岩质高边坡稳定性分析与评价

岩质高边坡稳定性分析与评价

1关于边坡稳定性的宏观分析与评价岩质边坡稳定分析与评价，是古代交通和铁路工程中经常出现的问题。李宁和张鹏在对前人的研究成果与工程经验总结的基础上,对岩质边坡最危险滑动面的确定思路与方法等5个主要问题进行了讨论与分析。对于工程设计人员而言,对边坡稳定性的判断及最终所采取的工程整治措施合理与否,主要取决于以下3个方面:(1)边坡潜在滑动面上力学参数的可靠性;(2)计算的安全系数与实际情况的接近程度;(3)整体加固力设计的合理性。潜在滑动面上力学参数主要由地质人员确定。尽管有多种方法确定参数,如室内和现场试验法、经验公式法、神经网络等智能方法,但由于现有勘探水平的局限,即使进行较为细致的地质工作,由于岩质高边坡的地形特点及复杂的组成,能相对准确地确定出潜在滑动面已属不易,准确地确定能够真实反映潜在滑动面实际力学特性的参数值则更加困难。同时,由于确定方法自身的局限,地质工程师在取舍参数时也犹豫再三,最终的结果往往是从安全的角度出发,选取的参数过于保守。对边坡的稳定性进行宏观评价,当前仍是以经验方法为主,将不论怎样复杂的分析计算成果归结为一个安全系数,再按规范将该安全系数与规范给出的标准作比较。这是一个令研究人员、设计人员无奈的、粗糙的、落后的、不得已的评价方法。笔者在2004~2005年完成的马来西亚巴贡水电站厂房边坡的稳定性分析与评价中,早已不用单纯的安全系数,而是对坡体的应力场、变形场特征及变形趋势进行分析。如何评价复杂的、大型有限元方法对边坡的分析结果是目前尚在探索的研究课题。潘家铮在20世纪80年代就从宏观角度提出过滑动面的最小值原理与抗滑力最大值原理:滑坡失稳时将沿抵抗力最小的一个滑面滑动破坏(最小值原理);滑面确定后,则滑面上的反力能够自行调整以发挥最大的抗滑力(最大值原理)。陈祖煜等在此基础上,经多年研究,从塑性理论角度严谨推导出了土坡滑动问题的极限上、下限解,为边坡稳定性分析宏观评价提供了新思路与新视角。此外,崔政权等[5~13]在这一领域也进行了诸多探索。针对近年来笔者承担的锦屏、龙滩、拉西瓦、三峡船闸和紫坪铺等水电工程大型岩体边坡稳定性分析与评价研究工作中所遇到的问题,从设计人员最关心的稳定性分析结果的评价入手,对决定边坡稳定性的潜在滑动面强度参数的合理确定、边坡加固力的宏观判断及边坡稳定性数值分析结果的合理性与安全性等3个方面进行探讨,通过对以上水电工程岩质边坡的分析研究成果以及李宁等[1~19]研究的分析讨论,总结出几点体会。2边坡潜在滑动面强度参数的确定当前,工程设计人员已经普遍接受了反分析方法,本文将其总结为最小参数准则:对于一个长期稳定的边坡,在其所经历的荷载工况下,其潜在滑动面上的最低强度参数不应使它的安全系数小于1.0。这个准则已得到较广泛的认可,有一定的合理性与实际应用性。但是对于复杂的岩质高边坡,其潜在滑动面上的强度参数选取过于复杂,地质人员往往从安全的角度出发,过于保守地选取强度参数,使边坡在经受降雨或地震时,往往认为需要大量的加固措施。笔者认为,如果该边坡经历了降雨、地震等工况仍处于稳定状态,那么对于设计的使用期限通常在一百年的边坡来说,也应该根据未开挖边坡在地震、降雨等荷载下,其安全系数不小于1.0为条件进行反演,确定边坡的最低强度参数。这样确定出的参数值才能有效地剔除设计参数偏低致使分析结果过于保守的偏差,从而反映坡体的实际情况,给工程设计人员提供合理有效的潜在滑动面力学参数的下限值。