Safety evaluation model of excavating rock slope based on entropy-grey correlation method
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摘要: 根据边坡稳定性评价体系, 选取边坡岩体质量评分、边坡开挖方法调整系数、高度修正系数、结构面调整系数、结构面调整值5个评价指标反映边坡的整体稳定性, 并作为安全评价模型的序列变量; 建立了熵权-灰关联安全评价模型, 将目标边坡作为系统特征序列, 12处岩质边坡作为相关因素序列, 评价了京沪高速改扩建工程沿线典型岩质边坡的安全性, 并提出工程建议; 采用FLAC3D仿真软件, 分析了不同阶段机械开挖和不同炮孔处静力爆破条件下边坡的稳定性变化规律, 以验证安全评价模型的准确性。分析结果表明: 边坡稳定性评价指标可较好地反映边坡的稳定性特征; 熵权-灰关联安全评价模型充分发挥了灰关联法在小样本数据分析的优点, 且由熵权法计算的指标权重改善了传统灰关联分析中由专家打分或平均赋权的缺陷, 使评价结果更加客观; 三级边坡和一级边坡的开挖使边坡K593+260~K593+555的安全系数分别降至1.01和1.00, 和上一级边坡相比降幅分别为34.8%、9.1%, 说明缓倾顺层岩质边坡的开挖会使岩层沿结构面滑动, 使边坡失稳; 瞬时动荷载和荷载积累效应控制静力爆破条件下边坡的稳定性, 瞬时动荷载的出现使边坡安全系数下降了7.7%, 荷载积累效应的消散使安全系数平均回升3.6%, 说明爆破对边坡的松动作用明显, 荷载积累的消散使边坡的稳定性提升。
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关键词:
- 岩质边坡 /
- 熵权-灰关联评价模型 /
- 安全评价 /
- 数值模拟 /
- 开挖方法
Abstract: According to slope stability evaluation system, five evaluation indexes, such as slope rock mass quality score, excavation method adjustment coefficient, height correction coefficient, structural surface adjustment coefficient, and structural surface adjustment value, were selected to reflect the overall stability of slope, and serve as the safety evaluation model sequence variables. The entropy weight-gray correlation safety evaluation model was established. Taking the target slopes as the system characteristic sequence and the 12 rock slopes as the correlation factor sequence, the safety of the typical rock slopes along the reconstruction and expansion project of Beijing-Shanghai Expressway was evaluated, and the engineering advices were provided. FLAC3 D simulation software was used to analyze the stability variation laws of the slopes under different stages of mechanical excavation and static blasting at different blastholes, and the accuracy of the safety evaluation model was verified. Analysis result shows that the evaluation indexes of the slope stability can well reflect the slope stability characteristics. The entropy weight-grey correlation safety evaluation model full plays the advantages of grey correlation method in the analysis of small sample data, and the index weights calculated by entropy weight method improve the defect of the traditional grey correlation analysis that the indexes are weighted by experts or average method, making the evaluation result more objective. The third-grade and first-grade slope excavations reduce the safety factor of the slope