李江龍 李建林 黃宜勝

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

某堆積體邊坡滑面的強(qiáng)度參數(shù)反演研究

李江龍 李建林 黃宜勝

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

通過(guò)現(xiàn)有的資料分析，某堆積體邊坡可能的破壞模式為覆蓋層內(nèi)部的滑動(dòng)或沿滑動(dòng)帶的深層滑動(dòng)．根據(jù)地勘資料、室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和邊坡安全系數(shù)的計(jì)算方法，對(duì)邊坡的巖土體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反演分析．計(jì)算結(jié)果表明：建立準(zhǔn)確的計(jì)算模型并采用參數(shù)反演所得出的結(jié)果客觀(guān)、合理，通過(guò)對(duì)其他剖面的穩(wěn)定性計(jì)算更進(jìn)一步地驗(yàn)證了所得結(jié)果的合理性，為類(lèi)似工程的穩(wěn)定性分析以及強(qiáng)度參數(shù)的反演計(jì)算提供了參考依據(jù)．

水電站； 邊坡穩(wěn)定性； 滑面強(qiáng)度參數(shù)； 反演分析

剛體極限平衡法理論嚴(yán)謹(jǐn)、發(fā)展歷史悠久，被工程界廣泛采用[1-3]，但用該方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，計(jì)算結(jié)果的精度在很大程度上依賴(lài)于所選巖土體力學(xué)參數(shù)值的精準(zhǔn)度[4]．對(duì)于天然邊坡，由于巖土體的構(gòu)成比較復(fù)雜，使得通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)很難直接準(zhǔn)確地測(cè)得其力學(xué)參數(shù)，所以在采用剛體極限平衡法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算時(shí)，敏感地層強(qiáng)度參數(shù)的選取大都取值于巖土體的強(qiáng)度參數(shù)的反演結(jié)果[5-6]，最終所得邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果也比較符合實(shí)際情況．本文主要對(duì)金沙江上游某水電站堆積體邊坡的力學(xué)參數(shù)運(yùn)用二維剛體極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，通過(guò)不斷調(diào)整反演區(qū)域的強(qiáng)度參數(shù)值使堆積體達(dá)到相關(guān)規(guī)范要求最小的安全系數(shù)值，得到極限平衡條件下的強(qiáng)度參數(shù)值并與具體工程實(shí)際相結(jié)合，綜合比較，選取較為合理的強(qiáng)度參數(shù)．

1 地質(zhì)概況

某水電站堆積體邊坡位于金沙江上游NWW向的金沙江斷裂帶附近，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，NW-NNW向斷裂構(gòu)造發(fā)育，NEE向斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，巖體變質(zhì)較深、褶皺強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育．工程區(qū)經(jīng)歷了多次區(qū)域變質(zhì)作用，成為負(fù)變質(zhì)的片麻巖組(下段)和大理巖組(上段)．堆積體包括了堆積物(Qdl+col)、沖積、崩積物(Qpl+col)、滑坡堆積物(Qdel)、滑動(dòng)帶(fn-1、fn-2)、層間擠壓帶(f1-1與f1-2之間巖體)、層間錯(cuò)動(dòng)(f1-1、f1-2)、斷層(F1、F9-1)、出露風(fēng)化巖、山脊、基巖等不同地質(zhì)體．工程區(qū)地質(zhì)圖如圖1所示，本文所分析區(qū)域已在圖中標(biāo)明．

圖1 堆積體工程區(qū)地質(zhì)及剖面分布圖

2 反演分析

2.1 反演方法

根據(jù)地勘資料和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步推斷堆積體的破壞模式可能為覆蓋層內(nèi)部的滑動(dòng)或者沿滑動(dòng)帶的深層滑動(dòng)．本文利用Slide軟件對(duì)堆積體進(jìn)行剛體極限平衡法分析，選用Bishop圓弧法計(jì)算發(fā)生在覆蓋層內(nèi)部的滑動(dòng)破壞，選用M-P折線(xiàn)法計(jì)算沿滑動(dòng)帶發(fā)生的深層滑動(dòng)．堆積體的初始抗剪參數(shù)(參考設(shè)計(jì)單位提供建議值)見(jiàn)表1．

