張 濤,朱 偉,閆思泉,高旭輝

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南鄭州 450003)

塊體理論在某水電站楔形體穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

張 濤,朱 偉,閆思泉,高旭輝

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南鄭州 450003)

某水電站廠房后邊坡施工過(guò)程中揭露了一非典型性的楔形體,據(jù)現(xiàn)場(chǎng)獲得的裂隙面參數(shù)和楔形體幾何參數(shù),用全空間赤平投影法確定了其滑動(dòng)模式,采用塊體理論矢量法進(jìn)行其自然條件和飽水工況下的穩(wěn)定性分析。為后期的加固處理設(shè)計(jì)提供了一定的依據(jù)。

塊體理論;全空間赤平投影;滑動(dòng)模式;矢量法;穩(wěn)定性分析

0 引言

巖體被結(jié)構(gòu)面切割成各種類(lèi)型的塊體時(shí),在自然狀態(tài)下,這些空間塊體處于靜力平衡狀態(tài)。但由于巖體的開(kāi)挖,使得暴露在臨空面上某些塊體失去原始的靜力平衡狀態(tài),因而造成某些塊體先沿著結(jié)構(gòu)面滑移、失穩(wěn),進(jìn)而產(chǎn)生連鎖反應(yīng),造成巖體工程的破壞。塊體理論[1]能較好地分析此類(lèi)局部塊體失穩(wěn)引起連鎖反應(yīng)的破壞模式,這一方法被引入國(guó)內(nèi)后,得到了廣泛的應(yīng)用[2,3]。某水電站廠房后邊坡巖體裂隙比較發(fā)育,由于裂隙面和邊坡面的組合切割,使巖體被切割成不連續(xù)的塊體。針對(duì)邊坡上的非典型性(指區(qū)別于由左、右結(jié)構(gòu)面或后緣拉裂面形成的典型的空間四面體或五面體的楔形體)的確定性楔形體,本文運(yùn)用塊體理論的全空間赤平投影法判斷其滑動(dòng)模式,并采用矢量分析法對(duì)其進(jìn)行了穩(wěn)定分析。

1 塊體理論方法概述

塊體理論首先將結(jié)構(gòu)面和開(kāi)挖臨空面看成空間平面,塊體是由空間平面構(gòu)成的幾何凸體,將各種作用荷載看成空間向量,應(yīng)用幾何方法詳盡研究巖體內(nèi)可構(gòu)成的塊體類(lèi)型及其可動(dòng)性;然后通過(guò)靜力平衡計(jì)算,求出塊體的滑動(dòng)力,作為工程加固措施的設(shè)計(jì)依據(jù)。具體分析方法有兩種:一種是矢量運(yùn)算法——將空間平面和力系以矢量表示,通過(guò)矢量運(yùn)算給出全部塊體理論分析結(jié)果;二是作圖法——應(yīng)用全空間赤平投影方法直接作圖分析。

2 工程地質(zhì)條件概述

某水電站工程規(guī)模為大(2)型,壩型為混凝土雙曲拱壩,最大壩高111 m,正常蓄水位756.00 m,相應(yīng)庫(kù)容1.97×108m3。電站裝機(jī)容量130 MW。

某水電站廠房后邊坡坡高約170 m,邊坡走向280°;組成邊坡的巖性為紫紅色鈣質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖夾石英砂巖、鈣質(zhì)細(xì)砂巖,以較軟巖為主,具有失水風(fēng)化崩解性。巖層產(chǎn)狀260°～270°∠60°～75°。

3 廠房后邊坡穩(wěn)定性初步判別

根據(jù)前期工程地質(zhì)勘察及后期施工地質(zhì)編錄可知,廠房后邊坡主要發(fā)育如下幾組結(jié)構(gòu)面:

(1)裂隙面1:160°～180°∠45°～79°,間距0.3～1.2 m,充填泥質(zhì)、巖屑及鐵質(zhì)銹膜;

(2)裂隙面2:280°～290°∠25°～35°,間距1.0～2.0 m,充填泥質(zhì)、巖屑及鐵質(zhì)銹膜;

(3)層面:260°～270°∠60°～70°,個(gè)別發(fā)育泥質(zhì)夾層,寬約3～5 mm。

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL386—2007),采用極射赤平投影法對(duì)廠房后邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了初步判別(見(jiàn)圖1和圖2)。分析中采用了如下產(chǎn)狀:邊坡坡面190°∠59°;裂隙面1為160°∠65°;裂隙面2為280°∠35°;層面為270°∠70°。

