曹村水库右坝肩软硬互层岩质边坡稳定性分析与处理措施研究

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软硬互层(含软弱结构面)岩质边坡对其结构稳定性会造成不同程度的危害,是影响工程安全运营和人民生活的重大地质灾害,它具有分布广,活动频繁,复杂的生产条件和诸多因素的特点。随着我国的工程规模不断扩大,其多变性以及预防和运动机制的复杂性,使得预测困难,已经造成了人员伤亡和经济财产的巨大损失,而人们也意识到边坡稳定性分析及其处理措施的研究具有重要意义,在世界各国始终是主要研究的地质灾害之一。正确的理解页岩地层对边坡结构稳定和工程建设安全性影响的危害,要对这一问题采取合理的方法进行深入研究,并提出合理的技术处理措施,很多重大事故的发生是由于边坡工程处理措施。以洛阳市新安县曹村水库软硬互层岩质边坡为模拟研究背景,区域地层岩性主要由石英砂岩夹薄层页岩组成,呈单斜构造,倾向170°~185°,倾角11°~15°。页岩呈紫红色,主要由粘土组成,高度风化,厚4-9m,产状为NW85°∠14°,整个岩层向溢洪道下游呈平缓倾斜。页岩层发育在正常水位以下,强风化页岩受库水渗水影响,其强度大幅度降低,极大地影响了右坝肩边坡稳定性和坝体安全性。坝址区工程地质条件的现场调查和岩体力学试验基础上,采用FLAC3D数值分析和传统极限平衡法对软硬互层岩质边坡变形特性分析。运用极限平衡法针对边坡典型剖面计算边坡的安全系数,通过数值分析对水库右坝肩采取加固措施前后的位移场、应力场分布和最大主应力分布规律分析,采用可靠性分析研究了溢洪道边坡多种工况下的安全稳定性,开展了溢洪道边坡加固方案的研究。曹村水库坝址区页岩边坡稳定性主要研究成果如下:(1)坝址区工程地质条件的现场调查,基于精细描述方法的节理裂隙分析,在现场选取了12个窗口进行了节理描述,统计出素描窗口的节理的走向玫瑰花图。综合岩石力学试验和经验数据等,运用现代数学方法对岩土体参数进行优选,调查岩体断层带和页岩层分布类型、岩体矿物分析等。(2)利用边坡极限平衡法对右坝肩边坡未开挖前提下按天然工况和地震工况进行计算分析,并分析在采取锚索加固方案之后,右坝肩边坡在天然工况和地震工况的整体抗滑稳定性有所加强,相较于天然工况边坡安全系数均有较大幅度的提升。(3)通过有限差分软件FLAC3D对页岩层在自然状态和浸水饱和状态下,计算结果表明页岩层自然状态下,右坝肩整体变形小,对整体安全性影响小:右坝肩帷幕上游侧页岩层浸水饱和状态下,该区域整体变形主要集中在下游区域,最大位移位于坝轴线下游侧下游附近,由于页岩层的参数较弱,右坝肩边坡有向下游整体滑动的趋势,需要进行加固处理。加固方案考虑两类,分别为预应力锚索、抗滑桩,采用加固方案后,右坝肩底部处位移相对减小,坡顶处位移最小。右坝肩在完全开挖状态下,如果洪水达到正常蓄水位,坡体最大主应力均为压应力,最大部位分布在坝轴线下游侧后部、溢洪道迎水面两侧、裂隙迎水面以及右坝肩后部。(4)右坝肩边坡可靠性分析的计算模型和工程地质剖面与极限平衡法完全相同,模拟8000次,对右坝肩边坡在预应力锚索加固后天然工况和地震工程下安全系数分析。边坡天然工况下的安全系数是1.48,采取处理措施下右坝肩边坡的安全系数是1.61,与天然边坡相比,加固后安全性显著提升,可以满足施工安全型需要。(5)根据曹村水库坝址区页岩边坡可能引发的工程问题,在综合考虑现场施工难度、工程造价等因素影响下,选择合理的支护加固方案,工程措施从治理效果、最优经济和施工难易程度几个角度分析,推荐使用预应力锚索,即在右坝肩帷幕上下游侧主滑方向设置间距5m的预应力锚索。
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