考慮霧化雨條件下邊坡的穩(wěn)定性分析

，

(1.四川理工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，四川 自貢 643000；2.西南交通大學(xué) 巖土工程系，成都 610031)

1 研究思路

國內(nèi)外在地下水對邊坡的作用方面作了大量的研究[1]，主要有：Picarelli等[2]對地下水作用下的邊坡破壞機(jī)理進(jìn)行了研究；Uchida等[3]對地下水滲流的程度、范圍和速率進(jìn)行了分析；李文秀等[4]采用Fuzzy數(shù)學(xué)理論中的Fuzzy測度理論，對巖質(zhì)邊坡在地下水影響下的總體穩(wěn)定性進(jìn)行了預(yù)測；吳海艷等[5]將流固耦合理論引入邊坡的穩(wěn)定分析，提出了以位移和速率為標(biāo)準(zhǔn)的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)方法。同時(shí)，降雨入滲導(dǎo)致邊坡滑動(dòng)是一個(gè)極其復(fù)雜的物理力學(xué)過程，它涉及坡面徑流、滲流與應(yīng)力場耦合等問題[6-8]?？偨Y(jié)前人的研究成果不難發(fā)現(xiàn)，雖然有關(guān)地下水與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系方面取得了一定研究成果，但仍有2個(gè)基本問題需要解決：地下水作用下的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)方法及采用排水或加固措施后的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)方法。地下水作為一種敏感性因素，需要要用動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)來研究邊坡體內(nèi)的地下水作用，這樣才會更符合實(shí)際情況。

本文采用滲流理論，對霧化雨滲透作用下的錦屏水電站邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)態(tài)的評價(jià)。實(shí)際上，土的力學(xué)參數(shù)具有一定的隨機(jī)性及變異性，將土、荷載及計(jì)算模式都視為確定性的對象，得出的安全系數(shù)并不能全面客觀地反映邊坡的真實(shí)安全程度，可靠性分析是將有關(guān)參數(shù)作為非確定性對象，利用概率論及數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法研究邊坡的穩(wěn)定性，可以有效地解決上述問題。在此背景下，分析霧化雨入滲條件下邊坡失穩(wěn)機(jī)理與加固，探討變化規(guī)律，具有其理論和現(xiàn)實(shí)意義。

霧化雨入滲會降低巖石或土體的抗剪強(qiáng)度，使得邊坡地下水位和孔隙水壓力升高，因此需要對霧化雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響進(jìn)行研究分析。在錦屏水電站滑坡現(xiàn)場勘察、測試及室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值分析軟件SLIDE，通過模型邊界條件的改變來控制降雨入滲深度，并用滲流理論研究邊坡在不同降雨入滲深度下的水壓力和安全系數(shù)等方面的變化規(guī)律，并從多角度探討邊坡的穩(wěn)定性評價(jià)方法。

同時(shí)，有自由面的滲流計(jì)算是一個(gè)難點(diǎn)[8]，其主要方法主要分為變動(dòng)網(wǎng)格法和固定網(wǎng)格法，本文采用固定網(wǎng)格法，并考慮非飽和土的滲透性影響。

2 工程地質(zhì)條件及邊坡穩(wěn)定性分析方法

2.1 工程地質(zhì)條件

通過錦屏水電站泄洪霧化區(qū)左岸壩樁號1+340至1+580 m段覆蓋層的地質(zhì)調(diào)查和補(bǔ)充坑探揭示條件的編錄分析，該邊坡覆蓋層工程地質(zhì)條件如下。

該段覆蓋層的分布范圍：位于泄洪洞出口對岸山坡上，分布在高程1 710～1 860 m范圍內(nèi)，順河向厚度分布不均勻，坑探揭示在壩樁號1+400 m剖面上垂直厚度一般為5～6 m，在壩樁號1+450 m剖面上垂直厚度一般為3～4 m，在壩樁號1+500 m剖面上垂直厚度一般為4～5 m；隨高程降低，覆蓋層厚度也逐漸變薄，最厚部位位于動(dòng)防護(hù)網(wǎng)上下20 m高差范圍內(nèi)。