從圖2中可以讀出:裂隙面1與層面交線產(chǎn)狀為212°∠56°;裂隙面1與裂隙面2交線產(chǎn)狀為240°∠28.4°?？梢钥闯鲆陨蟽蓷l結(jié)構(gòu)面的交線均傾向坡外,且傾角也均大于結(jié)構(gòu)面摩擦角(取值見(jiàn)表1),故存在沿結(jié)構(gòu)面交線滑動(dòng)的可能性。

從圖1和圖2的赤平投影圖中也同樣可以得知[4]:廠房后邊坡發(fā)生平面滑動(dòng)的可能性較小,但存在結(jié)構(gòu)面組合切割而成的塊體發(fā)生楔形體滑動(dòng)的可能性。

下節(jié)中采用塊體理論對(duì)廠房后邊坡揭露的一非典型性楔形體進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。

圖1 平面滑動(dòng)赤平極射投影分析圖Fig.1 Analysis chart of stereographic projection of vector of plane sliding

圖2 楔形體滑動(dòng)赤平極射投影分析圖Fig.2 Analysis chart of stereographic projection of vector of the wedge

4 確定性楔形體穩(wěn)定性分析

根據(jù)施工期地質(zhì)編錄,廠房后邊坡上揭露一非典型性楔形體,其三維幾何圖形如圖3,圖中:AB=15 m,AD=20 m。此楔形體由三條結(jié)構(gòu)面和兩個(gè)開(kāi)挖面組成;結(jié)構(gòu)面及巖體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

4.1 滑動(dòng)模式判斷

塊體的運(yùn)動(dòng)形式可以采用全空間赤平投影方法確定,其具體的判斷方法如下:

圖3 楔形體三維幾何圖形Fig.3 3-D geometric figure ofwedge

表1 巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanics parameters of rock mass and structrual plane

(1)塊體脫離巖體運(yùn)動(dòng):若主動(dòng)合力→r在全空間赤平投影圖上的投影點(diǎn)落在某個(gè)JP(裂隙錐)內(nèi),則該JP的運(yùn)動(dòng)形式為脫離巖體運(yùn)動(dòng);若→r的投影點(diǎn)正好落在JP的邊界上,則在→r作用下不可能出現(xiàn)脫離巖體的運(yùn)動(dòng)。

(2)塊體沿單面滑動(dòng):在全空間赤平投影中,相應(yīng)于沿結(jié)構(gòu)面i滑動(dòng)的JP必在包括的圓弧一側(cè),而且是在平面i的不包括的半空間內(nèi)。

(3)塊體沿雙平面i和j滑動(dòng):在全空間赤平投影圖上,相應(yīng)于沿雙平面i和j滑動(dòng)的JP必以?xún)善矫娴慕痪€的投影點(diǎn)為一個(gè)角點(diǎn),同時(shí),該JP必在平面j不包括的半空間,且在平面i不包括的半空間內(nèi)。

根據(jù)組成楔形體的結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀,做出結(jié)構(gòu)面的全空間赤平投影圖,見(jiàn)圖4。在楔形體的滑動(dòng)模式判斷圖中,根據(jù)以上的判斷方法可以確定:此確定性楔形體的滑動(dòng)模式是沿著結(jié)構(gòu)面1和3下滑。

圖4 楔形體滑動(dòng)模式判斷Fig.4 Judgement of slide model ofwedge

4.2 幾何參數(shù)的求解

首先建立直角坐標(biāo)系如下:重力反方向?yàn)閆軸正方向;正北方向?yàn)閅軸正方向;正東方向?yàn)閄正方向。根據(jù)結(jié)構(gòu)面、坡面、坡頂面的傾向和傾角以及實(shí)測(cè)的AB和AD的長(zhǎng)度,確定結(jié)構(gòu)面、坡面、坡頂面等的平面方程如下:

然后聯(lián)立相應(yīng)的平面方程可以得出各相應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo),見(jiàn)表2。

表2 各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)Table 2 Coordinate of key points

最后,根據(jù)得出的各關(guān)鍵的坐標(biāo)及矢量計(jì)算公式⑥和公式⑦,可以得出各面面積及楔形體體積。

計(jì)算的各面面積及楔形體體積如下:

4.3 穩(wěn)定性分析

根據(jù)矢量推導(dǎo)可知:當(dāng)楔形體沿兩結(jié)構(gòu)面(i和j)滑動(dòng)時(shí),主動(dòng)力合力在滑動(dòng)方向的下滑力(T)及在兩結(jié)構(gòu)面上的正壓力(Ni和Nj)可采用矢量公式⑧、⑨和⑩計(jì)算。分析中,水壓力按參考文獻(xiàn)[4]中的計(jì)算方法處理。

在得出以上的各種分力后,穩(wěn)定系數(shù)K可按以下兩種工況分別按式?和式?[5]計(jì)算:

(1)僅考慮自重作用時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)

(2)考慮結(jié)構(gòu)面充水時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)

式?、?中:NiG、NjG——重力在結(jié)構(gòu)面i、j上的正壓力分力;NiS、NjS——水壓力在結(jié)構(gòu)面i、j上的正壓力分力;TG——重力在滑動(dòng)方向上的下滑力分力;TS——水壓力在滑動(dòng)方向上的下滑力分力;φi、φj——結(jié)構(gòu)面i、j的內(nèi)摩擦角;Ci、Cj——結(jié)構(gòu)面i、j的粘聚力;Si、Sj——結(jié)構(gòu)面i、j的面積。

將用式⑥、⑦、⑧、⑨、⑩計(jì)算的各數(shù)值分別帶入?及?可得出確定性楔形體在兩種計(jì)算工況下的穩(wěn)定系數(shù)和剩余下滑力,見(jiàn)表3。

穩(wěn)定性分析顯示:此確定性楔形體向坡內(nèi)的延伸深度最大約8 m,楔形體體積為554 m3;在自重作用下,此楔形體是穩(wěn)定的;在飽水(強(qiáng)降雨)狀態(tài)下,此楔形體將會(huì)滑動(dòng),其下滑形式為沿結(jié)構(gòu)面1和3向下運(yùn)動(dòng),剩余下滑力為1 330 kN;對(duì)比兩種計(jì)算工況的分析結(jié)果可知,水對(duì)此楔形體穩(wěn)定性的影響是顯著的,故在邊坡加固處理時(shí),需要注意地表水和地下水的疏干。

表3 楔形體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 3 Result of stability analysis of the wedge

5 結(jié)語(yǔ)

赤平投影分析運(yùn)用于邊坡穩(wěn)定性初步判別中,是一種方便、快捷的方法。塊體理論適合于分析類(lèi)似文中邊坡楔形體的穩(wěn)定性。本文中邊坡上揭露的確定性楔形體,在飽水(強(qiáng)降雨)條件下將會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。因此,在施工過(guò)程中,需注意地表水和地下水的疏干;另外,可考慮針對(duì)分析所得剩余下滑力采取相應(yīng)的加固處理措施;加固處理措施的處理深度可參考楔形體深入邊坡的深度。

[1] 劉錦華,呂祖珩.塊體理論在工程巖體穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[M].北京:水利電力出版社,1988.

[2] 張子新,孫鈞.塊體理論赤平解析法及其在硐室穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(6):1 556-1 560.

[3] 毛海和,夏才初,張子新.塊體理論赤平解析法在龍灘水電站地下廠房洞室群穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(8):1 308-1 314.

[4] SL386—2007,水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] E.Hoek J.W.Bray.巖石邊坡工程[M].盧世宗,李成村,夏繼祥,等譯.北京:冶金工業(yè)出版社,1983.

(責(zé)任編輯:于繼紅)

Application of Block Theory in Stability Analysis of Wedge in a Hydropower Station

ZHANG Tao,ZHU Wei,YAN Siquan,GAO Xuhui
(Yellow R iver Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

An atypicalwedge is exposed during construction of rear slope of the power house.Base on the parameters of fracture surface and geometryparametersofwedge obtained from field investigation,the first,slidingmodelof thewedge is deter mined by the method of stereographic projection of vector,the second,stability analysis in both natural conditions and saturated water are made by vector method,which provided some basis for the design of reinforcement in the late period.

block theory;stereographic projection of vector;slidingmode;vectormethod;stability analysis

TV7

A

1671-1211(2010)05-0446-04

2010-07-01

張濤(1978-),男,工程師,巖土工程專(zhuān)業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)工作。E-mail:zhangtao52961@163.com