大型岩质边坡楔形块体稳定性分析
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摘要：论文总结了三维楔体稳定性分析理论，结合某大型水电站工程边坡，整理分析该边坡结构面信息，经赤平投影分析得到了可能的失稳块体及失稳模式，并通过三维软件Ansys建立三维地质模型，根据结构面产状切割形成三维块体，可以清楚展示各软弱结构面在三维空间的展布规律，快速获取结构面面积、块体体积、块体滑移方向等几何信息，根据三维楔体稳定性分析理论编制程序快速定量判定块体在各种工况下的稳定系数，为现场施工提供依据。
中图分类号： C35 文献标识码： A
1引言
大量实例表明，在岩质边坡中，岩体发生失稳破坏的主要形式为由几组结构面和临空面切割的楔体破坏。因此，研究多结构面岩质边坡楔体稳定性问题具有重要意义[1~4]。
论文在楔体稳定分析理论的基础上，对某大型水电站边坡地质资料中的结构面信息进行统计整理，运用赤平投影分析人工边坡可能的失稳破坏模式及失稳块体的边界条件，通过采用三维极限平衡方法对可能失稳块体的计算模型进行分析,得到块体的稳定系数，对块体的稳定性进行详细评价,对类似工程提供可以借鉴的经验。
2楔体稳定分析的刚体极限平衡法
目前，三维刚体极限平衡法是岩质边坡楔形体稳定分析中应用最多的一种方法，该方法假定滑动面上剪力方向与两结构面交线平行，从而使问题静定可解。楔形体受力示意图如图1所示。楔形体由两组相交结构面(左侧结构面1、右侧结构面2，法线矢量记为，)切割边坡(坡顶面3、坡面4，法线矢量记为，)形成四面楔形体。结构面、边坡面均假定为平面。楔形体受自身重力(大小为，方向矢量记为)、结构面作用力(法向反力大小为，、切向剪力大小为，，方向矢量为交棱线矢量)、地下水压力（大小为，）及外荷载(大小为T，方向矢量为，包括表面集中力、分布力、地震力、锚固力等)作用。
图1楔形体受力示意图
已知楔体双滑面产状分别为（倾向／倾角）、，则其法线矢量为：
（1）
设双滑面交棱线的产状为，则交棱线矢量为：
（2）
根据正交性质，交线矢量垂直于双滑面法线所构成的平面，故得
（3）
（4）
建立平衡方程坐标系为，三轴正交，符合右手定则。与楔形体交棱线平行，指向前方，垂直正交于，指向下方，水平，各轴在坐标系中的单位矢量分别为：
（5）
在垂直交棱线的平面（平面）内建立平衡方程：
（6）
通过（6）式可解出结构面对楔形体的法向反力大小、。沿结构面交线的下滑力可表达为：
（7）
假定结构面切向剪力与法向反力满足Mohr～Coulomb强度准则，则楔形体安全系数可由结构面所提供的抗滑力与楔形体实际所受下滑力确定：
（8）
式中：、、、为结构面强度参数，、为滑动面面积。
3工程实例
3.1结构面特征及物理力学参数
某水电站枢纽区工程边坡地形地质条件复杂，岩体内断层、裂隙、岩脉等结构面发育，形成大量的块状、次块状结构、碎裂～块裂结构，岩体质量较差，边坡稳定主要受风化卸荷和结构面及其组合影响。该电站右岸坝顶以上边坡总高度约220m，坡向NE26°，设计开挖坡比1：0.5～1：0.7。坡体内发育有β5（F1）、γL6、γL5、β203、β202（f191）、β4（f174）、XL316-1、XL322-3、XL9-15等特定结构面，上述结构面相互组合，可能形成不稳定块体。块体稳定分析计算选取的力学参数见表1，岩体容重为26.5kN/m3。
表1结构面计算参数
3.2可能块体组合及失稳模式判断
根据右岸坝顶以上边坡结构面产状，进行赤平投影分析，得出右岸边坡可能失稳的块体组合。右岸边坡赤平投影图如图2所示，从图中可以看出，XL322-1、XL321-1、XL321-2、XL316-1等卸荷裂隙走向与开挖边坡走向小角度相交，缓倾坡外，可能形成块体失稳的底滑面；f202断层走向与边坡走向大角度相交，且倾角较陡，可能形成块体失稳的侧边界；β5、γL5、β202等岩脉陡倾坡里，可能形成后缘拉裂面，故这些结构面组合可能形成不稳定块体。典型的滑移模式为f202+γL5+XL321-1+剪断表层Ⅴ1类岩体，下文以该模式为例建模分析三维块体的稳定性。
图2右岸坝顶以上开挖边坡赤平投影图
（1、f2022、γL53、XL322-14、XL321-15、XL321-26、XL316-1 7、β5 8、β202 9、β203
10、β205 11、开挖边坡）
3.3计算模型及计算工况
采用大型分析软件Ansys建立三维块体模型，如图3所示。在结构面上施加三维水压力，查询结构面面积、扬压力以及块体体积作为程序计算前处理数据，地震荷载按0.25g的水平惯性力施加。计算工况为：
自重工况（不考虑降雨影响及地震条件）；
暴雨工况（按结构面充满水考虑）；
地震工况（文中按8度地震计算，水平向加速度取为0.25g）。
图3右岸坝顶以上开挖边坡三维计算模型
3.4计算成果
根据f202、γL5、XL321-1产状，建立该三组结构面组合形成的半定位块体，该块于右岸坝顶以上边坡，γL5为后缘拉裂面，f202为侧滑面，XL321-1为底滑面，考虑XL321-1前缘Ⅴ1类岩体被剪断，形成的块体如图4所示。该组合块体稳定性分析成果见表2。
图4右岸坝顶以上开挖边坡潜在失稳块体计算模型
表2右岸坝顶以上开挖边坡潜在失稳块体稳定性成果表
4结语
论文总结了三维楔体稳定性分析理论，结合某大型水电站工程边坡，整理分析该边坡结构面信息，经赤平投影分析得到了可能的失稳块体及失稳模式，并通过三维软件Ansys建立三维地质模型,根据结构面产状切割形成三维块体，可以清楚看到各软弱结构面在三维空间的展布规律，快速获取结构面面积、块体体积、块体滑移方向等几何信息，根据三维楔体稳定性分析理论编制程序快速定量判定块体在各种工况下的稳定系数，从而指导现场工作人员开挖边坡时遇到边坡失稳或可能存在失稳的迹象时，准确采取处理措施，防止边坡进一步恶化。
参考文献：
[1]李爱兵，周先明.露天采场三维楔形滑坡体的稳定性研究[J].岩石力学与工程学报，2002，21（1）：52－55.
[2]余先华，聂德新.岩质边坡确定性块体稳定性的研究[J].水土保持研究，2007，14（3）：180－182.
[3]王雍.多结构面三维块体极限稳定分析新方法[J].云南水力发电,2007,23（1）：5052.
[4]周家文，徐卫亚，石崇.基于3DEC的节理岩体边坡地震影响下的楔体稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2007，7（1）：3402－3409.
作者简介：左林勇1982-)，男，四川眉山人，主要从事地质灾害防治及勘查方面工作.