物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征：該段覆蓋層為第四系坡殘積體(Qdl及Qel)，其物質(zhì)組成為灰褐色含塊狀碎石土，結(jié)構(gòu)中密，塊狀碎石占40%～60%，塊徑一般5～20 cm，塊狀碎石巖性主要為板巖及少量砂巖，充填物為粉質(zhì)黏土。表層植物根系發(fā)育。下伏基巖為砂板巖和大理巖，巖層傾坡內(nèi)，產(chǎn)狀NE30°～40°/NW30°～40°。巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，基巖面起伏不平。

根據(jù)工程地質(zhì)條件勘察及反演分析，雨水作用下土體的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測定，碎石土排除雨水后其抗剪強(qiáng)度的c值不變，內(nèi)摩擦角提高2°。

表1 巖土體主要物理力學(xué)參數(shù)建議值表

2.2 滑面確定

邊坡的穩(wěn)定性評價(jià)除了安全系數(shù)的計(jì)算外，在很多情況下滑動(dòng)面并不確定，還需要對潛在危險(xiǎn)滑動(dòng)面進(jìn)行搜索。在一般的滑坡中，可以通過鉆孔和現(xiàn)場勘察的土層詳細(xì)資料確定大致的滑動(dòng)面位置。但對于本工程邊坡，由于基巖及覆蓋層的界面很長，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，且大都為局部破壞或崩塌，無法詳盡地知道各處滑動(dòng)面的位置。在這種情況下，如何對其最危險(xiǎn)滑動(dòng)面進(jìn)行搜索，從而提出合理、有效的治理方案，成為評價(jià)邊坡穩(wěn)定的一個(gè)首要問題。因此需要采用經(jīng)典極限平衡法、簡化畢肖普法、簡布法、修正的簡布法、斯賓塞法、Fellenius法擬定多種滑體形態(tài)確定多組滑裂面進(jìn)行穩(wěn)定分析，比較不同滑動(dòng)面條件下的穩(wěn)定狀況，從而確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的位置。

2.3 工況的考慮

影響邊坡穩(wěn)定性的作用可以分為自重作用、地下水作用、地震力作用和加固力作用，各種作用包括不同的基本組合和偶然組合。考慮不同的組合則形成了不同的邊坡設(shè)計(jì)狀況。根據(jù)《水電邊坡工程設(shè)計(jì)規(guī)范(征求意見稿)》，并結(jié)合本工程的實(shí)際情況，分析了邊坡在開挖后的穩(wěn)定性，共設(shè)計(jì)了2種不同的計(jì)算工況，即：

(1) 天然狀況，即只考慮自重；

(2) 自重+降雨；采用邊坡體孔隙水壓力系數(shù)為0.1進(jìn)行計(jì)算。

3 滲流穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算模型

選取壩樁號1+650 m典型剖面進(jìn)行了泄洪霧化雨作用下的滲流分析，計(jì)算模型如圖1所示，其中物質(zhì)1為基巖，物質(zhì)2為碎石土，碎石土的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，碎石土分布在高程1 705～1 825 m范圍之內(nèi)，基巖與碎石土接觸面長度為178.05 m；由潛在滑體碎石土高程1 825 m向左取45 m、高程1 705 m向下取65 m為有限元的計(jì)算分析邊界，不考慮邊界的位移和滲流，即邊界位移為0，滲透系數(shù)為0。

圖1 滲流計(jì)算模型

對于不可壓縮流體，根據(jù)水流的連續(xù)性條件和達(dá)西定律，當(dāng)滲透系數(shù)kx=kz=k時(shí)，測管水頭h滿足如下的微分方程：

(1)

其中，h=z+u/rw，為重力勢和壓力勢之和。

根據(jù)h的泛涵及變分，滲流能I(h)為

(2)

參考《泄洪霧化區(qū)左岸Ⅳ,Ⅵ號山梁及右岸猴子坡穩(wěn)定分析及加固設(shè)計(jì)研究專題報(bào)告》，按V級巖體較松弛的巖塊巖屑型確定覆蓋層的飽和滲透系數(shù)為0.72 m/h。壩1+650 m處的霧化雨強(qiáng)度如表2所示。