根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定最不利工況下的邊坡安全系數(shù)，通過(guò)不斷調(diào)整反演區(qū)域所在巖土層的抗剪力學(xué)參數(shù)，選取使剖面在最不利工況下達(dá)到平衡狀態(tài)的強(qiáng)度參數(shù)值為反演的結(jié)果．

表1 堆積體各地層力學(xué)參數(shù)建議值

2.2 最不利工況安全系數(shù)的確定

該堆積體位于開(kāi)敞式溢洪道左側(cè)，處于泄洪霧化影響的區(qū)域，且距離大壩較近，按照DL/T5353-2006《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》的級(jí)別劃分規(guī)定，按A類(lèi)Ⅰ級(jí)邊坡設(shè)計(jì)．自然狀態(tài)下，該堆積體未見(jiàn)整體變形趨勢(shì)，穩(wěn)定性較好．工程區(qū)曾經(jīng)發(fā)生過(guò)6.7級(jí)地震，但該堆積體并未發(fā)生過(guò)整體失穩(wěn)．可以判斷在天然工況和地震工況條件下，該堆積體的安全系數(shù)仍有一定的裕度．綜合上面的分析，在進(jìn)行參數(shù)反演時(shí)，考慮工程區(qū)曾經(jīng)發(fā)生的6.7級(jí)地震，按地震加速度0.05g取值[7]，綜合規(guī)范和工程區(qū)實(shí)際情況，選取地震工況下的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)取為1.05．

2.3 反演剖面及反演模式

取堆積體工程地質(zhì)4個(gè)典型剖面A-A′、B-B′、D-D′、E-E′作為參數(shù)反演的計(jì)算剖面，剖面位置如圖1所示，對(duì)應(yīng)的剖面計(jì)算模型如圖2～5所示．可以看出，選取的4個(gè)剖面穿過(guò)了本文所要進(jìn)行參數(shù)反演的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)，故4個(gè)剖面所反演出的參數(shù)較為準(zhǔn)確．

圖2 A-A′剖面計(jì)算模型 圖3 B-B′剖面計(jì)算模型

圖4 D-D′剖面計(jì)算模型 圖5 E-E′剖面計(jì)算模型

首先對(duì)4種滑動(dòng)模式進(jìn)行初步分析計(jì)算，強(qiáng)度參數(shù)取表1所給出的參考范圍的中值，比較天然工況下4個(gè)剖面在4種滑動(dòng)模式下的安全系數(shù)，地下水位線(xiàn)以下地層取飽和狀態(tài)的強(qiáng)度參數(shù)，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表2．可以看出，對(duì)于第1破壞模式(小圓弧滑動(dòng))，E-E′剖面最危險(xiǎn)；對(duì)于第2破壞模式(大圓弧滑動(dòng))，D-D′剖面最危險(xiǎn)；對(duì)于第3和第4破壞模式(折線(xiàn)滑動(dòng))，A-A′剖面最危險(xiǎn)．對(duì)于小圓弧滑動(dòng)，主要是反演堆積物(Qdl+col)的合理參數(shù)，以E-E′剖面反演結(jié)果為準(zhǔn)；大圓弧滑動(dòng)、上折線(xiàn)滑動(dòng)、下折線(xiàn)滑動(dòng)，主要是反演滑動(dòng)帶(fn-1、fn-2)的合理參數(shù)，其中大圓弧滑動(dòng)以D-D′剖面為準(zhǔn)，上折線(xiàn)滑動(dòng)和下折線(xiàn)滑動(dòng)以A-A′剖面為準(zhǔn)．

表2 滑面在4種滑動(dòng)模式下的初步計(jì)算結(jié)果

4種破壞模式如圖6～9所示，均以D-D′剖面為例．對(duì)于D-D′剖面來(lái)說(shuō)，小圓弧滑動(dòng)的圓心及圓弧與坡面兩個(gè)交點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(1 297.699，60.656)、(880.95，590.999)、(1 275.639，180.07)；大圓弧滑動(dòng)的圓心及圓弧與坡面兩個(gè)交點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(1 480.028，611.26)、(1 141.058，264.808)、(1 324.937，148)．上折線(xiàn)滑動(dòng)和下折線(xiàn)滑動(dòng)其折線(xiàn)分別緊貼滑動(dòng)帶(fn-1、fn-2)上表面和下表面，其順序?yàn)橄确囱荻逊e物(Qdl+col)的強(qiáng)度參數(shù)，得出較為準(zhǔn)確的結(jié)果后，再進(jìn)行滑動(dòng)帶(fn-1、fn-2)強(qiáng)度參數(shù)的反演強(qiáng)度參數(shù)的賦值時(shí)，將上一步堆積物(Qdl+col)的反演結(jié)果代入其中．

