巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析與評價

巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析與評價

1關(guān)于邊坡穩(wěn)定性的宏觀分析與評價巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析與評價，是古代交通和鐵路工程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題。李寧和張鵬在對前人的研究成果與工程經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上,對巖質(zhì)邊坡最危險滑動面的確定思路與方法等5個主要問題進(jìn)行了討論與分析。對于工程設(shè)計人員而言,對邊坡穩(wěn)定性的判斷及最終所采取的工程整治措施合理與否,主要取決于以下3個方面:(1)邊坡潛在滑動面上力學(xué)參數(shù)的可靠性;(2)計算的安全系數(shù)與實際情況的接近程度;(3)整體加固力設(shè)計的合理性。潛在滑動面上力學(xué)參數(shù)主要由地質(zhì)人員確定。盡管有多種方法確定參數(shù),如室內(nèi)和現(xiàn)場試驗法、經(jīng)驗公式法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能方法,但由于現(xiàn)有勘探水平的局限,即使進(jìn)行較為細(xì)致的地質(zhì)工作,由于巖質(zhì)高邊坡的地形特點(diǎn)及復(fù)雜的組成,能相對準(zhǔn)確地確定出潛在滑動面已屬不易,準(zhǔn)確地確定能夠真實反映潛在滑動面實際力學(xué)特性的參數(shù)值則更加困難。同時,由于確定方法自身的局限,地質(zhì)工程師在取舍參數(shù)時也猶豫再三,最終的結(jié)果往往是從安全的角度出發(fā),選取的參數(shù)過于保守。對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行宏觀評價,當(dāng)前仍是以經(jīng)驗方法為主,將不論怎樣復(fù)雜的分析計算成果歸結(jié)為一個安全系數(shù),再按規(guī)范將該安全系數(shù)與規(guī)范給出的標(biāo)準(zhǔn)作比較。這是一個令研究人員、設(shè)計人員無奈的、粗糙的、落后的、不得已的評價方法。筆者在2004~2005年完成的馬來西亞巴貢水電站廠房邊坡的穩(wěn)定性分析與評價中,早已不用單純的安全系數(shù),而是對坡體的應(yīng)力場、變形場特征及變形趨勢進(jìn)行分析。如何評價復(fù)雜的、大型有限元方法對邊坡的分析結(jié)果是目前尚在探索的研究課題。潘家錚在20世紀(jì)80年代就從宏觀角度提出過滑動面的最小值原理與抗滑力最大值原理:滑坡失穩(wěn)時將沿抵抗力最小的一個滑面滑動破壞(最小值原理);滑面確定后,則滑面上的反力能夠自行調(diào)整以發(fā)揮最大的抗滑力(最大值原理)。陳祖煜等在此基礎(chǔ)上,經(jīng)多年研究,從塑性理論角度嚴(yán)謹(jǐn)推導(dǎo)出了土坡滑動問題的極限上、下限解,為邊坡穩(wěn)定性分析宏觀評價提供了新思路與新視角。此外,崔政權(quán)等[5~13]在這一領(lǐng)域也進(jìn)行了諸多探索。針對近年來筆者承擔(dān)的錦屏、龍灘、拉西瓦、三峽船閘和紫坪鋪等水電工程大型巖體邊坡穩(wěn)定性分析與評價研究工作中所遇到的問題,從設(shè)計人員最關(guān)心的穩(wěn)定性分析結(jié)果的評價入手,對決定邊坡穩(wěn)定性的潛在滑動面強(qiáng)度參數(shù)的合理確定、邊坡加固力的宏觀判斷及邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析結(jié)果的合理性與安全性等3個方面進(jìn)行探討,通過對以上水電工程巖質(zhì)邊坡的分析研究成果以及李寧等[1~19]研究的分析討論,總結(jié)出幾點(diǎn)體會。