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石別電站進水口邊坡穩(wěn)定性的計算論文
[摘要]本文論述了石別水電站進水口邊坡的特征,采用剛體極限平衡法對邊坡進行數(shù)值仿真分析,評價邊坡在天然與開挖無支護、加支護及電站正常運行等工況下的穩(wěn)定性分析及評價,并對各典型剖面進行加固措施研究和支護方案設(shè)計,使邊坡治理更趨科學(xué)合理。
[關(guān)鍵詞]石別水電站 進水口邊坡 計算模型 地質(zhì)參數(shù) 穩(wěn)定性計算 防治方案
1、工程概況
引水隧洞布置在壩址左岸,進水口邊坡地形在上部岸坡較緩,自然坡度為12°~16°;公路下方岸坡較陡,自然坡度為35°~42°。邊坡無基巖出露,經(jīng)鉆探揭露,覆蓋層為第四系殘坡積碎石土,厚度為10.8~12.6m。下伏地層為二疊系上統(tǒng)玄武巖組(P2β)玄武質(zhì)凝灰?guī)r,全風(fēng)化帶厚4~5m,強風(fēng)化層厚4~8m,弱風(fēng)化帶厚7~9m。
取水口邊坡高達40m,屬于較高的巖土合邊坡,邊坡分三臺開挖,開挖坡比從上往下分別為1:1,1:0.75和1:0.5。邊坡的穩(wěn)定性對工程而言至關(guān)重要,本文運用專業(yè)軟件就施工期、運行期及地震作用等多種復(fù)雜工況對沉砂池邊坡二維典型剖面的穩(wěn)定性進行分析,評價在當前設(shè)計開挖坡比情況下邊坡靜力工況下的穩(wěn)定安全度及建議支護方案的效果。
2、計算基本原理
假定巖土體的破壞是由于滑體內(nèi)滑面上發(fā)生滑動而造成的,滑動體被看成是剛體,不考慮其變形,滑面上巖土體處于極限平衡狀態(tài),并滿足摩爾―庫倫準則。滑面的形狀可以為平面、圓弧面、對數(shù)螺旋面或其它不規(guī)則面,然后通過由滑裂面形成的隔離體的應(yīng)力平衡方程,確定滑裂面上安全系數(shù)Fs的大小。其中安全系數(shù)Fs值最小的滑面就是最危險滑動面,其對應(yīng)的安全系數(shù)值即為該邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)值。
根據(jù)摩爾-庫倫條件應(yīng)有:
由每一土條豎向力的平衡得
聯(lián)合兩式:得出
按滑動體對圓心的力矩平衡
可有
上式右端的Ni需要按式(2-3)進行計算。由于公式兩端均含有Kc,故需要迭代求解。
3、計算模型、計算參數(shù)及計算工況確定
3.1計算模型的建立
根據(jù)水工設(shè)計布置,結(jié)合邊坡地質(zhì)條件,本此研究選取坡高最大的典型邊坡剖面(Ⅶ-Ⅶ)采用Slide巖土邊坡分析軟件進行典型剖面穩(wěn)定性分析。典型剖面的工程地質(zhì)剖面圖見《進水口邊坡工程地質(zhì)剖面圖(Ⅶ-Ⅶ)》,并據(jù)此建立了二維剛體極限平衡法計算模型,剖面模型如圖1所示。根據(jù)邊坡地質(zhì)特征及巖土體分層情況,選取沖坡積層、崩坡積層、下伏基巖的全、強、弱風(fēng)化、微至新鮮程度作為分區(qū)邊界建立軟件二維剛體極限平衡法計算模型,Slide提供模型的基本框架并將模型的左右邊界和底邊界設(shè)置為約束邊界。
3.2計算參數(shù)及計算要求
在靜動力計算中,邊坡巖(土)體均采用彈塑性模型,巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。
石別水電站為清水江水電開發(fā)的第三級,為小(1)型工程,以發(fā)電為主。各建筑物級別分別為:永久性主要建筑物為4級,次要建筑物為5級。根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5353-2006)第5.0.1、5.0.4條規(guī)定,本工程邊坡屬A類樞紐工程區(qū)邊坡,其級別為Ⅲ級。持久工況下設(shè)計安全系數(shù)應(yīng)不低于1.05,短暫工況下安全系數(shù)不低于1.05,偶然工況下安全系數(shù)應(yīng)不低于1.00。
3.3計算荷載及計算工況