圖6 第1破壞模式(小圓弧滑動(dòng)) 圖7 第2破壞模式(大圓弧滑動(dòng))

圖8 第3破壞模式(上折線(xiàn)滑動(dòng)) 圖9 第4破壞模式(下折線(xiàn)滑動(dòng))

2.4 反演結(jié)果

由于后期可能會(huì)對(duì)工程區(qū)內(nèi)的部分地區(qū)進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，對(duì)邊坡的穩(wěn)定情況會(huì)產(chǎn)生不利影響，若開(kāi)挖時(shí)恰逢暴雨天氣，則對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定性十分不利，所以，對(duì)反演結(jié)果(粘聚力c，摩擦角φ)采取保守取值．

1)第1破壞模式(小圓弧滑動(dòng))，選取E-E′剖面反演堆積物(Qdl+col)的參數(shù)，依據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果，作E-E′剖面堆積物(Qdl+col)穩(wěn)定安全系數(shù)k與摩擦角φ關(guān)系曲線(xiàn)如圖10所示．可以看出，有多組堆積物的力學(xué)參數(shù)組合滿(mǎn)足在最低穩(wěn)定要求的安全系數(shù)1.05(見(jiàn)表4)，經(jīng)過(guò)綜合比較，堆積物(Qdl+col)的強(qiáng)度組合以c取50 kPa、φ取23.6°比較合理．

表3 E-E′剖面堆積物所確定的安全系數(shù)

表4 E-E′剖面(Qdl+col)：k=1.05(地震工況)

圖10 E-E′剖面堆積物k-φ關(guān)系曲線(xiàn)圖

2)在第2破壞模式(大圓弧滑動(dòng))下，選取D-D′剖面，堆積物參數(shù)可按照上文中反演出比較合理的參數(shù)取值，圓弧穿過(guò)滑動(dòng)帶，表明采取此種破壞模式反演滑動(dòng)帶(fn-1、fn-2)參數(shù)較為合理，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表5，并得到D-D′剖面滑動(dòng)帶穩(wěn)定安全系數(shù)k與摩擦角φ關(guān)系曲線(xiàn)如圖11所示．可以看出，有多組滑動(dòng)帶的力學(xué)參數(shù)組合滿(mǎn)足在最低穩(wěn)定要求的安全系數(shù)1.05(見(jiàn)表6)，經(jīng)過(guò)綜合比較，此種破壞模式下的滑動(dòng)帶(fn-1、fn-2)的強(qiáng)度組合以c取80 kPa、φ取22.1°比較合理．

表5 D-D′剖面滑動(dòng)帶所確定的安全系數(shù)

表6 D-D′剖面(fn-1、fn-2)：k=1.05(地震工況)

圖11 D-D′剖面滑動(dòng)帶k-φ關(guān)系曲線(xiàn)圖

3)對(duì)于第3破壞模式(上折線(xiàn)滑動(dòng))，選取A-A′剖面，反演滑動(dòng)帶(fn-1、fn-2)參數(shù)，折線(xiàn)緊貼滑動(dòng)帶上側(cè)，主要模擬該剖面沿滑動(dòng)帶上側(cè)滑動(dòng)的情況，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表7，并得到A-A′剖面滑動(dòng)帶穩(wěn)定安全系數(shù)k與摩擦角φ關(guān)系曲線(xiàn)如圖12所示．多組滿(mǎn)足最低穩(wěn)定要求的滑動(dòng)帶力學(xué)參數(shù)組合(見(jiàn)表8)，經(jīng)過(guò)綜合比較，此種破壞模式下的滑動(dòng)帶(fn-1、fn-2)的強(qiáng)度組合以c取90 kPa、φ取22.5°比較合理．

表7 A-A′剖面滑動(dòng)帶所確定的安全系數(shù)

