壞。研究滑動破壞問題的關鍵在于研究滑動面的形態(tài)、性質及其受力平衡關系［1］。同時，滑動面的形態(tài)及其組合特征不同，決定著要采用的具體分析方法的不同。金佛山左岸巖質邊坡的變形發(fā)育主要在坡腳平緩結構面，向坡前臨空方向產生緩慢的蠕變性的滑移。上部巖性為塊狀灰?guī)r，巖體堅硬，厚度大，底部為粉砂巖夾頁巖，巖性相對軟弱，存在易壓縮變形的.特點。針對相對較軟弱的粉砂巖層，增加了鉆孔，采用孔內全斷面成像方法，查明對應層位深度分別為57．8～62．8m和93．5～98．5m，確實存在相對軟弱、破碎的粉砂質頁巖層，為軟弱夾層，屬滑坡體深部潛在軟弱面，目前尚未完全貫通形成滑動面。上部為崩坡積土層和強風化巖塊等，中、下部以弱風化粉砂巖、頁巖巖體為主，摻雜有強風化、強卸荷巖體，部分巖體看似完整，但產狀凌亂，局部還有架空現象。因此，認為左岸巖質高邊坡是潛在滑坡，是一個深層、順層、復合機制成因的滑坡，下部為順層牽引-塑流性質、上部為壓致拉裂推移式。
穩(wěn)定性分析
1邊坡計算模型
對重慶市金佛山水利工程壩址區(qū)左岸巖質高邊坡穩(wěn)定性采用有限元強度折減法，分析天然、開挖、加固狀態(tài)的邊坡穩(wěn)定性。飽和狀態(tài)模擬開挖前后遇強降雨的土體飽和情況，加固之后考慮竣工期和蓄水期兩種情況。據王俊杰，等［2］提出的邊坡簡化計算方法和陳錦璐，等［3］在網格、邊界條件對有限元計算結果的影響分析研究，將邊坡剖面簡化并劃分網格，如圖3。
2計算參數
結構模型采用摩爾庫倫屈服準則，采用非關聯(lián)流動法則(剪脹角φ=0)。屈服準則假定:作用在某一點的剪應力等于該點的抗剪強度時，該點發(fā)生破壞，剪切強度與正應力呈線性關系。摩爾庫倫模型是基于材料破壞時應力狀態(tài)的莫爾圓提出的，破壞線是與莫爾圓相切的直線，強度準則為:=c－σtanφ(1)式中:為剪切強度;σ為正應力;c為材料黏聚力;φ為材料內摩擦角。相應的計算參數見表1。
3失穩(wěn)破壞判定準則
目前，判斷邊坡失穩(wěn)破壞的標準通常包括:有限元數值計算的不收斂、塑性區(qū)的貫通、廣義剪應變的貫通等［4］。呂慶，等［5］認為在小應變假設中用數值計算不收斂作為判據，但是，計算不收斂的原因比較多，如荷載過大，計算單元有奇異等。因此，以此為判據適用范圍有一定的限制。欒茂田，等［6］建議采用塑性應變貫通作為判據，以此作為判據時主觀因素占很大成分，未排除彈性塑性應變的影響，破壞界限比較模糊。分析邊坡失穩(wěn)破壞的主要特征可知，不管其內部的變形機理是廣義剪應變還是塑性應變，其最終結果是產生位移，位移是邊坡內部作用的外在表現。滑動主要是由剪應變和位移造成的。隨著強度參數的不斷折減，邊坡上的位移矢量和剪應變不斷向坡腳處增大，因此，以坡頂特征點位移突變?yōu)槭Х�(wěn)判據，意義明確，界限清晰。
4計算結果分析
各工況有限元強度折減法計算得到的安全系數見表2。鑒于方案1的安全系數最小，筆者給出了該方案的強度折減系數與坡頂位移的變化曲線(圖4)，塑性應變云圖、位移等值線云圖(圖5)。圖6為邊坡開挖后天然含水與飽和狀態(tài)時的塑性應變云圖。圖4表明，折減系數在1．42時發(fā)生坡頂的位移矢量的突變，此后，位移陡增，表明此時塑性區(qū)已經貫通，開始滑動，當安全系數為1．42時處于臨界狀態(tài)。因此，以此作為安全系數，概念、意義明確。圖5顯示，金佛山左岸巖質高邊坡具有圓弧-折線的潛在滑動面，形態(tài)由底部的條狀帶頁巖控制，滑坡體前緣及淺層巖體變形強烈。下部為順層牽引-塑流性質、上部為壓致拉裂推移式，是一個深層、順層、復合機制成因的潛在滑坡。邊坡巖體隨變形發(fā)展，平行臨空面的裂隙容易被拉開［7］，在遇到沉積巖的巖層分界面時，裂隙被巖層結構面分割。在薄弱、結構有突起的部位，形成應力集中區(qū)和近似平行于坡面的臺階狀裂隙。最終，薄弱裂隙連通、巖體滑動。以1∶0．3的坡比折線形開挖巖體表面強風化和弱風化的部分巖體。開挖后天然和飽和狀態(tài)的安全系數分別為1．73和1．62。圖6顯示，飽和后土體軟化［8］，整個塑性區(qū)包圍的巖體增大，潛在下滑巖體增大。天然狀態(tài)時潛在滑弧在前部形成直線段，塑性區(qū)離開挖后的臨空面較近，表部卸荷巖體容易形成裂隙而最終達到整體的塑性區(qū)貫通。臨空面上巖體卸荷回彈，坡頂的后部產生張拉裂縫，在雨水入滲作用下，由于裂隙底部的巖體滲透系數小，排水不暢，靜水壓力作用于裂隙面，增大了下滑力，這往往是暴雨后巖質邊坡容易產生破壞的重要原因［9］。
鑒于上述分析，建議清除表層強風化、強卸荷巖體，開挖坡度應小于外傾結構面的最小傾角并保護好開挖面，及時錨噴支護。巖質高邊坡的上部還存在韓家店組(S2h)的頁巖，以黏土礦物為主，抗風化能力差。在天然含水量的情況下新鮮巖石層面結合尚牢，遇水軟化，濕水后易崩解。因此，建議上部采用10cm厚混凝土噴錨支護，下部有寬張裂隙帶J2，是巖體風化和卸荷的產物，有方解石填充，采用錨桿錨固，并用自密實混凝土填充，保證巖體的完整性，防止此卸荷裂隙擴張。加固后邊坡采用簡化計算方法，在加固區(qū)域分別采用提高巖體強度指標以代替加固區(qū)域的強度參數，根據工程經驗，加固區(qū)巖體強度參數提高20%。加固后邊坡天然和飽和含水狀態(tài)安全系數分別為1．85和1．78，均比未加固時有明顯提高，加固效果顯著。
結論
從邊坡形態(tài)規(guī)模、變形機理及安全性方面，對金佛山左岸巖質高邊坡進行了分析評價，得出以下結論。1)邊坡前緣的強風化、強卸荷巖體屬潛在不穩(wěn)定塊體，建議清除表層強風化、強卸荷巖體，開挖坡度小于外傾結構面最小傾角并保護好開挖面、及時錨噴支護;弱卸荷帶以內巖體受卸荷作用影響小，完整性和穩(wěn)定性較好，邊坡現狀整體穩(wěn)定，發(fā)生大規(guī)模破壞可能性極小。2)左岸巖質高邊坡是一個深層、順層、復合機制成因的潛在滑坡，下部為順層牽引-塑流性質、上部為壓致拉裂推移式。
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