水利樞紐工程邊坡穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)研究李凱

1、水利樞紐工程邊坡穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)研究貴陽市水利交通發(fā)展投資（集團(tuán)）有限公司 李 凱（貴州 貴陽 550081）摘要：邊坡包括自然邊坡和人工邊坡，是巖石表面的天然地質(zhì)和工程地質(zhì)的作用范圍內(nèi)具有露天側(cè)向臨空面的地質(zhì)體，它們是廣泛分布于地表的一種地貌形態(tài)。邊坡是人類的工程活動的最普遍也是極為重要的地質(zhì)環(huán)境，與人類的各種活動密切相關(guān)。評價(jià)邊坡穩(wěn)定性的目的是合理設(shè)計(jì)人工邊坡，使之既能穩(wěn)定安全，又不致浪費(fèi)開挖工程量，而且工程活動對天然邊坡的穩(wěn)定性影響也應(yīng)予以評價(jià)。本文主要探討水利樞紐工程邊坡穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：水利樞紐工程；邊坡穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)水利樞紐工程邊坡穩(wěn)定性分析與評價(jià)的目的：一是對與工程有關(guān)的天

2、然邊坡的穩(wěn)定性作出定性和定量評價(jià)；二是要為合理地設(shè)計(jì)人工邊坡和邊坡變形破壞的防治措施提供依據(jù)。邊坡穩(wěn)定性分析評價(jià)的方法主要有地質(zhì)分析法(歷史成因分析法)、力學(xué)計(jì)算法、工程地質(zhì)類比法、過程機(jī)制分析法、理論計(jì)算方法等。工程地質(zhì)評價(jià)的步驟是：首先全面考慮影響邊坡穩(wěn)定性的因素及其邊界條件，進(jìn)行定性評價(jià)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行定量力學(xué)計(jì)算，然后綜合評價(jià)其穩(wěn)定性1。1水利樞紐工程的邊坡穩(wěn)定性隨著社會進(jìn)步及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，越來越多地在工程活動中涉及邊坡工程問題，通過長期的工程實(shí)踐，工程地質(zhì)工作者已對邊坡工程形成了比較完善的理論體系，并通過理論對人類工程活動，進(jìn)行有效的指導(dǎo)。近年來，隨著環(huán)境保護(hù)意識的增加及國際減輕自然災(zāi)

3、害工作的開展，人類已認(rèn)識到：邊坡產(chǎn)生不僅僅是其本身的歷史發(fā)展，而是與人類活動密切相關(guān)；人類在進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)的同時(shí)，必須顧及到邊坡的環(huán)境效應(yīng)，并且把人類的發(fā)展置于環(huán)境之中，因而相繼開展了工程活動與地質(zhì)環(huán)境相互作用研究領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中，邊坡作為地質(zhì)工程的分支之一，一直是人們研究的重點(diǎn)課題之一。巖坡不同于一般土質(zhì)邊坡，其特點(diǎn)是巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，斷層、節(jié)理、裂隙互相切割，塊體極不規(guī)則，因此巖坡穩(wěn)定有其獨(dú)特的性質(zhì)。它同巖體的結(jié)構(gòu)、塊體密度和強(qiáng)度、邊坡坡度、高度、巖坡表面和頂部所受荷載、邊坡的滲水性能、地下水位的高低等有關(guān)。邊坡穩(wěn)定性的工程地質(zhì)評價(jià)常用的方法有工程地質(zhì)類比法、圖解法、圖表法、力學(xué)計(jì)算法、模擬實(shí)

4、驗(yàn)等。近年來，有限元方法在邊坡的穩(wěn)定分析評價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用2。2影響邊坡穩(wěn)定性的因素 影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要有內(nèi)在因素和外部因素兩方面。內(nèi)在因素包括組成邊坡的地貌特征、巖土體的性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體結(jié)構(gòu)、巖體初始應(yīng)力等。外部因素包括水的作用、地震、巖體風(fēng)化程度、工程荷載條件及人為因素。內(nèi)在因素對邊坡的穩(wěn)定性起控制作用，外部因素起誘發(fā)破壞作用。以下就巖土類型和性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造和巖體結(jié)構(gòu)、水的作用、地震作用、工程荷載作用等分別闡述。2.1 巖土類型和性質(zhì)的影響不同的巖層組成的邊坡，其變形破壞也有所不同。在黃土地區(qū)，邊坡的變形破壞形式以滑坡為主；在花崗巖、厚層石灰?guī)r、砂巖地區(qū)則以崩塌為主；在片巖、

