水发电洞进口及出口高边坡稳定施工计算

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　　一、进口边坡的稳定分析计算

　　进口边坡为斜向结构，一、二期开挖底线均在强松动岩体下限以上，主要破坏形式为圆弧面滑动，故只需按圆弧破坏面寻找最危险滑弧，并求出稳定系数。对三期及四期开挖，除可能在强松动岩体内发生圆弧面滑动破坏外，边坡还可能沿层面、层间挤压带或裂隙面发生平面滑动破坏，计算时先按圆弧面滑动破坏在三期和四期的开挖范围内找出最危险滑弧，并结合实际裂隙面的位置，确定出三期、四期开挖的直线和折线滑动破坏面，再对同一滑面取不同的强度参数（层面参数和岩体参数）分别计算出相应的稳定系数。

　　1、计算方法

　　对圆弧滑动面，稳定计算采用瑞典条分法，设计安全系数取K=1.2。

　　瑞典条分法法的基本假定是：

　　（1）剪切面是个圆弧，所以安全系数K可根据绕圆心的抵抗力矩与滑动力矩的比来确定；

　　（2）计算中不考虑分条之间的相互作用力，所以每个分条底部的反力可以直接由该分条上的荷载算出。

　　对直线或折线滑动面，稳定计算采用传递系数法，并用Sarma法进行较核，设计安全系数根据不同的计算工况取不同的值。

　　传递系数法是极限平衡条分法中的一种，也叫剩余推力法，其基本假设为条块间的相互作用力的方向平行于上一条块的底滑面，各条块的剩余下滑力计算公式如下：

　　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

　　上式中第一项表示本条的下滑力，第二项表示本条的抗滑力，第三项表示上一条块传下来的不平衡下滑力，ψi-1称为传递系数，k为安全系数。

　　2、计算参数取值

　　边坡的滑动破坏形式可分为沿层面或裂隙面的破坏和在岩体内的破坏，前者计算时，滑动面按层面参数计算，抗剪强度指标见表1.后者滑动面按岩体参数计算，抗剪强度指标见表2.

　　表1层面或裂隙面的强度参数

　　岩体类别　　C（kN/m2）　　水上f　　　　水上C（kN/m2）　　水下f　　水下容重（kN/m3）

　　强松动岩体　　0　　　　　 0.45　　　　　　　0　　　　　　 0.36　　　  26.6

　　轻微松动岩体　50　　　　　0.55　　　　　　  50　　　　　  0.456　　　 26.6

　　未松动岩体　　50　　　　　0.7　　　　　　　 50　　　　　  0.581　　　 26.6

　　表2岩体的结构面强度参数

　　岩体类别C（kN/m2）　　　水上f　　　　水上C（kN/m2）　　水下f　　水下容重（kN/m3）

　　强松动岩体　　　50　　　　 0.5　　　　　　  40　　　　　0.4　　　　 26.6

　　轻微松动岩体　　200　　　　0.55　　　　　　 160　　　　　0.44　　　  26.6

　　未松动岩体　　　400　　　　0.7　　　　　　　320　　　　　0.56　　    26.6

　　3、不同工程阶段的计算工况及荷载组合

　　进口边坡的开挖分为一期、二期、三期、四期，四期以后为水库的运行期，根据现状及水库蓄水后的运行特点，稳定分析包括现状天然条件，不同库水位，考虑地震力时的不同库水位及水库水位变化（渗透压力）等不同工况。其中运行期不同库水位考虑了正常蓄水位1380及蓄水位1340两个特征水位，水库水位变化主要是考虑由正常蓄水位1380降至1360的情况。各计算工况及荷载组合条件下的计算结果见相关表规定。下面是需要查找的数据。

　　工程阶段工况破坏形式参数取值计算方法稳定系数设计安全系数剩余下滑力（T/M）

　　施工期一期开挖圆弧滑动岩体参数瑞典条分法1.1221.2

　　二期开挖圆弧滑动岩体参数瑞典条分法0.9911.2

　　三期开挖天然状态圆弧滑动岩体参数瑞典条分法1.1481.2

　　三期开挖天然状态直线滑动岩体参数传递系数

　　三期开挖天然状态折线滑动层面参数传递系数0.87841.22056

　　岩体参数1.18651.286.2

　　三期开挖自重+地下水层面参数0.86651.32129

　　岩体参数1.16081.3250.6

　　四期开挖天然状态直线滑动层面参数传递系数0.78491.23568

　　直线滑动层面参数sarma法0.78911.2

　　四期开挖天然状态折线滑动层面参数传递系数0.91281.23165.3

　　岩体参数1.17781.2245.6

　　四期开挖自重+地下水层面参数0.79561.35218.6

　　岩体参数1.0241.32870.8

　　天然工况楔体滑动1.3

　　岩体自重+地下水直线滑动层面参数传递系数0.72171.34604

　　直线滑动层面参数sarma法0.72661.3

　　运行期正常蓄水位1380直线滑动层面参数传递系数0.74121.34004.9

　　直线滑动层面参数sarma法0.741.3

　　折线滑动层面参数传递系数0.78491.34784.7

　　岩体参数传递系数1.01551.32660.4

　　蓄水位1380+8度地震直线滑动层面参数传递系数0.46871.16747.5

　　折线滑动层面参数传递系数0.50781.18593.2

　　岩体参数0.67991.16144.6

　　正常蓄水位1340折线滑动层面参数传递系数0.83361.34714

　　岩体参数1.06521.32384.4

　　蓄水位1340+8度地震直线滑动层面参数传递系数0.51481.16798

　　折线滑动层面参数0.55951.18348.8

　　岩体参数0.73491.15669.9

　　1380骤降至1340直线滑动层面参数传递系数0.65431.13931.9

　　折线滑动层面参数0.70681.14415.5

　　岩体参数0.94341.11776.4

　　　　传递系数三期开挖直线滑面及折线滑面的计算简图见相关图，两种滑面情况下强度参数取值时，若为层面参数，则C、f值分别取表1中的值，若为岩体参数，则C、f值取表2中的值。四期开挖直线滑面及折线滑面、运行期各工况情况下的计算简图。