圖12 A-A′剖面滑動(dòng)帶k-φ關(guān)系曲線(xiàn)圖

φ/°22．922．822．722．622．622．5c/kPa808284868890

4)對(duì)于第4破壞模式(下折線(xiàn)滑動(dòng))，選取A-A′剖面，反演滑動(dòng)帶(fn-1、fn-2)參數(shù)，折線(xiàn)緊貼滑動(dòng)帶下側(cè)，主要模擬該剖面沿滑動(dòng)帶下側(cè)滑動(dòng)的情況，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表9，并得到A-A′剖面滑動(dòng)帶穩(wěn)定安全系數(shù)k與摩擦角φ關(guān)系曲線(xiàn)如圖13所示．多組滿(mǎn)足最低穩(wěn)定要求的滑動(dòng)帶力學(xué)參數(shù)組合(見(jiàn)表10)，經(jīng)過(guò)綜合比較，此種破壞模式下的滑動(dòng)帶(fn-1、fn-2)的強(qiáng)度組合以c取90 kPa、φ取22.5°比較合理．

表9 A-A′剖面滑動(dòng)帶所確定的安全系數(shù)

表10 A-A′剖面(fn-1、fn-2)：k=1.05(地震工況)

圖13 A-A′剖面滑動(dòng)帶k-φ關(guān)系曲線(xiàn)圖

2.5 反演結(jié)果分析

對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行匯總見(jiàn)表11，利用四舍五入法，保守考慮最終確定：堆積物(Qdl+col)的合理抗剪參數(shù)為φ=24°、c=50 kPa，滑動(dòng)帶(fn-1、fn-2)的合理抗剪參數(shù)為φ=23°、c=90 kPa．

表11 結(jié)果匯總

2.6 驗(yàn)證分析

選取C-C′剖面，強(qiáng)度參數(shù)賦值時(shí)，將反演結(jié)果代入堆積物和滑動(dòng)帶所在地層中，可得到地震工況4種破壞模式下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表12．由于取值較保守，在采用反演得出的抗剪參數(shù)計(jì)算C-C′剖面穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)，計(jì)算得出的安全系數(shù)均大于1.05，但是差距不大．說(shuō)明反演得出的結(jié)果能較真實(shí)合理地反映出反演范圍內(nèi)地層參數(shù)的力學(xué)特性．

表12 C-C′剖面極限平衡計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

本文對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的反演計(jì)算最終取值在設(shè)計(jì)單位所提供的建議值范圍內(nèi)且比較符合工程經(jīng)驗(yàn)．所得結(jié)果代入其他剖面進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算時(shí)，結(jié)果合理，進(jìn)一步說(shuō)明了反演所得強(qiáng)度參數(shù)的合理性．

由于4個(gè)剖面均采取最不利的地震工況且取值保守，所以相較于反演區(qū)域強(qiáng)度參數(shù)的實(shí)際值，本次反演計(jì)算所選取的強(qiáng)度參數(shù)偏小，但考慮到后續(xù)進(jìn)行的開(kāi)挖加固工程會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，為保證后續(xù)工程安全可靠，采取保守取值所得的最終結(jié)果較為合理可靠．

[1] 陳祖煜．土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析-原理·方法·程序[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2003：68-72．

[2] 陳祖煜．巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析-原理·方法·程序[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2004：157-187．

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[5] 強(qiáng)天馳．多參數(shù)優(yōu)化反演分析法及其應(yīng)用[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(2)：1492-1496．

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ResearchonBack-analysisofSlideSurfaceStrengthParametersofaAccamulationSlopes

Li Jianglong Li Jianlin Huang Yisheng

(College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

Though the analysis of existing data, the possible failure modes of a overburden slope are sliding within the cover or sliding along the deep side of the slide. According to the geological survey data, the indoor test data and the calculation method of the slope safety factor, the parameters of the rock and soil mechanics strength parameters are analyzed inversion. The results show that the results obtained by using the parameters inversion are objective and reasonable. The stability of the results is verified by the stability calculation of other sections. This paper also provide references for the stability analysis of similar projects and the inversion calculation of intensity parameters.

hydropower station； slope stability； strength parameters of slide surface； Reverse analysis

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.05.001

2017-04-25

湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2015CFB545)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51439003)

黃宜勝(1978-)，男，副教授，博士，主要從事基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)和巖體力學(xué)研究．E-mail： hys2007@ctgu.edu.cn

TU43

A

1672-948X(2017)05-0001-05

[責(zé)任編輯周文凱]