邊界條件：按照霧化雨強(qiáng)度設(shè)置覆蓋層表面滲流邊界為單位流量邊界，1 705 m高程以下為總水頭邊界(H=0)，通過設(shè)置極低的飽和滲透系數(shù)(K=2.80×10-8cm/s)以確保下部基巖為弱透水邊界。

表2 霧化雨強(qiáng)度隨高程變化情況表

其中：高程1 705 m以下為泄水區(qū)。

霧化雨滲流計(jì)算結(jié)束后，將水壓力計(jì)算結(jié)果耦合于二維剛體極限平衡法中，核算下圖2所示的各種潛在可能的滑面并計(jì)算滑體的安全系數(shù)。邊坡潛在可能的滑坡破壞模式為：覆蓋層發(fā)生沿碎石土與基巖接觸面的滑坡；覆蓋層邊坡可能發(fā)生內(nèi)部的折線形或圓弧形滑坡。經(jīng)過滑面搜索及安全系數(shù)的比較，滑面沿覆蓋層內(nèi)部折線形滑坡的安全系數(shù)最小(圖3)，限于篇幅本文僅給出折線形滑坡的安全系數(shù)分析結(jié)果。

圖2 各種潛在可能的滑面

圖3 霧化作用前邊坡穩(wěn)定性

3.2 計(jì)算結(jié)果

本文對坡體在霧化作用前和霧化雨作用1～5 d的水壓力及坡體穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，限于篇幅，本文給出了坡體在霧化雨作用1,2及5 d后的水壓力等值線及坡體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖(圖4，圖5)。圖3所示的滑體為穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果所擬定的最危險(xiǎn)滑塊，滑面為穿過覆蓋層邊坡內(nèi)部的折線形滑面，滑面處基巖與碎石土接觸面長度為81.72 m，分布在高程1 705～1 752.50 m范圍之內(nèi)，折線的起點(diǎn)位于高程1 705 m、頂點(diǎn)位于碎石土地表面高程1 771 m處。

圖4 霧化雨作用后水壓力等值線

圖5 霧化雨作用后穩(wěn)定性計(jì)算成果

圖3至圖5的計(jì)算結(jié)果表明：在霧化作用前，邊坡的安全系數(shù)為1.161，坡體穩(wěn)定性較好。霧化雨作用1 d后，坡體內(nèi)水位線約位于坡體下部1/3處，邊坡安全系數(shù)為1.069，相當(dāng)于自然邊坡暴雨工況(降雨量約720 mm)的穩(wěn)定性狀態(tài)。霧化雨作用2 d后，坡體下部水位線接近地表，坡體上部水位線位于坡體1/2高度處，邊坡安全系數(shù)為0.979，穩(wěn)定性低于臨界狀態(tài)，邊坡有失穩(wěn)可能。霧化雨作用3 d后，坡體下部水位線完全為地表面，坡體上部水位線位于坡體1/2高度以上，邊坡穩(wěn)定性較霧化2 d略有下降，為0.900，低于設(shè)計(jì)安全系數(shù)。上述結(jié)果表明，覆蓋層邊坡的穩(wěn)定性僅取決于下部坡體，由于霧化3 d后，坡體下部已達(dá)到完全飽和狀態(tài)，持續(xù)的霧化作用對坡體下部地下水位的改變不大，形成了穩(wěn)定水流，因此邊坡的安全系數(shù)也沒有太大變化，如霧化5 d后，邊坡的安全系數(shù)為0.851。