K593+260~K593+555 to 1.01 and 1.00, respectively, with decreases of 34.8% and 9.1% respectively compared with the upper grade slope. It shows that the excavation of rock slope with gently inclined bedding slope will cause rock layer slide along structural plane and makes the slope become unstable. Transients dynamic load and load accumulation effect control the stability of the slope under static blasting condition. The occurrence of transients dynamic load reduces the slope safety factor by 7.7%, and the dissipation of the load accumulation effect rises the safety factor by 3.6%. It shows that the blasting has obvious loosening effect on the slope, and the dissipation of load accumulation improves the slope stability. -
0. 引言
岩质边坡是复杂开放的系统, 其安全性对工程建设的影响非常明显, 岩质边坡的防护、灾害治理是中国基础设施建设的重大课题之一[1, 2]。经调查, 中国现有高速公路岩质高边坡存在防护措施不当问题[3, 4, 5]的主要原因是不能对边坡合理的进行安全评价。近年来, 交通量不断增大, 既有高速已无法满足现有交通量的需求, 出现了大量的改扩建工程, 而对既有边坡的挖方是改扩建工程的主要控制点[6, 7], 针对不同边坡在不同施工方式下的安全性评价也显得尤为重要。
近年来, 国内外不少学者格外关注边坡的安全评价问题[8, 9, 10]。选取边坡评价指标来反应边坡概况是进行安全评价的基础, 孙东亚等[11, 12, 13, 14]提出了边坡岩体质量分类体系并将其修正。边坡安全评价方法有多种, 最初, 边坡安全评价以定性分析为主, 随后逐步过渡到定量计算。工程地质类比法属于定性分析, 可解决影响因素较多、关系较复杂、不定因素较多的复杂问题, 但主观性过强。灰关联分析法客观性强、随意性低, 但却无法解决不同评价指标权重不同的问题, Hao等[15]建立了基于灰色系统模型的分段分析方法, 研究了人类活动对水文过程的影响; Olson等[16]针对灰关联法不能赋权的问题, 演示了如何使用仿真分析精确模糊输入分析的计算结果, 以得到完整的概率模型计算结果; 冯忠居等[17]应用灰色系统理论, 建立了干湿冻融交替以及盐腐蚀作用下混凝土动弹性模量变化的预测体系。层次分析法能较好地将定性分析和定量计算结合, 但计算量大、权重确定困难, 黄丹等[18]建立了层次分析、集对分析、未知测度原理的多因素耦合安全评价模型, 评价某工程的露天滑坡的安全性; 李炜等[19]应用层次分析法, 建立了可靠度分析模型, 研究了不同宽率与偏度对系统可靠度指标的敏感性; Abedini等[20]根据层次分析模型原则, 评估和对比了滑坡衣杆因子、频率比、模型指数对滑坡滑动风险的影响; Mondal等[21]运用层次分析法, 计算了岩性、坡度、土体渗透性等10个滑坡触发参数的因素权重, 并将某流域划分了5个滑坡敏感区域; 何海鹰等[22]根据所调研的300余处岩质高边坡系统评价指标的重要性, 结合层次分析法, 建立了适用于运营期高速公路边坡管理与养护的指标评估系统。模糊神经网络评价方法能较好地处理众多影响因素间的非线性关系, 但该模型需要学习大量的样本; 周宁等[23, 24]将神经网络技术纳入模糊推理过程, 建立了以模糊神经网络技术为根本的边坡安全评价方法; Acharyya等[25]根据人工网络构架, 评估了条形基础的极限承载能力, 并对抗剪强度等参数进行了重要性排序。模糊数学理论结果清晰、系统性强, 但难以反应过程中边坡安全性的动态变化; Greco等[26, 27]结合模糊数学理论, 建立了典型滑坡前期预报和岩石跳动距离分析模型。熵权法可根据各指标的变异程度, 利用信息熵计算指标熵权, 赵怀鑫等[28]结合了灰关联分析与熵权法, 分析了高速公路货物周转量与货运量受中国宏观经济因素的影响程度, 并提出意见; 张旭等[29]根据集对理论确定边坡稳定性等级, 结合熵权法的指标权重计算结果, 在一定的置信区间内, 判定边坡稳定性等级。上述研究成果为边坡的安全评价提供了方法及理论基础, 但是针对不同开挖方法下岩质边坡的安全评价却鲜有研究。
京沪高速改扩建工程沿线有多处岩质边坡, 其中有代表性的有K551+174~K552+115等5处, 这些岩质边坡在开挖过程中要确保不影响既有交通, 由此引起的安全问题值得关注。本文应用边坡稳定性评价体系, 对比机械开挖与静力爆破2种施工方式, 用熵权法计算各系统评价指标权重, 根据最大关联度原则, 评价开挖过程中边坡的安全性, 对京沪高速改扩建工程典型岩质边坡进行安全评价, 并为其提供工程指导建议。
1. 安全评价模型
1.1 岩质边坡稳定性评价指标的选取
边坡稳定性评价体系可半定量的评价岩体质量和边坡稳定性, 预测破坏模式并提出相应治理方法, 表达式为
