水發(fā)電洞進(jìn)口及出口高邊坡穩(wěn)定施工計(jì)算

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　　一、進(jìn)口邊坡的穩(wěn)定分析計(jì)算

　　進(jìn)口邊坡為斜向結(jié)構(gòu)，一、二期開(kāi)挖底線均在強(qiáng)松動(dòng)巖體下限以上，主要破壞形式為圓弧面滑動(dòng)，故只需按圓弧破壞面尋找最危險(xiǎn)滑弧，并求出穩(wěn)定系數(shù)。對(duì)三期及四期開(kāi)挖，除可能在強(qiáng)松動(dòng)巖體內(nèi)發(fā)生圓弧面滑動(dòng)破壞外，邊坡還可能沿層面、層間擠壓帶或裂隙面發(fā)生平面滑動(dòng)破壞，計(jì)算時(shí)先按圓弧面滑動(dòng)破壞在三期和四期的開(kāi)挖范圍內(nèi)找出最危險(xiǎn)滑弧，并結(jié)合實(shí)際裂隙面的位置，確定出三期、四期開(kāi)挖的直線和折線滑動(dòng)破壞面，再對(duì)同一滑面取不同的強(qiáng)度參數(shù)（層面參數(shù)和巖體參數(shù)）分別計(jì)算出相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)。

　　1、計(jì)算方法

　　對(duì)圓弧滑動(dòng)面，穩(wěn)定計(jì)算采用瑞典條分法，設(shè)計(jì)安全系數(shù)取K=1.2。

　　瑞典條分法法的基本假定是：

　?。?）剪切面是個(gè)圓弧，所以安全系數(shù)K可根據(jù)繞圓心的抵抗力矩與滑動(dòng)力矩的比來(lái)確定；

　?。?）計(jì)算中不考慮分條之間的相互作用力，所以每個(gè)分條底部的反力可以直接由該分條上的荷載算出。

　　對(duì)直線或折線滑動(dòng)面，穩(wěn)定計(jì)算采用傳遞系數(shù)法，并用Sarma法進(jìn)行較核，設(shè)計(jì)安全系數(shù)根據(jù)不同的計(jì)算工況取不同的值。

　　傳遞系數(shù)法是極限平衡條分法中的一種，也叫剩余推力法，其基本假設(shè)為條塊間的相互作用力的方向平行于上一條塊的底滑面，各條塊的剩余下滑力計(jì)算公式如下：

　　Fi=（Wisinαi+Qicosαi）-（cili/k+（Wicosαi-Ui-Qisinαi）fi/k）+Fi-1.ψi-1

　　式中：ψi-1=cos（αi-1-αi）-fisin（αi-1-αi）/k

　　上式中第一項(xiàng)表示本條的下滑力，第二項(xiàng)表示本條的抗滑力，第三項(xiàng)表示上一條塊傳下來(lái)的不平衡下滑力，ψi-1稱為傳遞系數(shù)，k為安全系數(shù)。

　　2、計(jì)算參數(shù)取值

　　邊坡的滑動(dòng)破壞形式可分為沿層面或裂隙面的破壞和在巖體內(nèi)的破壞，前者計(jì)算時(shí)，滑動(dòng)面按層面參數(shù)計(jì)算，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表1.后者滑動(dòng)面按巖體參數(shù)計(jì)算，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表2.

　　表1層面或裂隙面的強(qiáng)度參數(shù)

　　巖體類別　　C（kN/m2）　　水上f　　　　水上C（kN/m2）　　水下f　　水下容重（kN/m3）

　　強(qiáng)松動(dòng)巖體　　0　　　　　 0.45　　　　　　　0　　　　　　 0.36　　　  26.6

　　輕微松動(dòng)巖體　50　　　　　0.55　　　　　　  50　　　　　  0.456　　　 26.6

　　未松動(dòng)巖體　　50　　　　　0.7　　　　　　　 50　　　　　  0.581　　　 26.6

　　表2巖體的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)

