边坡工程系统稳定性薄弱部位的预测与控制.pdf

中国矿业大学学报990 6 0 9 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG 2 . 进口边坡; 3. 40 6 夹层； 4. 引水隧洞; 5. 预应力锚索； 6 . 2 0 1泥化夹层; 7 . 出口边坡; 8 . 发电厂房; 9. 自然坡面 显然，由于边坡工程的复杂性及使用要求的差异，加上工程岩体的非均质等特 点，边坡工程不同部位、不同施工时间的稳定性是动态变化的，亦即边坡工程系统的 稳定性存在时间空间上的差异，即边坡工程系统稳定性存在薄弱部位. 一般而言，边坡 工程系统失稳与否往往主要取决于其薄弱部位 工程地质上称之为“突破口” ［1］ 的稳定状况，若这些薄弱部位失稳，便有可能引起连锁反应，甚至导致整个工程系统 的失稳. 因此，通过各种分析预测方法预先确定边坡工程系统的薄弱部位，据此在施工 中优先进行监测，并在监测信息基础上进行合理加固控制，则有可能成功地控制薄弱 部位的失稳，进而控制整个边坡工程系统的稳定性，获得事半功倍的效果，避免盲目 性. 关于岩体稳定性薄弱部位的预测确定及控制方法，实际上已有很多，如工程地质 体控制论、结构面优势理论及工程地质力学综合集成方法［1～3］等. 而随着数值计算技 术、计算机技术、信息监控技术的发展与应用，采用数值模拟、实验室模拟及现场监 测方法来确定边坡工程系统薄弱部位已成为可能. 为此，本文以上述边坡工程系统进、 出口边坡为例，采用块体理论、数值模拟及现场监测等方法分析预测了该边坡工程系 统的薄弱部位及控制措施. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 9. h t m （第 2 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 49 中国矿业大学学报990 6 0 9 2 进口边坡稳定性薄弱部位的块体理论预测与监控 2 . 1 块体理论简介［4］ 在坚硬或半坚硬岩层中，岩体被结构面切割成各种类型的块体. 在自然状态下，这 些空间块体处于静力平衡状态. 当进行边坡开挖，或对岩体施加新的荷载后，使暴露在 临空面上的某些块体失去原始静力平衡状态，某些块体首先沿结构面滑移、失稳，进 而产生连锁反应，造成整个岩体工程破坏. 一般称这种首先失稳的块体为“关键块体”. 关键块体失稳与否的判据是在工程作用力及重力作用下，由于滑动面上的抗剪强度不 足以抵抗滑动力，若不施加工程锚固措施必将失稳的块体. 在关键块体不失稳的条件下 才能保持稳定的块体，称为“可移块体”. 若关键块体失稳，可移块体也可能失稳，甚 至变为关键块体. 因此, 由岩体结构组合而形成的块体是边坡工程稳定性的薄弱部位之 一. 块体理论的基本方法就是首先通过几何分析，找出岩体工程中由结构面及临空面 所形成的块体，排除其中的无限块体及不可动块体，再通过运动学分析，找出在工程 作用力及重力作用下的可动块体. 然后，根据滑面的物理力学性质，确定工程开挖面上 的所有关键块体, 并计算出其稳定性及使其稳定所需的锚固力，用于指导工程加固. 目 前，块体理论的具体分析方法有赤平投影法、矢量运算法及解析计算法［4］. 2 . 2 进口边坡块体系统分布规律 该进口边坡岩体中结构面多且复杂，其中以近SN和NEE发育的节理、裂隙是优势 结构面. 控制边坡岩体的结构面有4组, 主要为Ⅳ级结构面的节理裂隙和Ⅲ级结构面的断 层层理或大节理面. 边坡中的临空面以水平和垂直面为主，在分析时，为使结果更接近 实际情况，临空面不取边坡面，而以洞脸垂直面和16 0 m 高程上部边坡面组合作为临 空面. 引水洞开挖影响边坡稳定，因隧洞断面为圆形，故采用逼近平面将其圆形临空面 逼近为一水平面和正交于边坡的垂直切割面. 由块体理论确定的边坡中的可动块体有5个，隧洞进口的可动块体有6 个，隧洞洞 柱的可动块体有8 个. 对以上19个可动块体进行稳定性分析，其关键块体为U 1U2L3L4， U 1L2L3L4，L1U2L3L4，L1L2U3L4，L1L2U3U4，L1U2L3U4；潜在关键块体为L1L2L3U4， U 1L2U3L4，U1U2L3U4. 由以上确定的边坡关键块体，可确定出边坡开挖后的块体系统分布，见图2 . 其中 A ，B对应于U 1U2L3L4，U1L2L3L4；C为在4引水洞洞口临空面上的L1U2L3L4；D 为在2 引水洞洞口临空面上的L1L2L3U 4（潜在关键块体）；E为可动块体，只有在A 或D 移动 后才可能移动，对应于U 1L2L3L4. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 9. h t m （第 3／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 49 中国矿业大学学报990 6 0 9 图2 进口边坡块体系统分布及监测 Fi g . 