式中: C为边坡综合稳定等级得分; a为边坡高度修正系数; R为边坡岩体质量评分, 本文中为岩石单轴抗压强度、岩石质量指标、裂面间距、裂面特征、地下水5项评分之和; λ为结构面调整系数; F为结构面调整值; M为边坡开挖方法调整系数, 该值由大量工程实践获得; H0为边坡临界高度; H为边坡高度; F1为结构面与边坡走向关系系数; F2为破坏模式与结构面倾角关系系数; F3为结构面倾角与边坡倾角关系系数。
R、λ、F1、F2、F3、M取值分别见表 1~6, 其中: α1为不连续面倾向; α2为边坡倾向; β1为不连续面倾角; β2为边坡倾角。
岩石单轴抗压强度 岩石质量指标 裂面间距 裂面特征 地下水 取值/MPa 评分 取值/% 评分 取值/cm 评分 状态 评分 状态 评分 < 25 0~2 < 25 0~5 < 6 < 5 软弱充填物厚度 > 5 mm或张开度 > 5 mm, 连续 < 8 涌水 0 25~50 2~5 25~50 5~10 6~20 5~8 光滑或充填物厚度 < 5 mm或张开 8~15 渗水 0~5 50~100 5~10 50~75 10~15 20~60 8~12 稍粗糙, 张开度 < 1 mm, 岩壁强风化 15~22 潮湿 5~8 100~250 10~13 75~90 15~18 60~200 12~15 稍粗糙, 张开度 < 1 mm, 岩壁微风化 22~28 湿润 8~11 > 250 13~15 90~100 18~20 > 200 15~20 很粗糙, 不连续, 未张开, 岩壁未风化 25~28 干燥 11~15 结构面类型 断层、夹泥层 层面、贯通裂隙 节理 λ 1.0 0.8~0.9 0.7 平面滑动破坏模式边坡倾角/(°): α1-α2 > 30 30~20 20~10 10~5 < 5 倾倒破坏模式边坡倾角/(°): α1-α2-180° > 30 30~20 20~10 10~5 < 5 F1取值 0.15 0.40 0.70 0.85 1.00 平面滑动破坏模式结构面倾角/(°): β1 > 30 30~20 20~10 10~5 < 5 倾倒破坏模式结构面倾角/(°): β2 > 45 45~35 35~25 25~15 < 15 F2取值 0.15 0.40 0.70 0.85 1.00 平面滑动破坏模式结构面与边坡夹角/(°): β1-β2 > 10 10~0 0 0~-10 < -10 倾倒破坏模式结构面与边坡夹角/(°): β1+β2 < 110 110~120 > 120 - - F3取值 0 6 25 50 60 开挖方法 欲裂爆破 静力爆破 机械开挖 欠缺爆破 M 10 8 0 -8 将表 1~6中的系统评价指标取值代入式(1), 得到C。随后通过收集资料, 选择新滩滑坡、李家峡坝Ⅰ号滑坡、李家峡坝Ⅱ号滑坡、公伯峡电站古奉群滑坡等12处岩质边坡实例作为相关因素序列, 并获得各序列的系统评价指标值。为方便计算, 需对系统评价指标值进行量纲为1化处理, 即保持a与λ不变, 岩体质量评分除以100, 结构面调整值除以60, 边坡开挖方法调整系数除以20, 取值及量纲为1化结果见表 7。将上述系统评价指标作为模型中系统特征序列和相关因素序列的变量。
序号 工程名称 结构面倾向 a λ R/100 F/60 M/20 稳定状态 1 新滩滑坡 顺倾 0.74 1.00 0.38 0.21 0.75 失稳 2 李家峡坝Ⅰ号滑坡 逆倾 0.71 1.00 0.42 0.13 0.75 失稳 3 李家峡坝Ⅱ号滑坡 顺倾 0.73 1.00 0.35 0.02 0.50 失稳 4 抚顺西露天矿人卷车边坡 顺倾 0.85 1.00 0.35 0.02 0.50 失稳 5 公伯峡电站古奉群滑坡 逆倾 0.65 0.80 0.41 1.00 0.75 稳定 6 天生桥二级电站后山边坡 逆倾 0.82 0.80 0.51 0.08 0.40 稳定 7 天生桥水电站溢洪道边坡 顺倾 0.84 0.80 0.62 0.14 0.40 稳定 8 小峡石坪台滑坡 顺倾 0.86 0.70 0.36 0.08 0.50 稳定 9 积石峡4号滑坡 散体结构 0.67 0.70 0.50 0.21 0.75 稳定 10 漫湾石料场边坡 块状结构 0.75 0.70 0.76 0.07 0.50 稳定 11 三峡升船机及临时船闸边坡 顺倾 0.73 0.80 0.42 0.12 0.75 失稳 12 白灰厂滑坡 顺倾 0.86 0.80 0.71 0.01 0.50 失稳 1.2 灰色关联法
当对某一系统位置进行分析时首先要确定系统特征序列。系统特征序列x0为
式中: x0(k)为第k个系统特征序列的值。
灰关联分析中的被比较序列为相关因素序列, 相关因素通常表示为y1、…、yi、…、ym, 即
式中: yi(n)为第i个相关因素序列中在第n个变量处的值。
当存在一个系统特征序列对应若干相关因素序列的情况时, 可采用式(6)描述各相关因素序列与系统特征序列在变量k处的差值, 即
式中: γ0i(k)为相关因素序列yi与系统特征序列x0在第k个变量处的关联系数; ξ为分辨系数, ξ∈(0, 1), 本文取0.5。
由式(6)会求出若干关联系数, 为处理这种过于分散的信息, 常常对各个变量处的关联系数求平均值, 即关联度, 表达式为
式中: φ0i为系统特征序列x0与相关因素序列yi的关联度。
在对特定系统进行研究时, 所关心的是各相关因素序列关于系统特征序列关联度的相对关系, 而非单一的关联度大小, 最大关联度φmax表达式为
在空间上, φmax为对应的相关因素序列与系统特征序列距离最近, 即关联性最好。
1.3 熵权法