邊坡設(shè)計需考慮的荷載包括自重、岸邊外水壓力、地下水壓力、加固力、地震作用等。
巖(土)體的自重地下水位以上采用天然重度,在地下水位以下,則應(yīng)根據(jù)計算方法正確選擇。坡體上的建筑物作坡體自重計。邊坡各部位地下水壓力應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)資料和地下水位長期觀測資料確定。采用地下水最高水位作為持久狀態(tài)水位。電站擋水建筑物為四級,50年超越概率10%的場地地表峰值加速度為0.05g,相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。
3.4計算假定
在邊坡的穩(wěn)定性模擬分析中,作如下假定:
(1)按彈塑性平面應(yīng)變問題處理。
(2)對于巖石采用三角形六結(jié)點單元,線性函數(shù)的位移模式進行模擬。
(3)忽略巖層交界面間膠結(jié)物質(zhì)的厚度,同時用界面單元模擬邊坡結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的裂縫。
(4)當作用在接觸面上某一點處的切向力達到該方向上的最大抵抗能力時,巖層將沿該方向發(fā)生相對滑動。
(5)在整個變形過程中,接觸面上各點的位移滿足變形相容條件,即發(fā)生接觸的變形體不相互侵入。
4、邊坡巖(土)體物理力學(xué)參數(shù)的反演分析
天然條件下Ⅶ-Ⅶ剖面邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果見圖2,計算結(jié)果表明安全系數(shù)為2.153。采用提供的巖土體物理力學(xué)參數(shù)計算得到的安全系數(shù)大于安全規(guī)范值,說明自然邊坡比較穩(wěn)定;而實際邊坡同樣是比較穩(wěn)定的,故認為提供參數(shù)的物理力學(xué)參數(shù)是合理的,因此可以使用所提的物理學(xué)力學(xué)參數(shù)進行后續(xù)的穩(wěn)定計算。
5、建議支護方案下高邊坡穩(wěn)定性分析
本節(jié)主要研究施工期(邊坡開挖支護完成狀態(tài))以及運行期(主要分析正常運行、正常運行遇地震及庫水驟降工況)下的邊坡穩(wěn)定性,驗算是否符合三級邊坡穩(wěn)定要求,同時對支護方案進行評價。
5.1開挖邊坡在無支護狀態(tài)下穩(wěn)定性分析
從圖3在當前開挖狀態(tài)下典型剖面穩(wěn)定性分析示意圖可以看出,邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)為1.055,根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范DZT0219-2006》規(guī)定,邊坡處于整體暫時穩(wěn)定~變形狀態(tài),潛在的推測最危險滑動面位置:滑弧穿過殘坡坡積層、全風(fēng)化層并從全風(fēng)化層中滑出。在施工過程中容易發(fā)生滑動現(xiàn)象,開挖過程中必須采取合理的支護措施。
5.2建議支護方案下邊坡穩(wěn)定性分析
本次計算中所采用的支護參數(shù)為:=25mm,L=4.5m@3m×3m系統(tǒng)錨桿,φ6@200×200鋼筋網(wǎng),直徑50mm排水孔間排距為2m,傾角為5°(或與坡面垂直),排水孔外面采用=50mmPVC排水管,深入邊坡10cm,外露20cm,噴15cm厚C20混凝土。
從圖4建議支護方案下典型剖面穩(wěn)定性分析示意圖可以看出,邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)為1.057,符合短暫工況下安全系數(shù)不低于1.10~1.05的要求,能滿足施工期的穩(wěn)定,但很接近1.05,且從計算結(jié)果中可以看到,由于錨桿尺寸短,未能有效穿到強風(fēng)化基巖,對邊坡安全系數(shù)提高不大。
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