2 D i s t r i b u t i o n a n d m o n i t o r i n g o f b l o c k b o d y s y s t e m i n i n l e t s l o p e 2 . 3 边坡块体系统稳定性监测与控制 由于关键块体 K B 的移动 图3 ，会形成新的自由面，导致其它块体成为新的关键 块体，引起边坡滑动或破坏. 因此，关键块体的变形反映了边坡的移动和稳定变化特 征，只要掌握了这些块体的位移情况，也就监测到了边坡的稳定情况. 进口边坡为块状 结构，由块体系统稳定性分析知，该边坡中存在关键块体及可动块体 JB ，且边坡岩体 变形以块体移动为特点，故块体监测是该边坡位移监测的主要手段. 而结构面上下盘岩 体的相对滑动代表块体的滑动，因而结构面的开合及块体的相对移动是位移监测的主 要目标. 据此将块体A ，B，C，D 作为主要监测对象，在具体监测过程中，当引水隧洞未 开挖时，对边坡的位移监测以块体A ，B为主，块体E为辅，此时用垂直多点位移计 D V1，D V2 ，D V4来监测；而在引水隧洞开挖及开挖后，块体C，D 为主要监测对象， 由D V4，D V2 来监测. 水平位移计D H 3，D H 4不仅观测块体的移动，同时也监测岩体沿 层理面的滑移. 图3 块体监测目标 Fi g . 3 M o n i t o r i n g o b j e c t o f b l o c k b o d i e s 图4是D V4埋深3, 11 m 测点的位移-时间曲线，其中11 m 测点在块体B内，3 m f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 9. h t m （第 4／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 49 中国矿业大学学报990 6 0 9 测点在块体B外. 由图4可见，3 m 测点岩体位移变化很小，处于稳定状态；11 m 处岩 体位移随时间呈上升趋势，这主要是开挖临空面改变了块体的稳定性，使块体B产生沿 滑面的变形趋势. 图4 块体B垂直位移-时间曲线 Fi g . 4 Ve r t i c a l d i s p l a c e m e n t -t i m e c u r v e o f b l o c k B 为防止块体滑移，在边坡临空面形成后对块体A ，B及时进行锚固是十分必要的. 为 此，在边坡开挖后及时进行了锚杆支护，锚杆长度、锚固方向及锚固力通过块体A ，B 的稳定性分析确定. 而为防止块体C，D 在2 ，4隧洞开挖时失稳，在2，4隧洞出洞前 进行了超前 管缝式 锚杆支护，并先进行导洞开挖，从而控制了块体C，D 的稳定性. 现 场锚固及锚固后的块体位移逐步稳定验证了上述分析的正确性. 针对边坡存在顺坡向的40 6 泥化夹层，为控制整个边坡沿该夹层的剪切滑移，分别 在159和145 m 高程沿40 6 泥化夹层走向设置2 条阻滑键. 即首先沿该夹层走向开挖2 条4～ 6 m 2的置换廊道，将夹层及上下一定范围内的影响带岩体采用光面爆破方法挖除，然 后用钢筋混凝土进行回填、灌浆，并用锚杆将置换体与周围岩体锚固连接. 据对置换效 果的实际监测［5］，阻滑键起到了阻滑的效果，有效地控制了可能的剪切滑移. 3 数值模拟确定边坡稳定性薄弱部位 由于数值模拟能计算天然及不同工程条件下边坡岩体中的应力、位移和塑性区分 布，可以预先了解边坡工程中应力场、位移场及破坏区的变化规律，特别是应力集中 部位、变形显著部位乃至首先破坏部位. 因此，数值模拟可以预先确定边坡工程系统的 变形显著部位、应力集中部位等. 为此针对出口边坡“上硬下软”的特点，采用弹塑性 有限元方法分析了出口边坡的塑性区及位移分布 图5，6 . f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 9. h t m （第 5／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 49 中国矿业大学学报990 6 0 9 图5 出口边坡塑性区分布 Fi g . 5 Yi e l d z o n e i n e x i t s l o p e 图6 出口边坡典型位移分布曲线 Fi g . 6 T y p i c a l d i s p l a c e m e n t c u r v e o f e x i t s l o p e 从图5知，该边坡主要在页岩附近形成较大的剪损区，且2 0 1夹层错动值较大，而 在灰岩段只有局部拉破损. 从计算的边坡坡面位移分布 图6 中横坐标的点号从小到大对 应边坡上部灰岩到下部页岩，10 号点为灰岩与页岩交界部位；水平位移向外为正，垂 直位移向上为正 看，灰岩段向外、向下移动，而页岩段向里、向上移动，故在灰岩与 页岩的交界处存在明显的增大与“转向”现象. 