各指标在体系中的地位、影响因子、作用不同, 不能一概而论, 而权重是反应因子重要性的指标。熵权法是一种客观赋权的方法, 它根据各指标的变异程度, 利用信息熵计算各指标的熵权, 再通过熵权对各指标的权重进行修正, 从而计算较为客观的指标权重。
假设有p个待评项目, q个评价指标, 形成原始数据矩阵B为
式中: bpq为第p个项目中第q个评价指标的数值。
第u个项目中第v个评价指标的比例Puv为
第v个评价指标的指标熵Jv为
第v个指标的指标熵权wv为
wv越大, 则该指标在评价体系中所占比例越大。将熵权代入式(7), 求出加权平均关联度, 根据最大关联度原则, 评价目标边坡的安全性。
2. 工程实例分析
京沪高速于1993年全线贯通, 其中山东省莱芜至临沂段原设计方案为双向四车道, 后依托原路线进行改扩建。既有路线沿线存有多处经初次开挖而形成的高边坡, 现需进行开挖来满足路线拓宽的要求。其中, 山岭、丘陵、冲积平原、河漫滩、河床等地貌贯穿沿线, 下伏岩层主要包括石灰岩、泥岩、页岩、花岗岩等, 地质条件复杂。受高速公路等级控制因素影响, 京沪高速改扩建工程沿线待开挖岩质边坡的总里程为20 km, 岩质边坡最大高度为56 m, 最陡坡率达1∶0.75。其沿线存在5处典型岩体风化不均、层状构造明显、原岩结构部分破坏、局部节理裂隙发育的岩质高边坡, 施工干扰大、工期长, 且改扩建过程中要求不影响既有高速公路通车, 因此, 对该5处边坡开挖时的安全性提出了极高的要求。5处边坡原打算采用静力爆破的施工方式, 即利用静力破碎剂固化膨胀力破碎混凝土、岩石, 其施工流程见图 1。
考虑静力爆破对既有高速公路行车安全的影响, 施工方案改为效率较低的机械开挖, 即采用愚公斧劈裂机配合液压破碎锤或挖掘机装自卸汽车运输, 首先利用潜孔钻进行钻眼劈裂岩层, 随后利用液压破碎锤使岩体分裂破碎, 最后装车运输, 到指定位置后边坡开挖完毕。开挖顺序为自上而下, 先两边后中间, 开挖顺序见图 2, 在图 2中①~④分别代表第1~4级边坡。
2.1 确定目标边坡评价指标与参数
根据项目概况, 整理京沪高速沿线岩质边坡的形态、岩性、岩层产状等资料, 并对各边坡逐个调研分析, 结合边坡稳定性评价体系所需的指标参数, 将目标边坡的桩号、地质情况等关键信息整理如表 8, 根据表 7, 目标边坡评价指标和量纲为1处理结果分别见表 9、10。
目标边坡桩号 地质情况 坡高/m 可能破坏模式 结构面 坡面 倾向/(°) 倾角/(°) 倾向/(°) 倾角/(°) K498+870~K499+200 溶洞, 中、强风化石灰岩 38.0 倾倒滑动 240 70 49 53 K503+585~K504+018 碎石, 中、强风化石灰岩 41.0 平面滑动 235 71 235 53 K551+714~K552+115 残积土, 中、强风化石灰岩 39.7 倾倒破坏 0 53 30 45 K565+914~K566+300 残积土, 中、强风化石灰岩 45.2 倾倒滑动 45 16 222 45 K593+260~K593+555 残积土, 中、强风化石灰岩 40.7 平面滑动 76 10 239 45 目标边坡桩号 a λ R F M K498+870~K499+200 1.48 1.00 64.60 3.25 0 K503+585~K504+018 1.41 0.85 58.50 2.76 0 K551+714~K552+115 1.44 0.90 56.50 3.75 0 K565+914~K566+300 1.33 0.80 51.80 1.25 0 K593+260~K593+555 1.42 0.70 53.00 1.35 0 目标边坡桩号 a λ R/100 F/60 M/20 K498+870~K499+200 1.48 1.00 0.65 0.05 0 K503+585~K504+018 1.41 0.85 0.59 0.05 0 K551+714~K552+115 1.44 0.90 0.57 0.06 0 K565+914~K566+300 1.33 0.80 0.52 0.02 0 K593+260~K593+555 1.42 0.70 0.53 0.02 0 2.2 计算关联度
以边坡K551+714~K552+115为例, 将该目标边坡作为系统特征序列, 12处岩质边坡实例作为相关因素序列, 由式(4)~(6)计算关联系数γ0i(k), 结果见表 11, 可知: 边坡K551+714~K552+115对于第1个相关因素序列的第2个变量和第10个相关因素序列的第4个变量的关联系数最大, 在该体系中, 若不考虑权重影响, 边坡高度修正系数对边坡影响最明显, 其余边坡同理。
序号 工程名称 γ0i(1) γ0i(2) γ0i(3) γ0i(4) γ0i(5) 1 新滩滑坡 0.84 1.00 0.48 0.70 0.33 2 李家峡坝Ⅰ号滑坡 0.81 0.87 0.56 0.86 0.41 3 李家峡坝Ⅱ号滑坡 0.84 0.96 0.51 0.92 0.43 4 抚顺西露天矿人卷车边坡 0.93 0.51 0.44 0.87 0.56 5 公伯峡电站古奉群滑坡 0.77 0.43 0.55 0.84 0.33 6 天生桥二级电站后山边坡 0.90 0.43 0.88 0.39 0.48 7 天生桥水电站溢洪道边坡 0.92 0.43 0.93 0.82 0.54 8 小峡石坪台滑坡 0.94 0.33 0.45 0.98 0.33 9 积石峡4号滑坡 0.79 0.33 0.84 0.70 0.27 10 漫湾石料场边坡 0.85 0.33 0.48 1.00 0.43 11 三峡升船机及临时船闸边坡 0.83 0.43 0.56 0.87 0.33 12 白灰厂滑坡 0.94 0.43 0.57 0.89 0.43 2.3 确定各系统评价指标权重