　　巖體類別C（kN/m2）　　　水上f　　　　水上C（kN/m2）　　水下f　　水下容重（kN/m3）

　　強(qiáng)松動(dòng)巖體　　　50　　　　 0.5　　　　　　  40　　　　　0.4　　　　 26.6

　　輕微松動(dòng)巖體　　200　　　　0.55　　　　　　 160　　　　　0.44　　　  26.6

　　未松動(dòng)巖體　　　400　　　　0.7　　　　　　　320　　　　　0.56　　    26.6

　　3、不同工程階段的計(jì)算工況及荷載組合

　　進(jìn)口邊坡的開(kāi)挖分為一期、二期、三期、四期，四期以后為水庫(kù)的運(yùn)行期，根據(jù)現(xiàn)狀及水庫(kù)蓄水后的運(yùn)行特點(diǎn)，穩(wěn)定分析包括現(xiàn)狀天然條件，不同庫(kù)水位，考慮地震力時(shí)的不同庫(kù)水位及水庫(kù)水位變化（滲透壓力）等不同工況。其中運(yùn)行期不同庫(kù)水位考慮了正常蓄水位1380及蓄水位1340兩個(gè)特征水位，水庫(kù)水位變化主要是考慮由正常蓄水位1380降至1360的情況。各計(jì)算工況及荷載組合條件下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)相關(guān)表規(guī)定。下面是需要查找的數(shù)據(jù)。

　　工程階段工況破壞形式參數(shù)取值計(jì)算方法穩(wěn)定系數(shù)設(shè)計(jì)安全系數(shù)剩余下滑力（T/M）

　　施工期一期開(kāi)挖圓弧滑動(dòng)巖體參數(shù)瑞典條分法1.1221.2

　　二期開(kāi)挖圓弧滑動(dòng)巖體參數(shù)瑞典條分法0.9911.2

　　三期開(kāi)挖天然狀態(tài)圓弧滑動(dòng)巖體參數(shù)瑞典條分法1.1481.2

　　三期開(kāi)挖天然狀態(tài)直線滑動(dòng)巖體參數(shù)傳遞系數(shù)