另外，应力分布也存在集中与“转 向”现象. 故数值模拟确定的薄弱部位主要是边坡坡顶、坡脚及灰岩与页岩交界部位， 其中灰岩与页岩交界部位是边坡工程系统的最薄弱部位之一. 从开挖动态看，开挖到基 坑 边坡时稳定性系数最低，故有可能出现不稳的薄弱部位，应事先跟踪监测，以便据 此采取有效的控制措施. 对这些薄弱部位的处理与控制，基于边坡坡顶灰岩上部存在拉应力区，结合自然 边坡存在卸荷拉裂隙的特点，采用40 ～50 m 的预应力锚索进行锚固（图1）；而对灰- 页岩交界部位，为改变应力的不利分布，并使应力集中向边坡下部页岩深处转移，结 合引水隧洞的开挖安全，对该部位的2 0 1夹层及上下一定范围内的软弱页岩进行了混凝 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 9. h t m （第 6 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 49 中国矿业大学学报990 6 0 9 土置换处理. 从监测情况看，置换后边坡灰-页岩交界处的破损区减小，应力集中向下部 深处页岩转移，从而改善了边坡薄弱部位的应力分布. 有限元计算结合极限平衡分析法 得出整个边坡的稳定性安全系数从置换前的1. 56 增大到1. 90 ［6 ］，说明置换效果是明显 的. 开挖最下部的基坑 边坡时，基于数值模拟的预测结果，事先在边坡内布设了变形监 测点，以便根据监测信息指导边坡的快速开挖或加固. 4 根据监测信息确定边坡薄弱部位 以上确定薄弱部位的方法一般是在工程开始前进行的，可用于工程加固设计. 由于 边坡工程系统开挖的复杂性及岩体性质本身的不确定性，其实际情况如何，需得到工 程实践的检验. 因此，基于预测基础上的现场监测及监测信息的反馈，对保证边坡工程 的安全及优化施工设计有重要意义. 而据监控信息确定其显著变形部位及时间（相当于 薄弱部位），则能够及时调整施工或加固方案，控制这些部位，进而确保整个边坡工 程系统的总体稳定性. 从对出口边坡的监测看，由边坡变形随时间空间 开挖 的动态变 化规律分析，由开挖影响程度确定的变形最显著部位是2 0 1夹层置换开挖及其后的引水 洞、钢管槽的开挖，为此在施工中合理调整开挖顺序及强度，使开挖影响控制在合理 的范围内，即先置换2 0 1夹层，然后进行边坡及隧洞开挖. 对基坑 边坡集水井段，开挖过 程中在7 8 m 高程上出现了拉裂缝，监测信息表明，若按原施工方案，将引起该边坡 失稳，进而危及上部边坡系统的稳定. 据此，采取了在边坡失稳前提前进行混凝土施工 的方法，控制了该危险边坡的大滑［7 ］. 5 结 论 1） 边坡工程系统的稳定性主要取决于其相对薄弱部位的稳定状态及发展趋势. 2 ） 针对不同的工程条件和影响因素，可采取不同的方法确定边坡工程系统在不 同状态下的稳定性薄弱部位. 3） 基于边坡工程系统稳定性薄弱部位预测，可及时对其进行实时控制，达事半 功倍之效果. 国家自然科学基金资助项目（498 0 2 0 2 6 ） 作者单位王在泉 中国矿业大学建筑工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 作者简介王在泉, 男, 196 4年生, 工学博士，副教授 参考文献 1 梁炯，黄鼎成. 工程地质体控制论. 岩石力学与工程学报, 1992 ，11（2 ）117 ～ 12 9 2 罗国煜，王培清，陈华生. 岩坡优势面理论与方法. 北京 地质出版社，1992 . 34～42 3 杨志法，王思敬. 工程地质学一个新的研究方向. 地质灾害与环境保护, 1996 , 7 1 1 ～6 4 刘锦华，吕祖衍. 块体理论在工程岩体稳定分析中的应用. 北京 水利水电出版 社, 198 8 . 1～10 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 9. h t m （第 7 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 49 中国矿业大学学报990 6 0 9 5 王在泉. 边坡工程系统阻滑键阻滑效果监测与稳定性分析. 煤炭学报, 1999, 2 4 3 2 94 ～ 2 98 6 王在泉, 赵祖文. 高边坡稳定性及软弱夹层置换效果数值模拟. 见 朱向荣主编. 岩土 力学与工程的理论与实践. 杭州 浙江大学出版社, 1992 . 194～197 7 王在泉. 边坡动态稳定性预测预报及工程应用研究. 岩石力学与工程学报, 1997 , 17 2 117 ～12 2 收稿日期1999-0 5-2 5 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 9. h t m （第 8 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 49