根据灰关联分析结果得到初始矩阵B=(buv)5×12, 由式(9)得到各指标比重Puv, 由式(10)得到第v个指标的指标熵Jv, 由式(11)求得每个指标熵权wv, 结果见表 12。
参数 a λ R F M wv/% 20.5 15.6 30.6 18.4 14.9 由表 12可知: 在该体系中, R对岩质边坡安全性影响最显著, 占了30.6%的权重, 而λ与M所占权重则相对较小, 分别为15.6%和14.9%。
2.4 目标边坡预测结果
结合关联度与指标熵权φ0i, 得到加权关联度, 即将式(11)代入式(7), 表达式为
计算系统特征序列相对于各相关因素序列的关联度, 并由式(12)得到加权关联度, 系统特征序列与相关因素序列之间的加权关联度结果见表 13。
序号 稳定状态 K498+870~K499+200 K503+585~K504+018 K551+714~K552+115 K565+914~K566+300 K593+260~K593+555 1 失稳 0.130 0.132 0.143 0.132 0.131 2 失稳 0.137 0.138 0.132 0.138 0.138 3 失稳 0.153 0.154 0.151 0.154 0.149 4 失稳 0.151 0.158 0.172 0.158 0.201 5 稳定 0.112 0.114 0.126 0.114 0.114 6 稳定 0.150 0.157 0.184 0.195 0.158 7 稳定 0.114 0.173 0.162 0.145 0.146 8 稳定 0.164 0.115 0.122 0.115 0.116 9 稳定 0.109 0.126 0.117 0.121 0.117 10 稳定 0.134 0.127 0.132 0.126 0.121 11 失稳 0.113 0.115 0.118 0.114 0.115 12 失稳 0.152 0.144 0.139 0.135 0.135 以边坡K498+870~K499+200为例, 该边坡关于相关因素序列的最大加权关联度为0.164, 对应的相关因素序列次序为8, 即这个体系中, 边坡K498+870~K499+200与8号相关因素序列关系最紧密, 8号相关因素序列对应的边坡稳定, 所以在该系统中认定边坡K498+870~K499+200稳定。边坡K503+585~K504+018、K551+714~K552+115、K565+914~K566+300、K593+260~K593+555的最大加权关联度分别为0.173、0.184、0.195、0.201, 分别对于第7、6、6、4个相关因素序列的关联度最大, 所处安全状态分别为稳定、稳定、稳定、失稳。
为评价静力爆破工况下边坡的安全性, 将M置为8, 重复前述过程, 即可评价静力爆破状态下各边坡的安全性。2种开挖方法的安全性评价结果见表 14。
目标边坡桩号 机械开挖 静力爆破 K498+870~K499+200 稳定 稳定 K503+585~K504+018 稳定 稳定 K551+714~K552+115 稳定 稳定 K565+914~K566+300 稳定 稳定 K593+260~K593+555 失稳 失稳 3. 结果验证与工程建议
采用FLAC3D仿真软件, 对目标边坡进行数值仿真, 基于强度折减理论, 用安全系数的数值反映边坡的安全性, 验证安全评价模型的可靠性。
3.1 机械开挖
3.1.1 模型建立
根据京沪高速公路岩质边坡的实际地形与地层岩性, 建立与实际地形相符的数值模型。模型的边界条件以及尺寸对数值模拟结果影响显著, 有学者研究表明[30], 当坡脚至其中一侧边界的距离等于1.5倍坡高, 坡顶至另一侧边界等于2.5倍坡高, 且模型上下临界边界最大高度大于或等于坡高的2倍时, 计算精度比较理想。侧向边界位移方向为法向方向, 加载方式为重力加载。边坡模型见图 3。
岩土体参数按实际地勘资料选取, 结构面参数按《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)选取, 边坡结构面倾角、模型岩土体参数取值见表 15, c、φ、E分别表示岩体的黏聚力、内摩擦角以及弹性模量。
参数 容重/(kN·m-3) c/kPa φ/(°) E/GPa 泊松比 强风化石灰岩 23.0 20 29 5 0.25 中风化石灰岩1 23.6 24 51 20 0.20 中风化石灰岩2 24.2 26 45 25 0.20 结构面 - 100 30 - - 3.1.2 结果分析
利用施工阶段变化模拟边坡机械开挖过程, 求出各施工阶段的安全系数f, 计算结果可反映目标边坡在开挖全过程中稳定性变化。由《公路路基设计规范》(JTG D30—2015), 边坡安全系数标准受公路等级控制, 而京沪高速改扩建工程是重要的枢纽性工程, 若这些边坡失稳, 将直接影响京沪高速的正常运营。根据上述条件, 划分目标边坡在施工期间安全系数范围, 结果见表 16。各边坡在不同施工阶段下的安全系数见图 4。
安全系数范围 稳定状态 f < 1.00 不稳定 1.00≤f < 1.05 欠稳定 1.05≤f < 1.3 基本稳定 f≥1.3 稳定 由图 4可知: 以边坡K498+870~K499+200为例, 在开挖五级边坡时, 安全系数为1.713, 处于稳定状态。随着开挖的进行, 边坡安全系数逐渐下降, 在开挖一级边坡时, 边坡安全系数降至1.260, 边坡处于基本稳定状态。结合现场情况来看, 开挖区域上部存在强风化与中风化灰岩层分界, 并且未及时做到放坡处理措施, 且由于一级开挖过程中土体的卸荷回弹效应, 导致该边坡在开挖过程中稳定性出现了下降, 不过边坡整体稳定。施工过程中边坡K503+585~K504+018、K551+714~K552+115、K565+914~K566+300情况与边坡K498+870~K499+200情况类似。
