【正文】 武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院 水工結(jié)構(gòu)計(jì)算仿真研究中心 高壩巖基與巖石邊坡研究所 三板溪水電站進(jìn)水口崩塌堆積體 滑坡穩(wěn)定性分析及加固優(yōu)化研究 目 錄 ?前言 ?邊坡穩(wěn)定性分析及加固方案探討 ?邊坡變形與穩(wěn)定的二維有限元分析 ?初步加固方案的三維有限元分析與評(píng)價(jià) ?優(yōu)化加固方案的三維有限元分析與評(píng)價(jià) ?結(jié)論 一、前 言 工程概況 三板溪崩塌堆積體分布于電站進(jìn)水口右側(cè) Ⅳ 號(hào)沖溝上游大支溝內(nèi)。支溝上游邊坡為一順層坡面，下游邊坡上部為一連續(xù)的 NW向陡崖。崩塌堆積體分布高程為 ～，平均厚度 ，約 44萬(wàn) m3。堆積體自然地形坡度 32176。 ～ 38176。 。崩塌堆積體與上游基巖接觸面為一層間錯(cuò)動(dòng)面。下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化條帶狀凝質(zhì)粉砂巖，接觸帶為灰黃至黃色角礫夾黃色可塑至軟塑狀粘土，厚 ，底部為粘土夾少量砂粒，砂粒呈次圓狀。接觸面光滑、未見(jiàn)有明顯擦痕。 研究意義 由于該堆積體處于水庫(kù)大壩右壩肩上游電站進(jìn)水口附近 ，為了確保水電站進(jìn)水口施工和運(yùn)行期的安全 ， 該崩塌堆積體的穩(wěn)定問(wèn)題尤為突出 。 因此 ， 本課題將根據(jù)崩塌堆積體的工程地質(zhì)特點(diǎn)以及施工期 、 運(yùn)行期的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題展開(kāi)研究 ， 重點(diǎn)研究其穩(wěn)定性 ， 并為設(shè)計(jì)院推薦加固優(yōu)化措施 ，研究成果對(duì)三板溪水電站進(jìn)水口崩塌堆積體治理的設(shè)計(jì) 、施工具有較重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義 。 研究?jī)?nèi)容 ? 總結(jié)和分析崩塌堆積體滑坡的形成機(jī)制 ， 研究邊坡在自然和工程條件 （ 如施工開(kāi)挖切坡 、 卸荷 、 震動(dòng)及水庫(kù)運(yùn)行 ）下的變形破壞機(jī)制 ， 正確模擬其變形破壞過(guò)程 。 ? 考慮崩塌堆積體滑坡的施工和運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行分析 ， 內(nèi)容有： 根據(jù)地質(zhì)條件對(duì)崩塌堆積體滑坡進(jìn)行分區(qū)； 考慮施工和運(yùn)行過(guò)程中地下水位和水庫(kù)水位的變化； 采用推力系數(shù)法 、 Sarma法對(duì)堆積體材料參數(shù)進(jìn)行敏感性分析 ， 對(duì)天然狀態(tài) 、 施工期和運(yùn)行期等工況下邊坡的穩(wěn)定進(jìn)行分析 ， 探討并提出了初步的加固方案； 采用二維和三維有限單元法對(duì)采用初步加固方案的施工過(guò)程仿真分析 ， 分析邊坡的應(yīng)力應(yīng)變 、 屈服情況和邊坡的穩(wěn)定性 ， 推求變形和安全系數(shù) ， 并對(duì)不同的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析； 根據(jù)初步加固方案的仿真分析結(jié)果并結(jié)合實(shí)際工程特點(diǎn)和施工條件推薦較優(yōu)的加固方案 ， 并對(duì)優(yōu)化加固方案進(jìn)行三維有限元分析 ， 分析邊坡的應(yīng)力應(yīng)變 、屈服情況和穩(wěn)定性 ， 評(píng)價(jià)推薦方案的合理性和可行性 。 二、邊坡的穩(wěn)定性分析及加固方案探討 計(jì)算原理 (略） 邊坡整體穩(wěn)定性的分析 邊坡的防治措施建議 邊坡的穩(wěn)定性復(fù)核 加固后邊坡的局部穩(wěn)定性分析 小 結(jié) 巖土名稱(chēng) 天然 容重 飽和 容重 天然狀態(tài) 飽水狀態(tài) kN/m3 KN/m3 c（ kPa） Φ （ 176。 ） c（ kPa） Φ （ 176。 ） 塊石堆積體 0 0 上游接觸面粘土 20 下游接觸面碎石夾土 10 主滑面 力學(xué)反演參數(shù) 第 1組 35 第 2組 20 第 3組 0 第 4組 0 計(jì)算參數(shù) 邊坡整體穩(wěn)定性的分析 計(jì)算工況及安全系數(shù)取值 計(jì)算工況 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 ， 計(jì)算工況包括： 天然復(fù)核； 開(kāi)挖完建未蓄水； 正常蓄水位； 正常蓄水位 +地震組合 (設(shè)防裂度按 7度考慮 ) ， 根據(jù)《 水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范 》 ， 水平地震影響系數(shù) 。 水位驟降 。 安全系數(shù)取值 穩(wěn)定安全系數(shù)是判斷邊坡是否穩(wěn)定及決定邊坡處理投資大小的一項(xiàng)重要指標(biāo) ， 直接關(guān)系著工程的安全性 、 0 2 ??? hhK ?計(jì)算 工況 天然 復(fù)核 開(kāi)挖完建 未蓄水 正常蓄水位 正常蓄水位 +地震組合 水位 驟降 安全 系數(shù) 表 24 三板溪水電站進(jìn)水口滑坡各工況下的安全系數(shù)取值 經(jīng)濟(jì)性與合理性。由于目前邊坡治理工程設(shè)計(jì)尚無(wú)統(tǒng)一的規(guī)程、規(guī)范可循，因此，邊坡穩(wěn)定分析及防治工程設(shè)計(jì)必須根據(jù)特定邊坡的具體情況，分析影響邊坡穩(wěn)定的各種因素，論證確定邊坡防治工程的設(shè)計(jì)安全系數(shù)。 本課題研究根據(jù)該邊坡的具體情況，按以下兩種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)考慮：常規(guī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（參考同類(lèi)規(guī)范）；相對(duì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（根據(jù)邊坡現(xiàn)狀及同類(lèi)工程，如表 23(Pg11)）。 綜上考慮并參考幾次討論會(huì)議結(jié)果，各工況安全系數(shù)取值如下：天然復(fù)核和開(kāi)挖完建未蓄水 ；正常蓄水運(yùn)行 ；正常蓄水 +地震及水位驟降 。（如表 24） 整體穩(wěn)定性分析的剖面 為了充分考察邊坡的穩(wěn)定性，共計(jì)考慮了 1個(gè)主滑面， 4個(gè)輔滑面，如圖 21～圖 27所示 。 邊坡穩(wěn)定性分析成果 天然狀況下邊坡的穩(wěn)定性 hK?ChK?ChK?C水平地震影響系數(shù) 滑面抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 穩(wěn)定安全系數(shù) （ 176。 ） （ kPa） Sarma法 RTM法 改進(jìn)的 RTM法 （ ） *（ ） * （ ） *（ ） * （ ） *（ ） * （ ） *（ ） * 表 25 天然工況下的穩(wěn)定性分析成果 第三組參數(shù)計(jì)算的邊坡安全系數(shù)小于 ， 與實(shí)際不符 。因此 ， 只取第一 、 二 、 四組參數(shù)進(jìn)行計(jì)算 ， 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為基本都在 ， 如考慮地震作用時(shí) ， 邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)明顯減小； Sarma法計(jì)算出的安全系數(shù)比 RTM的小 。 究其原因 ， 是因?yàn)榛嫫露容^陡 ， 在 RTM的計(jì)算中 ， 出現(xiàn)了土條之間的剪切力超出極限抗剪強(qiáng)度的現(xiàn)象 。 采用 RTM方法進(jìn)行計(jì)算 ， 堆積體內(nèi)部相應(yīng)的屈服的狀況如表 26 (Pg15)示 。