5、板巖、千枚巖地區(qū)則往往產(chǎn)生表層撓曲和傾倒等蠕動變形；在碎屑巖及松散土層地區(qū)，則產(chǎn)生碎屑流或泥石流等。 巖性對邊坡的穩(wěn)定及其邊坡的坡高和坡角也起重要的控制作用。堅(jiān)硬完整的塊狀或厚層狀巖石如花崗巖、石灰?guī)r、礫巖等可以形成數(shù)百米的陡坡，如長江三峽峽谷。而在淤泥或淤泥質(zhì)軟土地段，由于淤泥的塑性流動，幾乎難以開挖渠道，邊坡隨挖隨塌，難以成形。黃土邊坡在干旱時(shí)，可以直立陡峻，但一經(jīng)水浸土則強(qiáng)度大減，變形急劇，滑動速度快，規(guī)模和動能巨大，破壞力強(qiáng)且具有崩塌性。松散地層邊坡的坡度較緩3。2.2 地質(zhì)構(gòu)造和巖體結(jié)構(gòu)的影響在區(qū)域構(gòu)造比較復(fù)雜、褶皺比較強(qiáng)烈、新構(gòu)造運(yùn)動比較活動的地區(qū)，邊坡穩(wěn)定性差。斷層帶巖石破碎，風(fēng)

6、化嚴(yán)重，且地下水最豐富和活動的地區(qū)極易發(fā)生滑坡。巖層或結(jié)構(gòu)的產(chǎn)狀對邊坡穩(wěn)定也有很大影響，水平巖層的邊坡穩(wěn)定性較好，但如存在陡傾的節(jié)理裂隙，則易形成崩塌和剝落。同向緩傾的巖質(zhì)邊坡(結(jié)構(gòu)面傾向和邊坡坡面傾向一致，傾角小于坡角)的穩(wěn)定性比反向傾斜的差，這種情況最易產(chǎn)生順層滑坡。結(jié)構(gòu)面或巖層傾角愈陡，穩(wěn)定性愈差。如巖層傾角小于10o15o的邊坡，除沿軟弱夾層可能產(chǎn)生塑性流動外，一般是穩(wěn)定的；大于25o的邊坡，通常是不穩(wěn)定的；傾角15o25o的邊坡，則根據(jù)層面的抗剪強(qiáng)度等因素而定。同向陡傾層狀結(jié)構(gòu)的邊坡，一般穩(wěn)定性較好，但如由薄層或軟硬巖互層的巖石組成，則可能因蠕變而產(chǎn)生撓曲彎折或傾倒。反向傾斜層狀結(jié)構(gòu)

7、的邊坡通常較穩(wěn)定，但如垂直層面或片理面的走向節(jié)理發(fā)育且順山坡傾斜，則易產(chǎn)生切層滑坡4。實(shí)際對邊坡采取削坡減載、反壓壓腳、固結(jié)邊坡及護(hù)坡處理。2.3水的作用地表水和地下水是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。不少滑坡的典型實(shí)例都與水的作用有關(guān)或者水是滑坡的觸發(fā)因素，處于水下的透水邊坡將承受水的浮托力的作用，而不透水的邊坡，坡面將承受靜水壓力；充水的張開裂隙將承受裂隙水靜水壓力的作用；地下水的滲流將對邊坡體產(chǎn)生動水壓力。水對邊坡巖土體還產(chǎn)生軟化或泥化作用，使巖土體的抗剪強(qiáng)度大為降低；地表水的沖刷，地下水的溶蝕和潛蝕也直接對邊坡產(chǎn)生破壞作用。不同結(jié)構(gòu)類型的邊坡，有其自身特有的水動力模型(水動力模型是指在水的動