由图 4还可知: 开挖5级边坡时, 边坡K593+260~K593+555的安全系数为1.55, 处于稳定状态; 开挖四级边坡时, 边坡安全系数不变, 其原因是开挖的进行虽会扰动原坡体, 但四级开挖降低了原边坡自重, 两者相互抵消使安全系数维持稳定; 三级边坡开挖后, 边坡安全系数降至1.01, 降低幅度达34.8%, 边坡由稳定状态进入欠稳定状态, 地质资料显示在三级边坡开挖区域存在强风化岩层和中风化岩层的分界面, 该区域的开挖对边坡整体稳定性影响明显; 二级开挖后边坡安全系数小幅提升, 但边坡安全状态不变; 一级开挖后, 边坡安全系数再次降低至1.00, 降低幅度达9.1%, 边坡进入欠稳定状态, 其原因可能是边坡K593+260~K593+555为缓倾顺层岩质边坡, 边坡开挖使岩层出现沿结构面滑动的趋势, 与上述安全评价结果基本吻合。
3.2 静力爆破
3.2.1 模型建立
根据前文结果, 机械开挖状态下边坡K593+260~K593+555失稳, 本节分析该边坡在静力爆破状态下的安全性。采用离散元软件建立2D模型, 边界条件和3.1.1节相同, 模型网格划分如图 5所示。
孔径/mm 90 排距/m 3.5 炮孔台阶高度/m 12 炸药消耗量/(kg·m-3) 0.20 超深/m 1 单孔药量/kg 38 孔深/m 13 填塞长度/m 4.5 底盘抵抗线/m 4 爆破孔数/m 38 炮孔密集系数/m 1 爆破总药量/kg 7 000 确定合理的动荷载时程曲线是模型计算关键, 这里采用式(13)~(16)确定。
式中: D(t)为t时刻爆破动荷载; G为孔壁压力; S为荷载常量; ρ为炸药密度, 本文取1 300 kg·m-3; V为爆炸速度, 本文取3 600 m·s-1; μ为等熵指数, 本文取3;d0为装药直径, 本文取70 mm; d1为炮孔直径, 本文取90 mm; T为爆破荷载上升时间; L为装药长度, 本文取7.5 m。
经计算, G=466.2 MPa, S=470, T=2.083×10-3 s。
3.2.2 计算结果
采用非线性时程+三维边坡稳定分析法分析边坡稳定性, 各炮孔引爆后边坡安全系数变化曲线见图 6, 可知: 4处炮孔爆破边坡安全系数变化规律一致, 每一次爆破呈波动缓慢增加趋势, 总体呈周期性递减变化; 爆破开始时, 边坡的安全系数为1.19;5~10 ms内, 由于突然出现的爆破动荷载使安全系数显著降低, 降低至1.10;10~75 ms内, 随着爆破动荷载的减弱, 荷载累计效应逐渐消散, 边坡安全系数逐步回升, 平均回升幅度为3.6%。随后的第2~4次爆破, 边坡安全系数呈周期性变化, 但始终处于欠稳定状态, 与前文安全评价结果基本吻合。
3.3 工程建议
综合分析熵权-灰关联法安全评价模型和数值模拟结果, 对京沪高速改扩建工程岩质高边坡施工提出以下建议。
(1) 边坡K498+870~K499+200、K503+585~K504+018、K551+714~K552+115与K565+914~K566+300在整个开挖过程中的最小安全系数分别为1.26、1.58、2.38、1.60, 边坡处于稳定状态。但在开挖不同级边坡时稳定性会出现变化, 施工时要做好石方开挖与支档加固工作, 开挖一级, 加固防护一级, 工序应衔接紧凑, 避免超前开挖, 并在变化临界点加强监测、防护。
(2) 边坡K593+260~K593+555安全评价的结果为失稳, 且当开挖至三级边坡后, 平均安全系数仅为1.04。该边坡原防护形式为主动防护网结合客土喷播, 建议在一、二、三级边坡局部破碎岩体处采用锚杆混凝土框架防护, 并适当加密锚杆布置。
(3) 边坡稳定性在安全范围内, 采用有效的装药量可取得很好的爆破效果, 但由于安全系数较小, 建议在爆破施工过程中设3 m竹跳板、无缝钢管、平台截水沟等措施保证既有高速公路行车的安全。
4. 结语
(1) 本文介绍了边坡稳定性评价体系, 引入了边坡岩体质量评分、边坡开挖方法调整系数、结构面调整值、高度修正系数、结构面调整系数, 根据分级结果判断边坡的稳定性特征, 基于此分析了5处目标边坡和12处岩质边坡实例并作为后续评价模型的序列变量, 经验证该方法合理可行。
(2) 灰关联分析和熵权法的结合, 克服了以往工程地质类比法主观性过大的缺陷, 发挥了灰关联法小数据样本分析的优势, 并充分考虑各序列变量的指标熵权, 结果更加客观, 应用此模型对京沪高速改扩建工程沿线5处典型岩质边坡进行安全评价。
(3) 数值模拟结果表明, K498+870~K499+200等4处边坡开挖全过程的安全系数在1.3~3.0波动, 边坡整体稳定。而边坡K593+260~K593+555在开挖三级、一级边坡时安全系数降低幅度分别为34.8%和9.1%, 说明缓倾顺层岩质边坡的开挖会加速岩层沿结构面的下滑, 出现失稳。
(4)瞬时动荷载和荷载积累效应控制静力爆破条件下边坡的稳定性,不同炮孔引爆处边坡的稳定性均呈周期性递减变化,爆破施加的瞬时动荷载,使边坡安全系数由1.19骤降至1.10,荷载积累效应的消散使安全系数逐步回升。
-
表 1 边坡岩体质量分类
Table 1. Classification of slope rock masses