图1为猴子岩右岸坝肩边坡计算剖面和潜在滑动面示意图。表1为在原设计参数下天然边坡的安全系数。由表1可知,采用二维有限元模型进行边坡安全系数计算,在原设计参数下,天然状态边坡不能自稳,这说明所提供的潜在滑动面强度参数过于保守。按天然状态边坡安全系数为1.05,地震工况边坡安全系数为1.0分别反演各滑面的最小强度参数,结果如表2所示。潜在滑动面强度参数相应得到提高,采用该参数可大大节省加固工程量。同时,该参数的反演是建立在边坡长期宏观稳定的实践基础上的,潜在滑动面强度参数的可靠性是有保障的。因此,使得加固方案达到了合理有效且更加经济的要求。3最大加固力在开挖面的垂直分力在边坡加固设计中,往往由于前期地质工作不充分,过分依赖于锚索或抗滑桩等加固措施,使设计的加固量常常偏大,缺少加固量的宏观判断依据。加固量的合理确定,是一个非常复杂的、高度非线性的问题,很难直接计算得到。但不妨换个角度思考:假设边坡未开挖之前是稳定的(或处于临界稳定状态),则开挖后,坡体的法向压力减小,使抗滑能力减小,加固力最多恢复至开挖前的法向力,故可认为,边坡开挖后,其最大加固力在开挖面的法向分量不应超过被挖掉的岩体质量在开挖表面的法向分量。该准则只能用于一般情况。图2为某边坡开挖体和加固锚索在滑动面上的垂直分力。表3为某边坡原加固设计安全系数表。表4为不同锚索加固量滑面垂直分量及安全系数对比表。由图2可知,锚索沿滑面垂直分力远大于开挖体在滑面上的垂直分力,边坡安全系数达到4.7,远大于原自然边坡,说明边坡的加固方案太过保守。当开挖体在滑面上的垂直分力与锚索在滑面垂直分力相近时,边坡的安全系数为2.7,依然相差较大。当锚索在滑面的垂直分力约为开挖体在滑面上的垂直分力的1/3时,边坡的安全系数基本接近天然状态下的边坡安全系数。综上所述,可以将最大加固力准则表述为:对于一个处于稳定状态的边坡,边坡开挖后,其最大加固力在开挖面法向上的分量不应超过被挖掉的岩体质量在开挖面上的法向分量。应该注意的是,在使用这个判据时,如果不太稳定的边坡开挖后长时间得不到支护与加固,则较大的潜在滑动面上可能出现较多的塑性应力调整,使滑面上已调整的岩体部分的峰值强度降为残余强度,则可能使所需加固力远大于原挖掉的岩体质量。所以本准则具体应用条件为:(1)边坡在开挖后及时支护;(2)边坡采用加固形式应为主动加固,例如预应力锚索等,且加固区位于滑动面中部;(3)滑坡类型为推移式滑坡。4滑动面的潜在滑面应力释放限制对已选定的滑动面,实际边坡的破坏是一个渐进的自组织调整过程,潜在滑面上超限的拉、剪应力充分转移释放使滑面达到峰值强度,从而使得滑面抗滑力充分发挥。而在有限元模拟分析过程中,由于单元网格总有一定的尺寸,且对超限应力的非线性迭代逼近总有循环次数的限制,故潜在滑动面最终由有一定尺寸的单元网格的节点来模拟其超限应力的有限次数的转移与释放,滑面上的应力难以自行充分调整,从而发挥其最大的抗滑能力,也就是说,有限元法(包括强度折减法)很难模拟出实际坡面的峰值抗滑能力。基于此,提出的滑面滑动的安全系数下限准则可表述为:对于已选定的滑动面,其潜在滑面上超限的拉、剪应力的转移释放所达到的滑面强度总是小于该滑面上实际的最大抗滑能力,从而使计算所得的安全系数总是小于该滑面实际的安全系数。图3为边坡破坏时潜在滑动面上的应力转移示意图。