2邊坡潛在滑動面強(qiáng)度參數(shù)的確定當(dāng)前,工程設(shè)計人員已經(jīng)普遍接受了反分析方法,本文將其總結(jié)為最小參數(shù)準(zhǔn)則:對于一個長期穩(wěn)定的邊坡,在其所經(jīng)歷的荷載工況下,其潛在滑動面上的最低強(qiáng)度參數(shù)不應(yīng)使它的安全系數(shù)小于1.0。這個準(zhǔn)則已得到較廣泛的認(rèn)可,有一定的合理性與實際應(yīng)用性。但是對于復(fù)雜的巖質(zhì)高邊坡,其潛在滑動面上的強(qiáng)度參數(shù)選取過于復(fù)雜,地質(zhì)人員往往從安全的角度出發(fā),過于保守地選取強(qiáng)度參數(shù),使邊坡在經(jīng)受降雨或地震時,往往認(rèn)為需要大量的加固措施。筆者認(rèn)為,如果該邊坡經(jīng)歷了降雨、地震等工況仍處于穩(wěn)定狀態(tài),那么對于設(shè)計的使用期限通常在一百年的邊坡來說,也應(yīng)該根據(jù)未開挖邊坡在地震、降雨等荷載下,其安全系數(shù)不小于1.0為條件進(jìn)行反演,確定邊坡的最低強(qiáng)度參數(shù)。這樣確定出的參數(shù)值才能有效地剔除設(shè)計參數(shù)偏低致使分析結(jié)果過于保守的偏差,從而反映坡體的實際情況,給工程設(shè)計人員提供合理有效的潛在滑動面力學(xué)參數(shù)的下限值。圖1為猴子巖右岸壩肩邊坡計算剖面和潛在滑動面示意圖。表1為在原設(shè)計參數(shù)下天然邊坡的安全系數(shù)。由表1可知,采用二維有限元模型進(jìn)行邊坡安全系數(shù)計算,在原設(shè)計參數(shù)下,天然狀態(tài)邊坡不能自穩(wěn),這說明所提供的潛在滑動面強(qiáng)度參數(shù)過于保守。按天然狀態(tài)邊坡安全系數(shù)為1.05,地震工況邊坡安全系數(shù)為1.0分別反演各滑面的最小強(qiáng)度參數(shù),結(jié)果如表2所示。潛在滑動面強(qiáng)度參數(shù)相應(yīng)得到提高,采用該參數(shù)可大大節(jié)省加固工程量。同時,該參數(shù)的反演是建立在邊坡長期宏觀穩(wěn)定的實踐基礎(chǔ)上的,潛在滑動面強(qiáng)度參數(shù)的可靠性是有保障的。因此,使得加固方案達(dá)到了合理有效且更加經(jīng)濟(jì)的要求。3最大加固力在開挖面的垂直分力在邊坡加固設(shè)計中,往往由于前期地質(zhì)工作不充分,過分依賴于錨索或抗滑樁等加固措施,使設(shè)計的加固量常常偏大,缺少加固量的宏觀判斷依據(jù)。加固量的合理確定,是一個非常復(fù)雜的、高度非線性的問題,很難直接計算得到。但不妨換個角度思考:假設(shè)邊坡未開挖之前是穩(wěn)定的(或處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)),則開挖后,坡體的法向壓力減小,使抗滑能力減小,加固力最多恢復(fù)至開挖前的法向力,故可認(rèn)為,邊坡開挖后,其最大加固力在開挖面的法向分量不應(yīng)超過被挖掉的巖體質(zhì)量在開挖表面的法向分量。該準(zhǔn)則只能用于一般情況。圖2為某邊坡開挖體和加固錨索在滑動面上的垂直分力。表3為某邊坡原加固設(shè)計安全系數(shù)表。表4為不同錨索加固量滑面垂直分量及安全系數(shù)對比表。