　　三期開(kāi)挖天然狀態(tài)折線滑動(dòng)層面參數(shù)傳遞系數(shù)0.87841.22056

　　巖體參數(shù)1.18651.286.2

　　三期開(kāi)挖自重+地下水層面參數(shù)0.86651.32129

　　巖體參數(shù)1.16081.3250.6

　　四期開(kāi)挖天然狀態(tài)直線滑動(dòng)層面參數(shù)傳遞系數(shù)0.78491.23568

　　直線滑動(dòng)層面參數(shù)sarma法0.78911.2

　　四期開(kāi)挖天然狀態(tài)折線滑動(dòng)層面參數(shù)傳遞系數(shù)0.91281.23165.3

　　巖體參數(shù)1.17781.2245.6

　　四期開(kāi)挖自重+地下水層面參數(shù)0.79561.35218.6

　　巖體參數(shù)1.0241.32870.8

　　天然工況楔體滑動(dòng)1.3

　　巖體自重+地下水直線滑動(dòng)層面參數(shù)傳遞系數(shù)0.72171.34604

　　直線滑動(dòng)層面參數(shù)sarma法0.72661.3

　　運(yùn)行期正常蓄水位1380直線滑動(dòng)層面參數(shù)傳遞系數(shù)0.74121.34004.9

　　直線滑動(dòng)層面參數(shù)sarma法0.741.3

　　折線滑動(dòng)層面參數(shù)傳遞系數(shù)0.78491.34784.7

　　巖體參數(shù)傳遞系數(shù)1.01551.32660.4

　　蓄水位1380+8度地震直線滑動(dòng)層面參數(shù)傳遞系數(shù)0.46871.16747.5

　　折線滑動(dòng)層面參數(shù)傳遞系數(shù)0.50781.18593.2

　　巖體參數(shù)0.67991.16144.6

　　正常蓄水位1340折線滑動(dòng)層面參數(shù)傳遞系數(shù)0.83361.34714

　　巖體參數(shù)1.06521.32384.4

　　蓄水位1340+8度地震直線滑動(dòng)層面參數(shù)傳遞系數(shù)0.51481.16798

　　折線滑動(dòng)層面參數(shù)0.55951.18348.8

　　巖體參數(shù)0.73491.15669.9

　　1380驟降至1340直線滑動(dòng)層面參數(shù)傳遞系數(shù)0.65431.13931.9

　　折線滑動(dòng)層面參數(shù)0.70681.14415.5

　　巖體參數(shù)0.94341.11776.4

　　　　傳遞系數(shù)三期開(kāi)挖直線滑面及折線滑面的計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)相關(guān)圖，兩種滑面情況下強(qiáng)度參數(shù)取值時(shí)，若為層面參數(shù)，則C、f值分別取表1中的值，若為巖體參數(shù)，則C、f值取表2中的值。四期開(kāi)挖直線滑面及折線滑面、運(yùn)行期各工況情況下的計(jì)算簡(jiǎn)圖。

　　二、出口邊坡的穩(wěn)定分析計(jì)算

　　出口邊坡的計(jì)算方法均采用Sarma法，參數(shù)取值同進(jìn)口邊坡，計(jì)算工況為：

　　1、施工期

　　因一、二期開(kāi)挖均位于強(qiáng)松動(dòng)巖體內(nèi)，破壞形式為圓弧滑動(dòng)，故用瑞典條分法可尋找出圓弧滑動(dòng)的最危險(xiǎn)滑面并求得最小穩(wěn)定系數(shù)。到了三、四期開(kāi)挖，開(kāi)挖底線已進(jìn)入完整巖體，破壞形式可能為沿裂隙面的折線滑動(dòng)破壞，計(jì)算時(shí)先在從坡頂?shù)饺?、四期開(kāi)挖底線范圍內(nèi)用圓弧法尋找出最危險(xiǎn)滑弧，再根據(jù)此滑弧位置并結(jié)合實(shí)際情況，確定出平面折線滑動(dòng)的滑面位置。

　　2、運(yùn)行期

　　運(yùn)行期根據(jù)四期開(kāi)挖確定的折線滑面，只考慮巖體自重+地下水與巖體自重+地下水+8度地震兩種情況。

　　出口邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算成果查找下列數(shù)據(jù)：

　　表4不同工況及荷載組合條件下出口邊坡穩(wěn)定計(jì)算計(jì)算成果

　　工程階段工況破壞形式參數(shù)取值計(jì)算方法穩(wěn)定系數(shù)設(shè)計(jì)安全系數(shù)

　　施工期一期開(kāi)挖圓弧滑動(dòng)巖體參數(shù)瑞典條分法1.2061.2

　　二期開(kāi)挖圓弧滑動(dòng)巖體參數(shù)瑞典條分法0.971.2

　　三期開(kāi)挖圓弧滑動(dòng)巖體參數(shù)瑞典條分法1.7431.2

　　折線滑動(dòng)層面參數(shù)Sarma法1.15161.2

　　折線滑動(dòng)巖體參數(shù)Sarma法

　　四期開(kāi)挖圓弧滑動(dòng)巖體參數(shù)瑞典條分法1.6251.2

　　折線滑動(dòng)層面參數(shù)Sarma法1.23071.2

　　折線滑動(dòng)巖體參數(shù)Sarma法1.74771.2

　　運(yùn)行期巖體自重+地下水折線滑動(dòng)層面參數(shù)Sarma法1.12741.2

　　折線滑動(dòng)巖體參數(shù)Sarma法1.58691.2

　　巖體自重+地下水+8度地震折線滑動(dòng)層面參數(shù)Sarma法0.98231.1

　　4、地震力的計(jì)算

　　地震力的計(jì)算采用以下公式：

　　Qi=KQ×Wi

　　上式中：Wi為分條重量，KQ為水平地震加速度系數(shù)，Qi為分條上的水平地震力。

　　以上計(jì)算結(jié)果，對(duì)8度地震，取KQ=0.2.