其中,第一单元的超限拉、剪应力为通过节点荷载增量为在相邻单元产生转移来的应力增量Δσi+1为其中,被释放单元的新一轮应力为式(1)~(4)中:σi为第i次非线性循环应力,[σi]为单元抗拉或抗压强度,Δσi为第i次应力增量,A为单元面积,Δui为第i次的位移,[B]T为超限单元的几何矩阵,[K]为刚度矩阵,[S]为应力矩阵。经过N次迭代后,超限的拉、剪应力永远不可能完全转移释放掉,故单元的真实抗力不可能被全部模拟出。本准则也是对潘家铮的最大抵抗力原理在有限元法等数值分析结果评价中的诠释。5第三,基于“最小不可抗力原理”的边坡稳定分析在当前应用有限元法分析岩质边坡稳定性的问题中,最关键的是如何较准确选取潜在滑动面的位置,岩质边坡不像均匀的土质边坡,其潜在滑动面可以发生在任何部位,有限元法也不能如同极限平衡法那样可以自动寻找所有可能的滑动面,进而选出安全系数最小的那个滑动面。岩质滑坡体若由单个滑面组成,所选定模型刚好选准该滑面,则所选择的滑面的抗滑能力等于实际滑体的抗滑能力;当滑坡体有多个滑面组成,滑体失稳时它将沿抵抗力最小的一个滑面滑动。对于这种情况,边坡分析人员所选择的有限滑动面的破坏很难准确地描述实际的潜在滑面,很可能会遗漏部分滑面而选择较好的岩体为破坏界面。由最小抵抗力原理可知,滑坡失稳时将沿其抗滑力最小的滑动面破坏,因此,人为选择的潜在破坏面的抗滑能力永远大于或等于实际滑体的抗滑能力。图4为铜湾右岸4#山头边坡楔形体滑移图,图中为开挖完成后的坡体,人为选择的滑坡体的滑面不是实际的滑坡面,由于人为破坏面抗滑力高于实际破坏面的抗滑力,滑体没能沿人为滑面破坏,而是沿低于人为破坏面的地方破坏。图5为猴子岩水电站右岸坝址工程地质剖面图,由于存在多个滑面,很难准确地确定出实际滑体边界,人为选择的有限元组合滑动面的抗滑力总是大于实际滑体的抗滑能力。综上所述,根据“最小抵抗力原理”可得出其在边坡稳定分析评价中的推论:设计分析所选择的破坏面的实际抗滑能力大于或等于实际滑体的抗滑能力。该推论等价于下述推论:各种设计分析所选择的边坡的安全系数(包括有限元法在潜在滑动面上的拉剪、应力充分释放转移后所得的安全系数)大于或等于实际边坡的安全系数。本文将这一现象称为“潜在滑动面选取的上限准则”。6残余强度的测量在利用潜在滑动面最小参数取值准则进行反演确定滑面强度参数时,反演分析方法应与稳定性分析方法相一致、相协调,即对未开挖边坡应用极限平衡法、传统有限元法或有限元强度折减法等不同方法反演得出的强度参数,在后续边坡开挖分析中,也应用相同分析方法。对于主动加固力上限准则,如果不太稳定的边坡开挖后长时间得不到支护与加固,则潜在滑动面上可能出现较多的塑性应力调整,使滑面上已调整的岩体部分的峰值强度降为残余强度,则可能使所需加固力远大于挖掉的岩体质量。应用时应该注意这种现象。其具体的应用条件为:(1)边坡在开挖前是稳定的;(2)开挖后潜在滑坡类型为推移式滑坡;(3)边坡采用的加固形式应为主动式加固,例如预应力锚索等,且加固区位于滑动面中部。应用上下限准则进行边坡稳定性评判时,若坡体地质条件简单,块体组合明显,最危险滑面的选取接近实际情况,则上限准则影响较小,稳定性评价基于下限准则,数值计算结果可能偏于安全;当岩体破碎,地质条件复杂时,难以确定最危险滑面,则上限准则的影响更为显著。因此,计算的安全系数有可能偏于危险。进一步对上、下限准则进行有限元分析结果的评价与推论:(1)一般情况下,前期地质工作越粗糙,潜在滑动面的确定越不准,则分析的安全系数一般较实际偏