由圖2可知,錨索沿滑面垂直分力遠(yuǎn)大于開挖體在滑面上的垂直分力,邊坡安全系數(shù)達(dá)到4.7,遠(yuǎn)大于原自然邊坡,說明邊坡的加固方案太過保守。當(dāng)開挖體在滑面上的垂直分力與錨索在滑面垂直分力相近時,邊坡的安全系數(shù)為2.7,依然相差較大。當(dāng)錨索在滑面的垂直分力約為開挖體在滑面上的垂直分力的1/3時,邊坡的安全系數(shù)基本接近天然狀態(tài)下的邊坡安全系數(shù)。綜上所述,可以將最大加固力準(zhǔn)則表述為:對于一個處于穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡,邊坡開挖后,其最大加固力在開挖面法向上的分量不應(yīng)超過被挖掉的巖體質(zhì)量在開挖面上的法向分量。應(yīng)該注意的是,在使用這個判據(jù)時,如果不太穩(wěn)定的邊坡開挖后長時間得不到支護(hù)與加固,則較大的潛在滑動面上可能出現(xiàn)較多的塑性應(yīng)力調(diào)整,使滑面上已調(diào)整的巖體部分的峰值強(qiáng)度降為殘余強(qiáng)度,則可能使所需加固力遠(yuǎn)大于原挖掉的巖體質(zhì)量。所以本準(zhǔn)則具體應(yīng)用條件為:(1)邊坡在開挖后及時支護(hù);(2)邊坡采用加固形式應(yīng)為主動加固,例如預(yù)應(yīng)力錨索等,且加固區(qū)位于滑動面中部;(3)滑坡類型為推移式滑坡。4滑動面的潛在滑面應(yīng)力釋放限制對已選定的滑動面,實際邊坡的破壞是一個漸進(jìn)的自組織調(diào)整過程,潛在滑面上超限的拉、剪應(yīng)力充分轉(zhuǎn)移釋放使滑面達(dá)到峰值強(qiáng)度,從而使得滑面抗滑力充分發(fā)揮。而在有限元模擬分析過程中,由于單元網(wǎng)格總有一定的尺寸,且對超限應(yīng)力的非線性迭代逼近總有循環(huán)次數(shù)的限制,故潛在滑動面最終由有一定尺寸的單元網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)來模擬其超限應(yīng)力的有限次數(shù)的轉(zhuǎn)移與釋放,滑面上的應(yīng)力難以自行充分調(diào)整,從而發(fā)揮其最大的抗滑能力,也就是說,有限元法(包括強(qiáng)度折減法)很難模擬出實際坡面的峰值抗滑能力?；诖?提出的滑面滑動的安全系數(shù)下限準(zhǔn)則可表述為:對于已選定的滑動面,其潛在滑面上超限的拉、剪應(yīng)力的轉(zhuǎn)移釋放所達(dá)到的滑面強(qiáng)度總是小于該滑面上實際的最大抗滑能力,從而使計算所得的安全系數(shù)總是小于該滑面實際的安全系數(shù)。圖3為邊坡破壞時潛在滑動面上的應(yīng)力轉(zhuǎn)移示意圖。其中,第一單元的超限拉、剪應(yīng)力為通過節(jié)點(diǎn)荷載增量為在相鄰單元產(chǎn)生轉(zhuǎn)移來的應(yīng)力增量Δσi+1為其中,被釋放單元的新一輪應(yīng)力為式(1)~(4)中:σi為第i次非線性循環(huán)應(yīng)力,[σi]為單元抗拉或抗壓強(qiáng)度,Δσi為第i次應(yīng)力增量,A為單元面積,Δui為第i次的位移,[B]T為超限單元的幾何矩陣,[K]為剛度矩陣,[S]為應(yīng)力矩陣。經(jīng)過N次迭代后,超限的拉、剪應(yīng)力永遠(yuǎn)不可能完全轉(zhuǎn)移釋放掉,故單元的真實抗力不可能被全部模擬出。本準(zhǔn)則也是對潘家錚的最大抵抗力原理在有限元法等數(shù)值分析結(jié)果評價中的詮釋。