8、力作用下，巖土體破壞的模式)。在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)采取排水措施，在邊坡外側(cè)設(shè)置截水溝排除地表水。3水利樞紐工程邊坡穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)3.1 水利樞紐工程邊坡穩(wěn)定性分析定性分析方法主要是通過工程地質(zhì)勘察，對影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素、可能的變形破壞方式以及失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制等內(nèi)容進(jìn)行分析，并對已變形地質(zhì)體的成因及其演化史進(jìn)行研究，從而對被評價(jià)邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)及其未來發(fā)展趨勢給出定性說明和解釋。該方法主要根據(jù)邊坡發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境和邊坡發(fā)育歷史中的各種變形破壞跡象及其基本規(guī)律和穩(wěn)定性影響因素等的分析，追溯邊坡演變的全過程，依此對邊坡穩(wěn)定性的總體情況、趨勢和區(qū)域性特征做出評價(jià)和預(yù)測，對已經(jīng)發(fā)生的滑坡，判斷其能否復(fù)活或轉(zhuǎn)

9、化，該方法主要用于天然斜坡的穩(wěn)定性評價(jià)5。邊坡穩(wěn)定性評價(jià)方法中的工程類比判斷方法的實(shí)質(zhì)就是利用已經(jīng)掌握的邊坡穩(wěn)定性狀況及其影響因素，結(jié)合曾經(jīng)采用過的理論與計(jì)算等方面的經(jīng)驗(yàn)，并把這些經(jīng)驗(yàn)用到類似的邊坡穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)中去。該方法需要對已有的邊坡和目前的研究對象進(jìn)行廣泛的調(diào)查與對比分析，對邊坡的工程地質(zhì)因素和水文地質(zhì)因素進(jìn)行全面研究，找出它們之間的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，分析影響邊坡變形破壞的各主導(dǎo)因素及發(fā)展階段的相似性及其差異性。同時(shí)還要考慮到工程的等級、類別等特殊性的要求，綜合分析邊坡可能的變形與破壞機(jī)制，從而對所研究邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析，并給出穩(wěn)定性的評價(jià)結(jié)論。需要強(qiáng)調(diào)的是工程類比方法是通過對已

10、有的邊坡和待分析的邊坡從各個(gè)方面進(jìn)行綜合對比和歸納總結(jié)，并由此得出邊坡穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)論。但由于受環(huán)境工程地質(zhì)條件、工程規(guī)模和等級等條件的約束，兩個(gè)完全相同的環(huán)境工程地質(zhì)條件是不可能的，所以在進(jìn)行歸納與對比分析的過程中，要抓住主要影響因素，在主要因素方面必須滿足相似性要求才能進(jìn)行對比和歸類，否則會造成不良的后果。但無論是哪一種分析方法，其基本的前提應(yīng)當(dāng)是對邊坡的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)以及工程環(huán)境進(jìn)行較詳細(xì)的調(diào)查和勘測，在這一基礎(chǔ)上才談得上邊坡穩(wěn)定分析方法的選擇。另外需要特別指出的是，采用分析方法一定要看其適用的條件，并不能盲目的套用，而應(yīng)根據(jù)具體的工程情況去分析。這主要是因?yàn)閷W(xué)科之間的滲透，一些其他學(xué)

11、科的理論被推廣應(yīng)用到邊坡工程之中。3.2 水利樞紐工程邊坡穩(wěn)定性設(shè)計(jì)力學(xué)計(jì)算方法是判斷邊坡穩(wěn)定性的一種定量分析方法。力學(xué)分析方法的可靠性在很大程 度上取決于計(jì)算參數(shù)的選取和邊界條件的確定，特別是對結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選取，至關(guān) 重要。力學(xué)分析法必須以正確的地質(zhì)分析為基礎(chǔ)。力學(xué)計(jì)算方法很多，應(yīng)根據(jù)不同的邊界條件和變形破壞的類型采用合適的計(jì)算方法。在進(jìn)行巖坡穩(wěn)定性分析時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)查明巖坡可能的滑動類型，然后對不同類型采用相應(yīng)的分析方法。嚴(yán)格而言，巖坡滑動大多屬空間滑動類型，然而對只有一個(gè)平面構(gòu)成的滑裂面或者滑裂面由多個(gè)平面組成而這些面的走向又大致平行者，且沿著走向長度大于坡高時(shí)，則也可按平面滑動進(jìn)