從表 26中可看出 ， 堆積體大部分區(qū)域的土體已處于屈服狀態(tài) 。 改進(jìn)的 RTM法計(jì)算的安全系數(shù)與 Sarma法比較接近 ， 說(shuō)明改進(jìn)的 RTM法考慮了條分面上的極限抗剪條件后與Sarma法是基本一致的 。 蓄水狀況 地震系數(shù) 第一組參數(shù) 第四組參數(shù) RTM SARMA RTM SARMA 480m 475m 470m 465m 450m 425m 完建工況 表 27 開(kāi)挖后主滑斷面邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù) 開(kāi)挖后邊坡主滑面 S0的穩(wěn)定性 開(kāi)挖完建工況下 S0滑面的安全系數(shù)不考慮地震時(shí)均大于，考慮地震時(shí)均大于 。 隨著水位上漲安全系數(shù)則明顯降低，說(shuō)明蓄水后產(chǎn)生的靜水壓力和坡腳堆積體及滑面的軟化對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響顯著；且安全系數(shù)大都小于或接近于 ，即在工程完建蓄水運(yùn)行后，邊坡將處于極限平衡狀態(tài)或臨界失穩(wěn)狀態(tài)。因此，邊坡在開(kāi)挖蓄水之前必須采取適當(dāng)?shù)募庸谭雷o(hù)措施，建議施工過(guò)程中還應(yīng)有適時(shí)的監(jiān)測(cè)措施。 降低后水位地震系數(shù) 第一組參數(shù) 第四組參數(shù) 水位穩(wěn)定時(shí)的安全系數(shù) 驟降至該水位時(shí)安全系數(shù) 水位穩(wěn)定時(shí)的安全系數(shù) 驟降至該水位時(shí)安全系數(shù) 470m 465m 450m 425m 表 28 從正常水位 475m降低至某高程時(shí)的安全系數(shù) 水位驟降時(shí)主滑面 S0的穩(wěn)定性分析 考察三板溪水庫(kù)水位可能的驟降情況，偏于保守考慮，按表 28第一列考慮水位驟降，計(jì)算成果如表 28示。 由表中成果可知，水位驟降對(duì)于崩滑體穩(wěn)定性的影響很大，蓄水后水位驟降情況下各安全系數(shù)均小于 。說(shuō)明如果不對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理，邊坡在水位驟降時(shí)極有可能失穩(wěn)。 剖面編號(hào) 地震系數(shù) 穩(wěn)定安全系數(shù) 第一組參數(shù) 第四組參數(shù) S1 S2 S3 S4 局部滑帶 1 局部滑帶 2 表 29 開(kāi)挖完后未蓄水下輔助剖面及潛在滑帶的安全系數(shù)計(jì)算值 輔助剖面的穩(wěn)定性分析 剖面編號(hào) 地震系數(shù) 穩(wěn)定安全系數(shù) 第一組參數(shù) 第四組參數(shù) S1 S2 表 210 開(kāi)挖完后正常蓄水位下輔助剖面的安全系數(shù)計(jì)算值 為了充分考察邊坡開(kāi)挖后崩滑體的穩(wěn)定性，考慮了四個(gè)輔助剖面 S1～ S4進(jìn)行的穩(wěn)定性計(jì)算分析。另外，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，在主滑面頂部擬定了兩個(gè)局部滑面，劃分的條分模型如圖 28所示。 根據(jù)劃分的條分模型采用 RTM法，計(jì)算成果如表 29和表 210。 由表 29可知，開(kāi)挖完建未蓄水時(shí)，輔助剖面 S3的安全系數(shù)最小，但其安全系數(shù)也大于 。 由表 210可以看出，蓄水后邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)明顯降低，對(duì)于第四組參數(shù)情況，安全系數(shù)均小于 ，則邊坡是失穩(wěn)的。從崩滑體的整體分布來(lái)看，邊坡開(kāi)挖前三維效應(yīng)比較顯著，而開(kāi)挖后這種效應(yīng)減弱，因此，輔面S S4以及局部滑帶采用了地質(zhì)勘測(cè)力學(xué)參數(shù)而不是綜合反演參數(shù)，未考慮這種三維效應(yīng)。 