電站壩肩卸荷巖體穩(wěn)定性探討范文

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《資源環(huán)境與工程雜志》2014年第S1期

1邊坡穩(wěn)定性研究分析及計算成果

根據工程的重要性，選取兩種邊坡穩(wěn)定性綜合分析方法是:剛體極限平衡法和有限元法。

1．1剛體極限平衡法分析

巖質邊坡穩(wěn)定性分析采用剛體極限平衡法，根據邊坡巖體裂隙產狀、強卸荷帶深度及邊坡破壞模式，確定滑移面地質剖面(圖2)。由滑移面或潛在滑移面的幾何形狀，選擇雙平面滑動計算公式，雙平面塊體受力如圖3。由圖2可以看出，需對整個可能失穩(wěn)的邊坡進行穩(wěn)定分析計算，即計算①、②及③三部分的整體穩(wěn)定性。施工期間，第①部分被挖除，需考慮②與③兩部分的整體穩(wěn)定性以及②與③各自的穩(wěn)定性。邊坡穩(wěn)定性計算工況如表1。由表2可以看出，目前現狀條件下，三種工況下邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài);施工期間，塊體①被挖除，邊坡由剩余塊體②與③組成，各工況下整體也處于穩(wěn)定狀態(tài)。塊體③在短暫狀況下穩(wěn)定程度稍低;塊體②在各工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1．2有限元數值分析

本文根據邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育特點，使用節(jié)理材料來模擬滑動破壞面，再通過有限元折減強度法計算。有限元模型及網格劃分截面如圖4。圖4中箭頭所指區(qū)域為使用節(jié)理材料的區(qū)域。左右邊界約束X方向位移，底邊界約束X和Y方向位移。模型采用4節(jié)點平面應變線性完全積分單元，自由網格劃分，共有2169個單元。節(jié)理面的粘聚力C和內摩擦角φ與剛體極限平衡分析取值相同，天然狀態(tài)下滑面抗剪斷強度的取值，節(jié)理巖塊的抗剪強度參數取值等于灰?guī)r的取值，計算中節(jié)理材料為無拉力材料，即節(jié)理張開時沒有拉伸強度。采用強度折減法，選取4種抗剪強度折減系數對邊坡原抗剪強度的相關系數折減，使用折減后的系數進行有限元計算。

1．2．1抗剪強度折減系數Fr=0時得到自重應力平衡初始各方向的相應應力云圖如圖5－圖7。由圖可以看出初始自重應力平衡后(Fr=1.0時)，最大剪應力發(fā)生在邊坡表面即塊體③的下半部分，而且由于節(jié)理材料區(qū)的存在，使得坡頂和塊體③的上部與整個巖體連接削弱，從而最小水平向應力發(fā)生在該處。

1．2．2抗剪強度折減系數Fr=1．2時得到應力分布云圖如圖8－圖10。圖8中當Fr=1.2時，塑性區(qū)幾乎貫穿了整個塊體①以及大部分塊體③，說明在自重作用下塊體③的穩(wěn)定系數為1．2。節(jié)理裂隙區(qū)的頂部也已進入塑性屈服。但圖10可見，此時頂部節(jié)理并未開裂，因為頂部的水平向應力為負值，即依然為壓應力。

1．2．3抗剪強度折減系數Fr=1．404時得到應力分布云圖如圖11－圖13。當Fr=1．404時，塑性區(qū)繼續(xù)向上和向坡面深度方向發(fā)展，節(jié)理裂隙區(qū)的頂部塑性屈服區(qū)向下發(fā)展。圖13顯示此時最大剪應力集中于滑移面附近。

1．2．4抗剪強度折減系數Fr=1．820時得到應力分布云圖如圖14－圖16。當Fr=1．820時，塑性區(qū)貫穿整個邊坡，此時發(fā)生塊體①②③的共同失穩(wěn)，因此自重下塊體①②③共同失穩(wěn)的穩(wěn)定系數為1．820。圖15中坡頂的水平向應力為正值，說明節(jié)理裂隙區(qū)域已經開裂。圖16中剪應力最大值集中分布于裂隙左側的滑床表面，而滑體內部剪應力相對較小，說明此時的破壞是整體滑移破壞。整體失穩(wěn)示意圖如圖17。的過程及塑性區(qū)的分布來看，塑性區(qū)在抗剪強度折減系數Fr相對較小的時候，主要集中在淺層表面，這表明主要的破壞形式為崩塌、掉塊，出現大規(guī)模整體滑移失穩(wěn)的可能性很小。

2結語

(1)通過剛體極限平衡法對卸荷巖體不同時期邊坡破壞模式計算，結果表明，左岸邊坡不會產生整體式變形破壞，逐步的、小規(guī)模的崩塌、掉塊是邊坡主要的破壞特征。(2)根據節(jié)理材料來模擬的有限元截面模型是合理的，較好的反映了左壩肩卸荷巖體裂隙發(fā)育特征。(3)有限元計算的穩(wěn)定系數與剛體極限平衡法計算的穩(wěn)定系數基本一致。(4)通過有限元強度折減法，選取一系列的抗剪強度折減系數對邊坡原抗剪強度系數折減來有限元計算，由塑性區(qū)分布云圖分析，塑性區(qū)呈現由下往上的發(fā)展趨勢，這表明該邊坡易出現牽引式的破壞模式，即上部巖體因失去支撐而變形失穩(wěn)。

作者：曾鋒練操單位：水利部長江勘測技術研究所