[摘要]本文论述了石别水电站进水口边坡的特征,采用刚体极限平衡法对边坡进行数值仿真分析,评价边坡在天然与开挖无支护、加支护及电站正常运行等工况下的稳定性分析及评价,并对各典型剖面进行加固措施研究和支护方案设计,使边坡治理更趋科学合理。
[关键词]石别水电站 进水口边坡 计算模型 地质参数 稳定性计算 防治方案
1、工程概况
引水隧洞布置在坝址左岸,进水口边坡地形在上部岸坡较缓,自然坡度为12°~16°;公路下方岸坡较陡,自然坡度为35°~42°。边坡无基岩出露,经钻探揭露,覆盖层为第四系残坡积碎石土,厚度为10.8~12.6m。下伏地层为二叠系上统玄武岩组(P2β)玄武质凝灰岩,全风化带厚4~5m,强风化层厚4~8m,弱风化带厚7~9m。
取水口边坡高达40m,属于较高的岩土合边坡,边坡分三台开挖,开挖坡比从上往下分别为1:1,1:0.75和1:0.5。边坡的稳定性对工程而言至关重要,本文运用专业软件就施工期、运行期及地震作用等多种复杂工况对沉砂池边坡二维典型剖面的稳定性进行分析,评价在当前设计开挖坡比情况下边坡静力工况下的稳定安全度及建议支护方案的效果。
2、计算基本原理
假定岩土体的破坏是由于滑体内滑面上发生滑动而造成的,滑动体被看成是刚体,不考虑其变形,滑面上岩土体处于极限平衡状态,并满足摩尔―库伦准则。滑面的形状可以为平面、圆弧面、对数螺旋面或其它不规则面,然后通过由滑裂面形成的隔离体的应力平衡方程,确定滑裂面上安全系数Fs的大小。其中安全系数Fs值最小的滑面就是最危险滑动面,其对应的安全系数值即为该边坡稳定的安全系数值。
根据摩尔-库伦条件应有:
由每一土条竖向力的平衡得
联合两式:得出
按滑动体对圆心的力矩平衡
可有
上式右端的Ni需要按式(2-3)进行计算。由于公式两端均含有Kc,故需要迭代求解。
3、计算模型、计算参数及计算工况确定
3.1计算模型的建立
根据水工设计布置,结合边坡地质条件,本此研究选取坡高最大的典型边坡剖面(Ⅶ-Ⅶ)采用Slide岩土边坡分析软件进行典型剖面稳定性分析。典型剖面的工程地质剖面图见《进水口边坡工程地质剖面图(Ⅶ-Ⅶ)》,并据此建立了二维刚体极限平衡法计算模型,剖面模型如图1所示。根据边坡地质特征及岩土体分层情况,选取冲坡积层、崩坡积层、下伏基岩的全、强、弱风化、微至新鲜程度作为分区边界建立软件二维刚体极限平衡法计算模型,Slide提供模型的基本框架并将模型的左右边界和底边界设置为约束边界。
3.2计算参数及计算要求
在静动力计算中,边坡岩(土)体均采用弹塑性模型,岩土体物理力学参数见表1。
石别水电站为清水江水电开发的第三级,为小(1)型工程,以发电为主。各建筑物级别分别为:永久性主要建筑物为4级,次要建筑物为5级。根据《水利水电工程边坡设计规范》(DL/T 5353-2006)第5.0.1、5.0.4条规定,本工程边坡属A类枢纽工程区边坡,其级别为Ⅲ级。持久工况下设计安全系数应不低于1.05,短暂工况下安全系数不低于1.05,偶然工况下安全系数应不低于1.00。
3.3计算荷载及计算工况
边坡设计需考虑的荷载包括自重、岸边外水压力、地下水压力、加固力、地震作用等。
岩(土)体的自重地下水位以上采用天然重度,在地下水位以下,则应根据计算方法正确选择。坡体上的建筑物作坡体自重计。边坡各部位地下水压力应根据水文地质资料和地下水位长期观测资料确定。采用地下水最高水位作为持久状态水位。电站挡水建筑物为四级,50年超越概率10%的场地地表峰值加速度为0.05g,相应地震基本烈度为Ⅵ度。
3.4计算假定
在边坡的稳定性模拟分析中,作如下假定:
(1)按弹塑性平面应变问题处理。
(2)对于岩石采用三角形六结点单元,线性函数的位移模式进行模拟。
(3)忽略岩层交界面间胶结物质的厚度,同时用界面单元模拟边坡结构中出现的裂缝。
(4)当作用在接触面上某一点处的切向力达到该方向上的最大抵抗能力时,岩层将沿该方向发生相对滑动。
(5)在整个变形过程中,接触面上各点的位移满足变形相容条件,即发生接触的变形体不相互侵入。
4、边坡岩(土)体物理力学参数的反演分析
天然条件下Ⅶ-Ⅶ剖面边坡稳定计算结果见图2,计算结果表明安全系数为2.153。采用提供的岩土体物理力学参数计算得到的安全系数大于安全规范值,说明自然边坡比较稳定;而实际边坡同样是比较稳定的,故认为提供参数的物理力学参数是合理的,因此可以使用所提的物理学力学参数进行后续的稳定计算。
5、建议支护方案下高边坡稳定性分析
本节主要研究施工期(边坡开挖支护完成状态)以及运行期(主要分析正常运行、正常运行遇地震及库水骤降工况)下的边坡稳定性,验算是否符合三级边坡稳定要求,同时对支护方案进行评价。
5.1开挖边坡在无支护状态下稳定性分析
从图3在当前开挖状态下典型剖面稳定性分析示意图可以看出,边坡稳定的安全系数为1.055,根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范DZT0219-2006》规定,边坡处于整体暂时稳定~变形状态,潜在的推测最危险滑动面位置:滑弧穿过残坡坡积层、全风化层并从全风化层中滑出。在施工过程中容易发生滑动现象,开挖过程中必须采取合理的支护措施。
5.2建议支护方案下边坡稳定性分析
本次计算中所采用的支护参数为:Φ=25mm,L=4.5m@3m×3m系统锚杆,φ6@200×200钢筋网,直径50mm排水孔间排距为2m,倾角为5°(或与坡面垂直),排水孔外面采用Φ=50mmPVC排水管,深入边坡10cm,外露20cm,喷15cm厚C20混凝土。
从图4建议支护方案下典型剖面稳定性分析示意图可以看出,边坡稳定的安全系数为1.057,符合短暂工况下安全系数不低于1.10~1.05的要求,能满足施工期的稳定,但很接近1.05,且从计算结果中可以看到,由于锚杆尺寸短,未能有效穿到强风化基岩,对边坡安全系数提高不大。
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