Geo－Slope 在某填方邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

袁屹璋，鄧 輝，張 晉

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059）

0 引言

近年來邊坡穩(wěn)定性問題已成為巖土工程研究的基本問題之一，尤其是隨著眾多邊坡失穩(wěn)等自然災(zāi)害的發(fā)生，目前邊坡穩(wěn)定性分析已成為重要的研究方向［1－3］。某電廠擬建場地的自然標(biāo)高約160～218m，廠坪設(shè)計(jì)標(biāo)高為218m。長江三峽庫區(qū)水體位于場地的北東部，冬季最高水位175m，最低水位145m。廠區(qū)回填至平整標(biāo)高后，將在場地臨江一側(cè)形成長約2.5km，填方厚度約50～60m的填方邊坡，場區(qū)原始地形地貌屬剝蝕殘丘地貌和河谷階地地貌，沖溝發(fā)育，出露的地層主要是第四紀(jì)坡殘積、沖洪積松散覆蓋層以及侏羅系上統(tǒng)遂寧組粉砂巖及泥巖。該填方邊坡穩(wěn)定性問題將是影響電廠安全生產(chǎn)和運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。

1 氣象與水文條件

1.1 氣象

廠址所在區(qū)域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，其特點(diǎn)為：四季分明，冬暖夏熱，雨量充沛，無霜期長；年平均氣溫18.0℃；多年平均降雨量1 131.0mm，最大1日降雨量127.6mm，暴雨一般出現(xiàn)在4月—10月，最多為7月；年平均雷暴日數(shù)43次；多年平均風(fēng)速0.6m/s，10分鐘最大風(fēng)速14.3m/s，風(fēng)向 NE，極大風(fēng)速31.5m/s，風(fēng)向NNE；平均年霧日數(shù)62d，霜凍發(fā)生在11月至次年3月。

1.2 水文

廠區(qū)位于長江干流右岸。長江上游洪水發(fā)生的時(shí)間和地區(qū)分布與暴雨一致。長江上游洪水一般出現(xiàn)在6月—10月，以7月—8月為主要汛期，占全年徑流量的35%，占汛期總水量的48%，7月出現(xiàn)年最大洪峰流量的機(jī)會(huì)最多，在8月下旬前后洪水有所衰減，9月又稍有回升。

2 場區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

場地內(nèi)地形西南高，東北及北部低。場地內(nèi)地面標(biāo)高一般為150.0～220.0m，相對(duì)高差30.0～70.0m。山體坡向多為北西或北東向，坡角15°～40°；在場地北部及西南部地段，山脊與沖溝相間發(fā)育，沖溝走向多為北東、北西向，沖溝底標(biāo)高一般為150.0～200.0m。場地地貌分為2個(gè)地貌單元：剝蝕殘丘地貌和河谷階地地貌，另外還發(fā)育一些微地貌。

2.2 地層巖性

場地內(nèi)地層由2大部分構(gòu)成：第四系土層和侏羅系上統(tǒng)遂寧組（J3s）沉積巖。其中，第四系地層主要為第四系上更新統(tǒng)沖—洪積層（Qal＋pl3）的含卵礫石粉質(zhì)黏土，卵石、圓礫含量約15%～35%，成分雜亂，密實(shí)，卵石磨圓度好，粒徑一般為2～5cm。覆蓋層厚度最大達(dá)19.2m，地貌上為長江的Ⅱ級(jí)階地。場地內(nèi)基巖為侏羅系上統(tǒng)遂寧組沉積巖，主要為粉砂巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。巖性呈互層或夾層狀分布，層厚不等，傾向一般為280°～345°，傾角一般為4°～15°。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

擬建場地在區(qū)域上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)四川臺(tái)拗川東南褶皺束墊江拗褶帶內(nèi)，近區(qū)域位于珍溪向斜南東翼靠近軸部地段，根據(jù)測繪結(jié)果及前期資料，場地內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，無斷裂存在，構(gòu)造以節(jié)理裂隙及層理為主，走向NE、傾向SE向節(jié)理裂隙最發(fā)育。水平層理、交錯(cuò)層理發(fā)育、清晰，局部可見波痕、泥裂等原生構(gòu)造。

2.4 水文地質(zhì)條件

場地內(nèi)水文地質(zhì)條件比較簡單，最主要的地表水為長江三峽庫區(qū)水體，位于場地的北部、北東部。由于三峽庫區(qū)已開始正常蓄水，冬季最高水位175m，大部分沖溝將被江水淹沒，場地內(nèi)其余地段未發(fā)現(xiàn)大的地表水體、河流。

3 填方邊坡重點(diǎn)剖面穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 計(jì)算參數(shù)的選取

計(jì)算參數(shù)的選取通過對(duì)場區(qū)巖土體進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)合類似工程的參數(shù)取值，綜合考慮各項(xiàng)因素和指標(biāo)，場區(qū)涉及的各巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 填方邊坡計(jì)算巖土參數(shù)取值表

3.2 建立計(jì)算模型

根據(jù)場地勘察和鉆孔等地質(zhì)資料，圖切了23條穩(wěn)定性計(jì)算剖面作為填方邊坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面。本文選取其中1條地層巖性最具代表性的剖面作為研究對(duì)象，其工程地質(zhì)剖面圖見圖1，計(jì)算模型簡圖見圖2。

3.3 計(jì)算工況及安全系數(shù)

穩(wěn)定計(jì)算過程中考慮的工況主要包括以下6種：工況1：145m水位＋天然工況；工況2：145m水位＋持續(xù)降雨工況；工況3：145m水位＋地震工況；工況4：175m水位＋天然工況；工況5：175m水位＋持續(xù)降雨工況；工況6：175m水位＋地震工況。