　　二、出口边坡的稳定分析计算

　　出口边坡的计算方法均采用Sarma法，参数取值同进口边坡，计算工况为：

　　1、施工期

　　因一、二期开挖均位于强松动岩体内，破坏形式为圆弧滑动，故用瑞典条分法可寻找出圆弧滑动的最危险滑面并求得最小稳定系数。到了三、四期开挖，开挖底线已进入完整岩体，破坏形式可能为沿裂隙面的折线滑动破坏，计算时先在从坡顶到三、四期开挖底线范围内用圆弧法寻找出最危险滑弧，再根据此滑弧位置并结合实际情况，确定出平面折线滑动的滑面位置。

　　2、运行期

　　运行期根据四期开挖确定的折线滑面，只考虑岩体自重+地下水与岩体自重+地下水+8度地震两种情况。

　　出口边坡稳定分析计算成果查找下列数据：

　　表4不同工况及荷载组合条件下出口边坡稳定计算计算成果

　　工程阶段工况破坏形式参数取值计算方法稳定系数设计安全系数

　　施工期一期开挖圆弧滑动岩体参数瑞典条分法1.2061.2

　　二期开挖圆弧滑动岩体参数瑞典条分法0.971.2

　　三期开挖圆弧滑动岩体参数瑞典条分法1.7431.2

　　折线滑动层面参数Sarma法1.15161.2

　　折线滑动岩体参数Sarma法

　　四期开挖圆弧滑动岩体参数瑞典条分法1.6251.2

　　折线滑动层面参数Sarma法1.23071.2

　　折线滑动岩体参数Sarma法1.74771.2

　　运行期岩体自重+地下水折线滑动层面参数Sarma法1.12741.2

　　折线滑动岩体参数Sarma法1.58691.2

　　岩体自重+地下水+8度地震折线滑动层面参数Sarma法0.98231.1

　　4、地震力的计算

　　地震力的计算采用以下公式：

　　Qi=KQ×Wi

　　上式中：Wi为分条重量，KQ为水平地震加速度系数，Qi为分条上的水平地震力。

　　以上计算结果，对8度地震，取KQ=0.2.

　　5、计算结果分析

　　（1）对进口边坡，一、二期开挖均采用圆弧滑动面、岩体参数用瑞典条分法计算，求得的稳定系数分别为1.122，0.991，都不能满足设计要求的安全系数K=1.2的要求，所以一、二期开挖时边坡处于欠稳定状态。

　　三期开挖天然状态下，圆弧滑动面、岩体参数计算结果为1.148.用传递系数法对折线滑面、岩体参数与层面参数的计算结果分别为1.1865、0.8784，若要满足K=1.2的要求，则两种参数下的剩余下滑力分别为86.2T/M和2056T/M.三期开挖取层面参数计算时，结果不能满足设计要求，其它两种情况下边坡处于基本稳定状态。

　　四期开挖直线滑面取层面参数时，天然工况K=0.7849，Ks=0.7891（K-传递系数法计算的稳定系数值，Ks-Sarma法计算的稳定系数值），岩体自重+地下水工况下K=0.7217，Ks=0.7266，正常蓄水位1380情况下，K=0.7412，Ks=0.74，1380+8度地震情况下，K=0.4687，1340+8度地震情况下，K=0.5148，库水位从1380骤降至1360工况下，K=0.6543，稳定系数最大0.7891，最小0.4687，最大单宽剩余下滑推力6798T/M，最小3568T/M，平均5195T/M.由以上计算结果可知，四期开挖直线滑面取层面参数时，各工况下的稳定系数值均不能达到设计标准，边坡处于不稳定状态。若要将稳定安全系数提高到设计值，所需支护力见有关规定的表。

　　四期开挖折线滑面取层面参数时（以下计算均采用传递系数法），天然工况K=0.9128，岩体自重+地下水工况下K=0.7956，正常蓄水位1380情况下，K=0.7849，1380+8度地震情况下，K=0.5078，正常蓄水位1340情况下，K=0.8336，1340+8度地震情况下，K=0.5595，库水位从1380骤降至1360工况下，K=0.7068，由以上计算结果可知，四期开挖折线滑面取层面参数时，各工况下的稳定系数值仍不能达到设计标准，边坡处于不稳定状态。若要将稳定安全系数提高到设计值，所需支护力见相关图表。

　　四期开挖折线滑面取岩体参数时，天然工况K=1.1778，岩体自重+地下水情况下K=1.024，正常蓄水位1380情况下，K=1.0155，1380+8度地震情况下，K=0.6799，正常蓄水位1340情况下，K=1.0652，1340+8度地震情况下，K=0.7349，库水位从1380骤降至1360工况下，K=0.9434，由以上计算结果可知，四期开挖折线滑面取岩体参数时，除地震及水位骤降工况下稳定系数完全不能满足设计要求的K=1.1外，其它工况下的稳定系数值基本能达到设计标准，边坡处于基本稳定状态。

　　（2）对出口边坡，根据上表4的计算结果，除二期开挖、三期开挖折线滑面取层面参数、运行期岩体自重+地下水折线滑面取层面参数及库水位从1380骤降至1360四种工况下稳定系数不能满足要求外，其它工况稳定系数均大于设计要求值，故出口边坡整体处于稳定状态。