3.3 排水措施及支護(hù)力對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

穩(wěn)定性計(jì)算表明，工程邊坡最危險(xiǎn)的破壞模式是壩樁號1+650 m工程地質(zhì)剖面的“上部覆蓋層邊坡內(nèi)部折線形滑動(dòng)破壞”，考慮到霧化雨作用范圍的破壞機(jī)理是覆蓋層下部首先啟動(dòng)的牽引式滑移破壞，因此需要對下部坡體加強(qiáng)支護(hù)。以壩樁號1+650 m工程地質(zhì)剖面為反算剖面，以最危險(xiǎn)破壞模式求算支護(hù)力，按照自重工況安全系數(shù)大于1.15，暴雨工況安全系數(shù)大于1.05為目標(biāo)反算得到支護(hù)力，其他剖面安全系數(shù)自動(dòng)滿足要求。在最危險(xiǎn)的破壞模式下，反算支護(hù)力為585 kN/m，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算成果如表3所示(c=30 kPa，φ=28°)。

當(dāng)工程中考慮排水措施和坡面防水措施，霧化雨能夠得到有效疏干和減少入滲，則覆蓋層坡體的抗剪強(qiáng)度能夠得到提高，經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測定，其內(nèi)摩擦角提高2°，由此計(jì)算邊坡的支護(hù)力為325 kN/m，在最危險(xiǎn)的破壞模式下，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算成果如表3所示(c=30 kPa，φ=30°)。

表3 覆蓋層邊坡的穩(wěn)定性分析

上述計(jì)算成果表明，霧化雨是該處邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素，除對邊坡加強(qiáng)支護(hù)外，坡體內(nèi)排水也是減小霧化雨影響、提高邊坡穩(wěn)定性的有力措施，以下分析了排水措施對邊坡穩(wěn)定性的影響。

以滲流計(jì)算模型為原型，由于計(jì)算模型為二維模型，采用排水量等效原則布置排水孔(設(shè)計(jì)采用間排距3 m布置排水孔，二維計(jì)算中采用上下排距10 m布置排水孔)。排水孔處的水力邊界為水頭邊界(H=0)，以霧化雨作用5 d后的坡體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果表明，由于布置了排水孔，坡體內(nèi)僅排水孔之間的局部坡體部位有地下水存在，坡體內(nèi)地下水沒有連接成統(tǒng)一的水位。降雨5 d后，坡體達(dá)到了穩(wěn)定滲流階段，潛在失穩(wěn)范圍較未設(shè)置排水孔時(shí)有一定變化，相應(yīng)的邊坡安全系數(shù)為1.092，與前述計(jì)算結(jié)果比較可知，設(shè)置了排水孔后，即使是在長時(shí)間的霧化雨作用下，邊坡的穩(wěn)定性也較未設(shè)置排水孔時(shí)的邊坡安全系數(shù)0.851要高。

3.4 土性參數(shù)的概率特性對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

考慮到進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，傳統(tǒng)的安全系數(shù)已經(jīng)不能很準(zhǔn)確地表達(dá)邊坡發(fā)生破壞的概率，且未考慮到各主要參數(shù)的變異性對邊坡穩(wěn)定性的影響[9]，因此，在采用傳統(tǒng)的安全系數(shù)法分析上述覆蓋層邊坡的穩(wěn)定性分析后，還需采用可靠性設(shè)計(jì)方法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，即結(jié)合經(jīng)典極限平衡法、簡化畢肖普法、簡布法、修正的簡布法、斯賓塞法、Fellenius法和Monte-Carlo數(shù)值模擬方法，運(yùn)用土性參數(shù)的概率特性對邊坡穩(wěn)定性的影響[10-15]，并對2種方法的分析結(jié)果進(jìn)行比較分析。

對于邊坡的穩(wěn)定性問題，可根據(jù)巖土體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、破壞機(jī)理等，建立如下的狀態(tài)函數(shù)[15]:

K=F(x1,x2,…,xm) 。

(3)

式中：xi=(1,2，…，m)代表隨機(jī)變量，它們具有一定的分布特征(這些因素一般服從正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布)，其統(tǒng)計(jì)值己知。

T=T1+T2+…+TN;

(4)

(5)

設(shè)在N次試驗(yàn)中， 安全系數(shù)K≤1的次數(shù)為numfailed，則邊坡的破壞概率Pf為

(6)

當(dāng)邊坡的安全系數(shù)服從正態(tài)分布時(shí)，可靠指標(biāo)β為

(7)