計(jì)算過程對(duì)潛在滑移面的搜索分以下2種情況：一種是剪出口位于填方邊坡坡腳處；另一種是剪出口位于護(hù)岸邊坡部位。

圖1 填方邊坡工程地質(zhì)剖面圖

圖2 填方邊坡工程計(jì)算模型簡圖

計(jì)算過程中坡頂218平臺(tái)考慮20kPa的均布荷載。

邊坡的安全系數(shù)可以定義為總阻力與總下滑力之比［4］。結(jié)合本填方邊坡工程的重要性、規(guī)模以及失穩(wěn)可能構(gòu)成的威脅，本次設(shè)計(jì)過程中對(duì)填方邊坡的安全系數(shù)取值做如下要求：（1）持久工況（天然）：Ks≥1.5；（2）短暫工況（天然＋暴雨）：Ks≥1.3；（3）偶然工況（地震）：Ks≥1.1。

3.4 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果見表2。結(jié)果顯示當(dāng)將搜索剪出口指定為護(hù)岸邊坡時(shí)，邊坡在145m和175m水位下各工況的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果均能達(dá)到要求。而當(dāng)搜索剪出口指定為填方邊坡部分時(shí)，存在145m水位降雨和175m水位降雨2種工況穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果不能達(dá)到要求。軟件搜索滑動(dòng)面示意圖見圖3～4。

表2 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖3 145m水位滑面搜索示意圖

圖4 175m水位滑面搜索示意圖

綜上所述，該填方邊坡在降雨時(shí)存在滑動(dòng)的可能，剪出口位于填方體端部和護(hù)岸交界處。

4 防治工程及變形穩(wěn)定性復(fù)核

4.1 防治工程方案設(shè)計(jì)

由于該邊坡出露的軟弱土層主要是含卵礫石粉質(zhì)黏土，礫石含量約15%～35%，硬塑狀，厚度約20m。對(duì)于這類軟弱土層采用一般的地基處理措施往往難以達(dá)到良好效果，因此考慮對(duì)邊坡采用抗滑支擋措施。

方案設(shè)計(jì)為：抗滑樁支擋＋坡面菱形格構(gòu)防護(hù)＋植被綠化護(hù)坡＋坡面截排水。

根據(jù)穩(wěn)定性定量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行抗滑樁設(shè)計(jì)，通過進(jìn)一步計(jì)算得到抗滑樁設(shè)計(jì)荷載為450.26kN/m。根據(jù)設(shè)樁處橫縱剖面與推力綜合分析，在高程191.12m處布置一排抗滑樁，設(shè)計(jì)樁長24m，受荷段14.0m，錨固段10.0m，截面為1.5m×2.5m，橫向間距為5m。

4.2 邊坡變形穩(wěn)定性復(fù)核

變形穩(wěn)定性復(fù)核的目的是為了更好地分析填方邊坡防治方案的治理效果。有限元法是以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)的數(shù)值分析方法［5］，其計(jì)算通過SIGMA/W模塊完成，過程中以給剖面最不利工況（175m水位＋持續(xù)降雨）作為計(jì)算工況，計(jì)算結(jié)果見表3、圖4～5。

表3 剖面治理前后最大變形量對(duì)比

圖5 剖面治理前塑性區(qū)

圖6 剖面治理后塑性區(qū)

剖面的治理措施為抗滑樁。從剖面治理前后的計(jì)算結(jié)果（表3）我們可以看到，邊坡在經(jīng)過抗滑樁處理之后，水平變形和豎向變形均在布樁位置得到了有效的抑制；從圖4和圖5的對(duì)比中來看，治理前邊坡塑性區(qū)主要集中在填筑體邊坡端部與護(hù)岸邊坡相交處，治理后邊坡塑性區(qū)主要集中在了布樁處，抗滑樁工程有效地控制了填筑體前緣連續(xù)貫通型塑性破壞區(qū)的形成。

復(fù)核結(jié)果表明，防治工程對(duì)于提高剖面坡體穩(wěn)定性起到了較為顯著的作用。

5 結(jié)語

本文通過GEO－Slope中的SLOPE/W模塊的計(jì)算得知，該剖面在145m和175m水位持續(xù)降雨工況下的穩(wěn)定性計(jì)算不符合安全要求，進(jìn)而結(jié)合穩(wěn)定性計(jì)算的定量結(jié)果對(duì)該安全隱患進(jìn)行相應(yīng)的防治工程設(shè)計(jì)，之后運(yùn)用SIGMA/W模塊對(duì)邊坡變形穩(wěn)定性復(fù)核結(jié)果顯示，防治工程對(duì)于提高剖面坡體穩(wěn)定性起到了較為顯著的作用。

［1］秦凱旭，馮文凱，郎秋玲.GEO－Slope軟件在某滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中的應(yīng)用［J］.災(zāi)害學(xué)，2007，22（2）：21－24.

［2］劉奉銀，劉國棟，張瑞，等.GEO－Slope在工程應(yīng)用中豎向邊界取問題的探討［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2010（7）：76－78.

［3］李顯燕.基于GEO－Slope軟件對(duì)某高邊坡的穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)［J］.工程地質(zhì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010（1）：24－27.

［4］曾亞武，田偉明.邊坡穩(wěn)定性分析的有限元法與極限平衡法的結(jié)合［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（增2）：5355－5359.

［5］鄭濤，張玉燈，毛新生.基于GEO－Slope軟件的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2008，6（1）：6－8.