岩石单轴抗压强度 岩石质量指标 裂面间距 裂面特征 地下水 取值/MPa 评分 取值/% 评分 取值/cm 评分 状态 评分 状态 评分 < 25 0~2 < 25 0~5 < 6 < 5 软弱充填物厚度 > 5 mm或张开度 > 5 mm, 连续 < 8 涌水 0 25~50 2~5 25~50 5~10 6~20 5~8 光滑或充填物厚度 < 5 mm或张开 8~15 渗水 0~5 50~100 5~10 50~75 10~15 20~60 8~12 稍粗糙, 张开度 < 1 mm, 岩壁强风化 15~22 潮湿 5~8 100~250 10~13 75~90 15~18 60~200 12~15 稍粗糙, 张开度 < 1 mm, 岩壁微风化 22~28 湿润 8~11 > 250 13~15 90~100 18~20 > 200 15~20 很粗糙, 不连续, 未张开, 岩壁未风化 25~28 干燥 11~15 表 2 边坡结构面调整系数
Table 2. Structural surface adjustment coefficients of slope
结构面类型 断层、夹泥层 层面、贯通裂隙 节理 λ 1.0 0.8~0.9 0.7 表 3 结构面与边坡走向关系系数
Table 3. Relationship coefficients between structural surface and slope trend
平面滑动破坏模式边坡倾角/(°): α1-α2 > 30 30~20 20~10 10~5 < 5 倾倒破坏模式边坡倾角/(°): α1-α2-180° > 30 30~20 20~10 10~5 < 5 F1取值 0.15 0.40 0.70 0.85 1.00 表 4 破坏模式与结构面倾角关系系数
Table 4. Relationship coefficients between failure mode and structural surface inclination
平面滑动破坏模式结构面倾角/(°): β1 > 30 30~20 20~10 10~5 < 5 倾倒破坏模式结构面倾角/(°): β2 > 45 45~35 35~25 25~15 < 15 F2取值 0.15 0.40 0.70 0.85 1.00 表 5 结构面倾角与边坡倾角关系系数
Table 5. Relationship coefficients between structural surface inclination and slope inclination
平面滑动破坏模式结构面与边坡夹角/(°): β1-β2 > 10 10~0 0 0~-10 < -10 倾倒破坏模式结构面与边坡夹角/(°): β1+β2 < 110 110~120 > 120 - - F3取值 0 6 25 50 60 表 6 边坡开挖方法调整系数
Table 6. Adjustment coefficients of slope excavation method
开挖方法 欲裂爆破 静力爆破 机械开挖 欠缺爆破 M 10 8 0 -8 表 7 系统特征序列
Table 7. System characteristic sequences
序号 工程名称 结构面倾向 a λ R/100 F/60 M/20 稳定状态 1 新滩滑坡 顺倾 0.74 1.00 0.38 0.21 0.75 失稳 2 李家峡坝Ⅰ号滑坡 逆倾 0.71 1.00 0.42 0.13 0.75 失稳 3 李家峡坝Ⅱ号滑坡 顺倾 0.73 1.00 0.35 0.02 0.50 失稳 4 抚顺西露天矿人卷车边坡 顺倾 0.85 1.00 0.35 0.02 0.50 失稳 5 公伯峡电站古奉群滑坡 逆倾 0.65 0.80 0.41 1.00 0.75 稳定 6 天生桥二级电站后山边坡 逆倾 0.82 0.80 0.51 0.08 0.40 稳定 7 天生桥水电站溢洪道边坡 顺倾 0.84 0.80 0.62 0.14 0.40 稳定 8 小峡石坪台滑坡 顺倾 0.86 0.70 0.36 0.08 0.50 稳定 9 积石峡4号滑坡 散体结构 0.67 0.70 0.50 0.21 0.75 稳定 10 漫湾石料场边坡 块状结构 0.75 0.70 0.76 0.07 0.50 稳定 11 三峡升船机及临时船闸边坡 顺倾 0.73 0.80 0.42 0.12 0.75 失稳 12 白灰厂滑坡 顺倾 0.86 0.80 0.71 0.01 0.50 失稳 表 8 目标边坡参数
Table 8. Parameters of target slopes
目标边坡桩号 地质情况 坡高/m 可能破坏模式 结构面 坡面 倾向/(°) 倾角/(°) 倾向/(°) 倾角/(°) K498+870~K499+200 溶洞, 中、强风化石灰岩 38.0 倾倒滑动 240 70 49 53 K503+585~K504+018 碎石, 中、强风化石灰岩 41.0 平面滑动 235 71 235 53 K551+714~K552+115 残积土, 中、强风化石灰岩 39.7 倾倒破坏 0 53 30 45 K565+914~K566+300 残积土, 中、强风化石灰岩 45.2 倾倒滑动 45 16 222 45 K593+260~K593+555 残积土, 中、强风化石灰岩 40.7 平面滑动 76 10 239 45 表 9 目标边坡评价指标
Table 9. Evaluation indexes of target slopes