式中：μFS為安全系數(shù)平均值；σFS為安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。

圖6 土性參數(shù)c與φ值的相關(guān)系數(shù)r對可靠度指標(biāo)的影響

分析結(jié)果表明：黏聚力變異系數(shù)δc、內(nèi)摩擦角變異系數(shù)δφ及容重變異系數(shù)δγ的變化對邊坡安全系數(shù)均值μFs的影響較小(表4)，但對邊坡可靠度指標(biāo)β的影響極為顯現(xiàn)，可靠度指標(biāo)β分別隨著δc，δφ，δγ的增大而逐漸減小，其中黏聚力變異系數(shù)δc及內(nèi)摩擦角變異系數(shù)δφ對邊坡可靠度指標(biāo)β的影響最為顯著，容重變異系數(shù)δγ的變化對邊坡可靠度指標(biāo)β的影響小了許多，當(dāng)δc，δφ，δγ分別增加50%，其它隨機(jī)變量值不變時(shí)，可靠度指標(biāo)β分別減少20.03%，21.96%，3.03%；土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)c與φ值的互相關(guān)性也會對邊坡穩(wěn)定性評價(jià)產(chǎn)生較大影響(圖6)，隨著抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c與φ之間的負(fù)相關(guān)性的增強(qiáng)，可靠度指標(biāo)β相應(yīng)增大。因此采用固定的土性參數(shù)來計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性不能全面地評價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，而土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)c,φ的變異性及其相關(guān)性是影響邊坡可靠指標(biāo)的一個(gè)極其重要的因素。

4 結(jié) 論

二維穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明：正常狀態(tài)下，覆蓋層邊坡的穩(wěn)定性較好，自重工況下安全系數(shù)可達(dá)1.166左右，暴雨工況為1.05左右。但是，在泄洪霧化條件下，由于霧化降雨對覆蓋層的降雨入滲作用，土體物理力學(xué)性狀、土體與基巖接觸面力學(xué)參數(shù)的惡化，該段覆蓋層穩(wěn)定性將變差。在暴雨工況下，邊坡安全系數(shù)接近1.0，在長期的霧化雨作用下，邊坡的安全系數(shù)最低為0.851。加之由于施工擾動(dòng)，邊坡的穩(wěn)定性會進(jìn)一步降低，可能發(fā)生土體滑坡。因此，需及時(shí)支護(hù)，以防止發(fā)生覆蓋層土體滑動(dòng)破壞。

采用排水、噴錨支護(hù)和下部錨索加固的綜合處置措施。排水孔有利于邊坡地下水的疏導(dǎo)，提高滑體抗剪強(qiáng)度，設(shè)置間排距3 m的排水孔后，在霧化雨長期作用下，邊坡的安全系數(shù)可達(dá)到1.092(β值1.70)，高于未設(shè)置排水孔時(shí)的安全系數(shù)(0.851)；同時(shí)，噴錨支護(hù)可減少霧化雨入滲、增強(qiáng)滑體整體性，錨索可提高整個(gè)滑體的抗滑力，經(jīng)綜合比較分析，單位寬度的滑體錨索支護(hù)力可采用400 kN/m。

巖土體黏聚力變異系數(shù)δc及內(nèi)摩擦角變異系數(shù)δφ對邊坡的安全系數(shù)均值μFs的影響較小，而對邊坡的可靠度指標(biāo)β的影響極為顯著，容重變異系數(shù)δγ的變化對邊坡可靠度指標(biāo)β的影響小了許多，當(dāng)δc,δφ,δγ分別增加50%，其它隨機(jī)變量值不變時(shí)，可靠度指標(biāo)β分別減少20.03%,21.96%,3.03%；土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)c,φ值的互相關(guān)性也會對邊坡穩(wěn)定性評價(jià)產(chǎn)生較大影響，隨著抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c與φ之間的負(fù)相關(guān)性的增強(qiáng)，可靠指標(biāo)相應(yīng)增大。因此采用固定的土性參數(shù)來計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性還不能全面地評價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)c,φ的變異性及其相關(guān)性是影響邊坡可靠度指標(biāo)的一個(gè)極其重要的因素。

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