岩质边坡工程设计与施工优化方案

(1)水利工程中的岩质边坡。水利水电工程中边坡的开挖与水库水位的升降都可能导致边坡的失稳。我国已建和在建的大型水利水电工程如三峡、二滩、李家峡、五强溪、隔河岩、小湾、天生桥二级河龙滩等涉及的天然边坡高达400～1000m,工程边坡高达200～400m,垂直开挖坡高近100m。漫湾水电站、龙羊峡水电站、天生桥二级水电站、隔河岩水电站等都发生过规模较大的边坡失稳,造成很大损失。龙滩水电站进口倾倒蠕变体约1300万m3 需加固治理。在三峡库区,蓄水以后可对库区人民生命财产造成较大危害的有1168处崩滑体,需要避让或处理;有744处崩滑体目前较稳定,需监测预警;有578处相对稳定暂不处理。

(2)岩质边坡稳定性研究

1)边坡稳定性分类。在中国水利水电科学院的组织下,有关设计院配合,对于全国117个水利水电工程中的典型滑坡和变形边坡进行了调查,总结了边坡失稳在各类岩体结构中所占的比例:其中块体结构占14.08%,层状同向结构占19.72%,层状反向结构占15.49%,层状斜向结构占14.08%,碎裂和散体结构占36.63%。在七种失稳类型中,崩塌占7.04%,滑动占73.24%,倾倒占5.63%,溃屈占2.82%,拉裂占4.23%,复合占7.04%。调查表明,引起变形和失稳的因素十分复杂。巨型和大中型滑坡主要以各种水的作用为主;中小型楔体滑动、拉裂及大型崩塌则以人类工程活动为主。

陈祖煜等人利用调查登录的资料对于RMR—SMR 分类系统进行了补充修正,计入了坡高及结构面条件对边坡稳定的影响。经理论分析和工程验证,提出了CSMR(Chinese System for SMR)分类体系。根据这一分类体系,边坡按其稳定性被分为五类:Ⅰ类稳定,81～100分;Ⅱ类稳定,61～80分;Ⅲ类局部稳定41～60分;Ⅳ类不稳定21～40分;Ⅴ类很不稳定,0～20分。

2)影响边坡失稳的因素。影响边坡失稳的因素主要有:地形切割、岩性、构造、水和边坡开挖的综合作用。经验表明,谷坡强风化带、强卸载带、甚至弱风化带的上部经常是边坡失稳的底界,这些部位的岩体结构完整性差,结构面大部分松弛、泥化或充填次生夹泥,在爆破开挖,施工用水或者降雨情况,极易失稳,地下水产生的渗透力对于边坡影响极大。因此施工期降低地下水位,控制爆破的药量,注意边坡自上而下边开挖,边支护加固,边监测变形,是防止失稳的有效措施。

3)边坡的稳定性研究及稳定性分析。水利水电工程中的边坡研究内容可以归纳为监测、理论分析、数值计算和模拟试验几种。

a.监测方面:用红外线进行大范围的普查;用综合探井、CT 层析成像、定向取芯和平硐探测结构面或滑动面;进行地应力的测试,了解高陡谷坡的压力场;进行边坡表面、深部变形和地下水的监测;用测线法、统计法对节理类型进行调查统计,用蒙特卡罗法模拟岩体节理网络,确定岩体节理密度与连通率。

b.理论与数值分析方面:用地质力学模型研究边坡破坏机制,用评价不同破坏机制的地质模式,评价边坡演变阶段和发展趋势;用组合梁板理论研究倾倒蠕变的机理;使用分块推力法与萨尔玛法、极限平衡理论和块体理论进行稳定计算;用数值计算模拟分析边坡应力变形。在边坡稳定分析方面,可以根据岩体的整体性和结构特点进行不同的稳定分析。对于全风化岩体及碎散、破裂结构岩体,可以与土质边坡一样采用自动搜索方法确定滑裂面及安全系数;对于Ⅳ、Ⅴ级结构面发育的岩质边坡,根据节理与裂隙统计资料,结合地质分析确定或者基本确定滑动面的位置;对于层状结构和已知控制性的不利结构面的组合块,按实际块体验算其稳定性。在各种稳定分析中,以极限平衡理论和方法为基础,极限平衡的计算方法有下限解法和上限解法。下限解包括:适用于圆弧滑动面的瑞典圆弧法和简化毕肖甫法;适用于任意滑动面的简布法和摩根斯坦-普赖斯法;传递系数法等。上限解有:萨尔玛法、潘家铮极限分块平衡法、能量法(ENU)。对于可能发生三维楔体破坏的岩质边坡,采用楔形体分析计算。与稳定分析一起,通常也配合进行应力变形的数值计算。

c.模型试验方法:用离心机模拟边坡,研究破坏机理;用涌浪模型试验研究滑速与涌浪高度相关关系。

(3)岩体的力学参数选取。岩体的物理力学参数的选取直接关系到水工建筑物的安危和工程量的大小。由于岩体的破坏主要是剪切破坏,其抗剪强度指标是关键的参数。与土的强度指标不同,岩体的强度指标无法用室内试验直接测取。一般岩体的原位强度指标必须从地质岩性、岩块试验、表面的特征来合理估算。Hoek 和Brown对此进行了广泛地研究,他们使用理论分析、模型试验和实测数据,提出节理化岩体的经验破坏准则。设计应用中表明它对于松动的岩体实用性好,对于紧密镶嵌的未扰动岩体则估计的强度偏低。目前我国的水利行业对岩体的力学参数通常采用强度折减法。我国的GB50218—94《工程岩土分级标准》和水利工程边坡设计规范都规定了岩体力学指标的估算方法。目前现行的岩体力学指标估算方法主要有如下几种:(www.xing528.com)

1)工程地质类比法;

2)Hoek-Brown判据;

3)正分析与反分析;

4)试验强度折减法;

5)非均质岩体综合抗剪强度。

岩体中软弱结构面力学参数可以按成因分为原生型、次生充填型和构造综合型,以构造综合型居多。以颗粒组成为主要因素将软弱结构面分为全泥、泥夹岩屑、岩屑夹泥和岩屑岩块四种;对于无充填的刚性结构面可分为未胶结和胶结两种。在现场大型原位抗剪试验的基础上,按此分类国内水利水电工程中的软弱层抗剪强度指标试验值统计如表9-2所示。

表9-2　结构面、软弱层级断层的抗剪强度指标

注　1.表中参数限于硬质岩胶结或无充填的结构面;
2.软质岩中的结构面应进行折减;
3.胶结或无充填的结构面抗剪强度,应根据结构面的粗糙程度选取大值或小值。