邊坡的防治措施建議 邊坡防治的主要思路是減小下滑力和增加阻滑力。常用的邊坡防治工程措施主要有：①開(kāi)挖清除；②排水；③削坡減載；④壓腳；⑤抗滑擋墻；⑥抗滑樁；⑦阻滑鍵；⑧錨固支護(hù)；⑨改善巖土性質(zhì)。 三板溪崩塌體邊坡的工程情況是，坡體本身為散粒體，容易排水，因此采用排水措施效果不佳；邊坡的坡腳部位需要開(kāi)挖，開(kāi)挖完畢時(shí)邊坡即處于失穩(wěn)狀態(tài)，也不能采用壓腳的方式；邊坡體厚度不大，滑面下基巖較為完整。根據(jù)這些實(shí)際情況，建議以下工程措施以供參考：①削坡減載；②抗滑樁；③坡面支護(hù)。 削坡減載 削坡減載可以降低下滑力，提高邊坡體的整體穩(wěn)定性，是一般邊坡整治常用而有效的工程措施。削除坡體頂部，根據(jù)削坡不同的高程分別計(jì)算開(kāi)挖施工完成后以及正常運(yùn)行＋地震作用時(shí)的邊坡穩(wěn)定性，計(jì)算成果見(jiàn)表211(Pg 20)。 從表 211可以發(fā)現(xiàn)，削除邊坡體后緣部分能夠提高邊坡的穩(wěn)定性，且削除越多，穩(wěn)定性提高越大，但削除方量也迅速增加。在完建工況下，當(dāng)削坡至高程 時(shí)，邊坡體可基本恢復(fù)到開(kāi)挖前的穩(wěn)定狀態(tài)；但是在正常運(yùn)行期間受地震作用時(shí)，即便削坡至高程 ，邊坡體也難以恢復(fù)到原始自然條件下的穩(wěn)定水平。 設(shè)置抗滑樁 三板溪崩塌體堆積體的厚度不大，滑面下的基巖整體性較好，地下水情況穩(wěn)定，且水位較低。上述條件有利于對(duì)樁基的嵌固，只要樁有足夠的嵌入深度和合理斷面，抗滑樁方案，從理論上講是可行的。因此，我們推薦該邊坡加固方案是布置抗滑樁以維持邊坡整體穩(wěn)定性。 為了獲得整個(gè)坡體在設(shè)計(jì)安全準(zhǔn)則下的推力曲線(xiàn)，我們?nèi)∮昧酥骰?S0及與主滑面平行的兩個(gè)斷面（即 SS2），列出三個(gè)斷面在控制工況（以主滑面安全系數(shù)較小的工況來(lái)確定）以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)工況下的穩(wěn)定性分析成果，如表 212示。 由表 212可知，在正常運(yùn)行工況下，各個(gè)邊坡的穩(wěn)定性都低于選定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此，應(yīng)以正常運(yùn)行工況下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的邊坡推力曲線(xiàn)作為依據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的加固處理措施，而對(duì)于其它的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，只需做相應(yīng)的校核。 根據(jù)表 212，第二組、第四組滑面參數(shù)進(jìn)行抗滑樁設(shè)計(jì)較為恰當(dāng)。據(jù)此計(jì)算出的各種工況下條間推力曲線(xiàn)如 附圖 21～附圖 218所示。并以此作為抗滑樁設(shè)計(jì)的依據(jù)。 附圖 21 開(kāi)挖完建工況下 S0的設(shè)計(jì)推力曲線(xiàn)（ F=，第二組） +02+00+02+03+03+03+03+03+03+03+03+03+03+031 4 710 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43條塊編號(hào)條間水平推力（kN/m）附圖 22 開(kāi)挖完建工況下 S1的設(shè)計(jì)推力曲線(xiàn)（ F=，第二組） +00+02+03+03+03+03+03+031 3 5 7 911 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39條塊編號(hào)條間水平推力（kN/m）+00+02+03+03+03+03+03+031 3 5 7 911 13 15 17 19 21 23 25 27 29