5第三,基于“最小不可抗力原理”的邊坡穩(wěn)定分析在當(dāng)前應(yīng)用有限元法分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的問題中,最關(guān)鍵的是如何較準(zhǔn)確選取潛在滑動面的位置,巖質(zhì)邊坡不像均勻的土質(zhì)邊坡,其潛在滑動面可以發(fā)生在任何部位,有限元法也不能如同極限平衡法那樣可以自動尋找所有可能的滑動面,進(jìn)而選出安全系數(shù)最小的那個滑動面。巖質(zhì)滑坡體若由單個滑面組成,所選定模型剛好選準(zhǔn)該滑面,則所選擇的滑面的抗滑能力等于實際滑體的抗滑能力;當(dāng)滑坡體有多個滑面組成,滑體失穩(wěn)時它將沿抵抗力最小的一個滑面滑動。對于這種情況,邊坡分析人員所選擇的有限滑動面的破壞很難準(zhǔn)確地描述實際的潛在滑面,很可能會遺漏部分滑面而選擇較好的巖體為破壞界面。由最小抵抗力原理可知,滑坡失穩(wěn)時將沿其抗滑力最小的滑動面破壞,因此,人為選擇的潛在破壞面的抗滑能力永遠(yuǎn)大于或等于實際滑體的抗滑能力。圖4為銅灣右岸4#山頭邊坡楔形體滑移圖,圖中為開挖完成后的坡體,人為選擇的滑坡體的滑面不是實際的滑坡面,由于人為破壞面抗滑力高于實際破壞面的抗滑力,滑體沒能沿人為滑面破壞,而是沿低于人為破壞面的地方破壞。圖5為猴子巖水電站右岸壩址工程地質(zhì)剖面圖,由于存在多個滑面,很難準(zhǔn)確地確定出實際滑體邊界,人為選擇的有限元組合滑動面的抗滑力總是大于實際滑體的抗滑能力。綜上所述,根據(jù)“最小抵抗力原理”可得出其在邊坡穩(wěn)定分析評價中的推論:設(shè)計分析所選擇的破壞面的實際抗滑能力大于或等于實際滑體的抗滑能力。該推論等價于下述推論:各種設(shè)計分析所選擇的邊坡的安全系數(shù)(包括有限元法在潛在滑動面上的拉剪、應(yīng)力充分釋放轉(zhuǎn)移后所得的安全系數(shù))大于或等于實際邊坡的安全系數(shù)。本文將這一現(xiàn)象稱為“潛在滑動面選取的上限準(zhǔn)則”。6殘余強(qiáng)度的測量在利用潛在滑動面最小參數(shù)取值準(zhǔn)則進(jìn)行反演確定滑面強(qiáng)度參數(shù)時,反演分析方法應(yīng)與穩(wěn)定性分析方法相一致、相協(xié)調(diào),即對未開挖邊坡應(yīng)用極限平衡法、傳統(tǒng)有限元法或有限元強(qiáng)度折減法等不同方法反演得出的強(qiáng)度參數(shù),在后續(xù)邊坡開挖分析中,也應(yīng)用相同分析方法。對于主動加固力上限準(zhǔn)則,如果不太穩(wěn)定的邊坡開挖后長時間得不到支護(hù)與加固,則潛在滑動面上可能出現(xiàn)較多的塑性應(yīng)力調(diào)整,使滑面上已調(diào)整的巖體部分的峰值強(qiáng)度降為殘余強(qiáng)度,則可能使所需加固力遠(yuǎn)大于挖掉的巖體質(zhì)量。應(yīng)用時應(yīng)該注意這種現(xiàn)象。其具體的應(yīng)用條件為:(1)邊坡在開挖前是穩(wěn)定的;(2)開挖后潛在滑坡類型為推移式滑坡;(3)邊坡采用的加固形式應(yīng)為主動式加固,例如預(yù)應(yīng)力錨索等,且加固區(qū)位于滑動面中部。應(yīng)用上下限準(zhǔn)則進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評判時,若坡體地質(zhì)條件簡單,塊體組合明顯,最危險滑面的選取接近實際情況,則上限準(zhǔn)則影響較小,穩(wěn)定性評價基于下限準(zhǔn)則,數(shù)值計算結(jié)果可能偏于安全;當(dāng)巖體破碎,地質(zhì)條件復(fù)雜時,難以確定最危險滑面,則上限準(zhǔn)則的影響更為顯著。因此,計算的安全系數(shù)有可能偏于危險。進(jìn)一步對上、下限準(zhǔn)則進(jìn)行有限元分析結(jié)果的評價與推論:(1)一般情況下,前期地質(zhì)工作越粗糙,潛在滑動面的確定越不準(zhǔn),則分析的安全系數(shù)一般較實際偏