目标边坡桩号 a λ R F M K498+870~K499+200 1.48 1.00 64.60 3.25 0 K503+585~K504+018 1.41 0.85 58.50 2.76 0 K551+714~K552+115 1.44 0.90 56.50 3.75 0 K565+914~K566+300 1.33 0.80 51.80 1.25 0 K593+260~K593+555 1.42 0.70 53.00 1.35 0 表 10 量纲为1的目标边坡评价指标
Table 10. Dimensionless evaluation indexes of target slopes
目标边坡桩号 a λ R/100 F/60 M/20 K498+870~K499+200 1.48 1.00 0.65 0.05 0 K503+585~K504+018 1.41 0.85 0.59 0.05 0 K551+714~K552+115 1.44 0.90 0.57 0.06 0 K565+914~K566+300 1.33 0.80 0.52 0.02 0 K593+260~K593+555 1.42 0.70 0.53 0.02 0 表 11 岩质边坡相关因素序列
Table 11. Correlation factor sequences of rock slopes
序号 工程名称 γ0i(1) γ0i(2) γ0i(3) γ0i(4) γ0i(5) 1 新滩滑坡 0.84 1.00 0.48 0.70 0.33 2 李家峡坝Ⅰ号滑坡 0.81 0.87 0.56 0.86 0.41 3 李家峡坝Ⅱ号滑坡 0.84 0.96 0.51 0.92 0.43 4 抚顺西露天矿人卷车边坡 0.93 0.51 0.44 0.87 0.56 5 公伯峡电站古奉群滑坡 0.77 0.43 0.55 0.84 0.33 6 天生桥二级电站后山边坡 0.90 0.43 0.88 0.39 0.48 7 天生桥水电站溢洪道边坡 0.92 0.43 0.93 0.82 0.54 8 小峡石坪台滑坡 0.94 0.33 0.45 0.98 0.33 9 积石峡4号滑坡 0.79 0.33 0.84 0.70 0.27 10 漫湾石料场边坡 0.85 0.33 0.48 1.00 0.43 11 三峡升船机及临时船闸边坡 0.83 0.43 0.56 0.87 0.33 12 白灰厂滑坡 0.94 0.43 0.57 0.89 0.43 表 12 系统评价指标权重
Table 12. Weights of system evaluation indexes
参数 a λ R F M wv/% 20.5 15.6 30.6 18.4 14.9 表 13 加权关联度计算结果
Table 13. Calculation results of weighted correlations
序号 稳定状态 K498+870~K499+200 K503+585~K504+018 K551+714~K552+115 K565+914~K566+300 K593+260~K593+555 1 失稳 0.130 0.132 0.143 0.132 0.131 2 失稳 0.137 0.138 0.132 0.138 0.138 3 失稳 0.153 0.154 0.151 0.154 0.149 4 失稳 0.151 0.158 0.172 0.158 0.201 5 稳定 0.112 0.114 0.126 0.114 0.114 6 稳定 0.150 0.157 0.184 0.195 0.158 7 稳定 0.114 0.173 0.162 0.145 0.146 8 稳定 0.164 0.115 0.122 0.115 0.116 9 稳定 0.109 0.126 0.117 0.121 0.117 10 稳定 0.134 0.127 0.132 0.126 0.121 11 失稳 0.113 0.115 0.118 0.114 0.115 12 失稳 0.152 0.144 0.139 0.135 0.135 表 14 不同施工方法安全性评价结果
Table 14. Safety evaluation result under different construction methods
目标边坡桩号 机械开挖 静力爆破 K498+870~K499+200 稳定 稳定 K503+585~K504+018 稳定 稳定 K551+714~K552+115 稳定 稳定 K565+914~K566+300 稳定 稳定 K593+260~K593+555 失稳 失稳 表 15 计算参数
Table 15. Computation parameters
参数 容重/(kN·m-3) c/kPa φ/(°) E/GPa 泊松比 强风化石灰岩 23.0 20 29 5 0.25 中风化石灰岩1 23.6 24 51 20 0.20 中风化石灰岩2 24.2 26 45 25 0.20 结构面 - 100 30 - - 表 16 边坡安全系数范围划分
Table 16. Range division of slope safety coefficient
安全系数范围 稳定状态 f < 1.00 不稳定 1.00≤f < 1.05 欠稳定 1.05≤f < 1.3 基本稳定 f≥1.3 稳定 表 17 爆破关键参数
Table 17. Key parameters of blasting
孔径/mm 90 排距/m 3.5 炮孔台阶高度/m 12 炸药消耗量/(kg·m-3) 0.20 超深/m 1 单孔药量/kg 38 孔深/m 13 填塞长度/m 4.5 底盘抵抗线/m 4 爆破孔数/m 38 炮孔密集系数/m 1 爆破总药量/kg 7 000 -
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