　　5、計(jì)算結(jié)果分析

　?。?）對(duì)進(jìn)口邊坡，一、二期開(kāi)挖均采用圓弧滑動(dòng)面、巖體參數(shù)用瑞典條分法計(jì)算，求得的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.122，0.991，都不能滿足設(shè)計(jì)要求的安全系數(shù)K=1.2的要求，所以一、二期開(kāi)挖時(shí)邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

　　三期開(kāi)挖天然狀態(tài)下，圓弧滑動(dòng)面、巖體參數(shù)計(jì)算結(jié)果為1.148.用傳遞系數(shù)法對(duì)折線滑面、巖體參數(shù)與層面參數(shù)的計(jì)算結(jié)果分別為1.1865、0.8784，若要滿足K=1.2的要求，則兩種參數(shù)下的剩余下滑力分別為86.2T/M和2056T/M.三期開(kāi)挖取層面參數(shù)計(jì)算時(shí)，結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)要求，其它兩種情況下邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

　　四期開(kāi)挖直線滑面取層面參數(shù)時(shí)，天然工況K=0.7849，Ks=0.7891（K-傳遞系數(shù)法計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)值，Ks-Sarma法計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)值），巖體自重+地下水工況下K=0.7217，Ks=0.7266，正常蓄水位1380情況下，K=0.7412，Ks=0.74，1380+8度地震情況下，K=0.4687，1340+8度地震情況下，K=0.5148，庫(kù)水位從1380驟降至1360工況下，K=0.6543，穩(wěn)定系數(shù)最大0.7891，最小0.4687，最大單寬剩余下滑推力6798T/M，最小3568T/M，平均5195T/M.由以上計(jì)算結(jié)果可知，四期開(kāi)挖直線滑面取層面參數(shù)時(shí)，各工況下的穩(wěn)定系數(shù)值均不能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。若要將穩(wěn)定安全系數(shù)提高到設(shè)計(jì)值，所需支護(hù)力見(jiàn)有關(guān)規(guī)定的表。

　　四期開(kāi)挖折線滑面取層面參數(shù)時(shí)（以下計(jì)算均采用傳遞系數(shù)法），天然工況K=0.9128，巖體自重+地下水工況下K=0.7956，正常蓄水位1380情況下，K=0.7849，1380+8度地震情況下，K=0.5078，正常蓄水位1340情況下，K=0.8336，1340+8度地震情況下，K=0.5595，庫(kù)水位從1380驟降至1360工況下，K=0.7068，由以上計(jì)算結(jié)果可知，四期開(kāi)挖折線滑面取層面參數(shù)時(shí)，各工況下的穩(wěn)定系數(shù)值仍不能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。若要將穩(wěn)定安全系數(shù)提高到設(shè)計(jì)值，所需支護(hù)力見(jiàn)相關(guān)圖表。

　　四期開(kāi)挖折線滑面取巖體參數(shù)時(shí)，天然工況K=1.1778，巖體自重+地下水情況下K=1.024，正常蓄水位1380情況下，K=1.0155，1380+8度地震情況下，K=0.6799，正常蓄水位1340情況下，K=1.0652，1340+8度地震情況下，K=0.7349，庫(kù)水位從1380驟降至1360工況下，K=0.9434，由以上計(jì)算結(jié)果可知，四期開(kāi)挖折線滑面取巖體參數(shù)時(shí)，除地震及水位驟降工況下穩(wěn)定系數(shù)完全不能滿足設(shè)計(jì)要求的K=1.1外，其它工況下的穩(wěn)定系數(shù)值基本能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

　?。?）對(duì)出口邊坡，根據(jù)上表4的計(jì)算結(jié)果，除二期開(kāi)挖、三期開(kāi)挖折線滑面取層面參數(shù)、運(yùn)行期巖體自重+地下水折線滑面取層面參數(shù)及庫(kù)水位從1380驟降至1360四種工況下穩(wěn)定系數(shù)不能滿足要求外，其它工況穩(wěn)定系數(shù)均大于設(shè)計(jì)要求值，故出口邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。