12、行分析，其結(jié)果偏于安全。在平面分析中，常常對滑動面進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算。經(jīng)驗(yàn)證明，許多滑坡的發(fā)生都與巖體內(nèi)的滲水作用有關(guān)，這是由于巖體內(nèi)滲水后巖石強(qiáng)度惡化和應(yīng)力增加的緣故。因此，做好巖坡的排水工作是防止滑坡的手段之一。結(jié)構(gòu)面中如夾有粘土或其他泥質(zhì)充填物，則就成為軟弱結(jié)構(gòu)面。地質(zhì)構(gòu)造作用形成的斷裂和節(jié)理在地殼表層是最多的，這種結(jié)構(gòu)面往往都夾有粘土或泥質(zhì)充填物，遇水浸泡后，結(jié)構(gòu)面中的軟弱充填物就容易軟化，強(qiáng)度大大降低，促使巖坡沿著它發(fā)生滑動。因此，巖坡分析中，對結(jié)構(gòu)面，特別是軟弱結(jié)構(gòu)面的類型、性質(zhì)、組合形式、分布特征以及由各種軟弱面切割后的塊體等進(jìn)行仔細(xì)分析是十分重要的。巖坡的滑動過程一般可分為三個(gè)階段。

13、初期是蠕動變形階段，這一階段中坡面和坡頂出現(xiàn)拉張裂縫并逐漸加長和加寬，滑坡前緣有時(shí)出現(xiàn)擠出現(xiàn)象，地下水位發(fā)生變化，有時(shí)會發(fā)出響聲。第二階段是滑動破壞階段，此時(shí)滑坡后緣迅速下陷，巖體以極大的速度向下滑動，這一階段往往造成極大的危害。最后是逐漸穩(wěn)定階段，這一階段中，疏松的滑體逐漸壓密，滑體上的草木逐漸生長，地下水滲出由渾變清。具有水平地面的半無限土體，無論其水平向是否加筋，都可認(rèn)為是處于靜止?fàn)顟B(tài)。由于側(cè)向變形為零，側(cè)向壓力等于，是主應(yīng)力并等于垂向應(yīng)力。當(dāng)直立面開挖l臨空后，如果沒有加筋，土體中側(cè)向應(yīng)力將發(fā)生巨大改變。為了阻止這種改變，必須沿開挖面施加水平方向的靜水壓力。圖1 靜止?fàn)顟B(tài)和加筋后土體應(yīng)

14、力狀態(tài)如果土體進(jìn)行了水平向加筋，那么因開挖所除去的水平向靜水壓力，現(xiàn)在則重新已經(jīng)被傳遞到筋條中的拉力所補(bǔ)上。然而，要使筋條中產(chǎn)生拉力，唯一的辦法是將筋條與土體黏結(jié)起來，并且沿筋條上下表面以及土體中有水平向的剪應(yīng)力存在。很明顯，土體受到了一組水平剪應(yīng)力。因此，由于加筋，側(cè)向應(yīng)變沿垂向不再改變，但土體將不再處于靜水壓力狀態(tài)，即，。如果因筋條表面剪應(yīng)力足夠大，破壞狀態(tài)仍能達(dá)到。圖2 水平剪應(yīng)力效應(yīng)4結(jié)論邊坡工程是一個(gè)復(fù)雜的工程。即使是土質(zhì)邊坡，土層也不是單一的，往往具有多層性，并且層層之間存在著軟弱層，如淤泥層等。這就決定了邊坡工程的分析不能僅僅依靠單一的分析方法，必須采取綜合的分析方法，因此并不能判斷哪一種方法優(yōu)，哪一種方法劣，它們各有優(yōu)缺