填方邊坡變形機制研究

徐 聰，胡新麗，沙 玉，黃凱湘，吳丹丹

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

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填方邊坡變形機制研究

徐 聰1，胡新麗1，沙 玉2，黃凱湘1，吳丹丹1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

在對西南地區(qū)某800 kV換流站填方邊坡現(xiàn)場進行工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過對經(jīng)過先期治理但仍發(fā)生變形的填方邊坡的變形特征和監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，總結(jié)邊坡穩(wěn)定性影響因素，并結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬對邊坡變形破壞機制進行了研究。結(jié)果表明：該填方邊坡破壞模式為整體滑移破壞，導(dǎo)致邊坡經(jīng)過治理但仍發(fā)生變形的主要誘因是強降雨，但邊坡的前期治理設(shè)計也存在不足；由于降雨導(dǎo)致邊坡重度增大，底部強風(fēng)化泥巖軟化，填土抗剪強度降低，在邊坡內(nèi)形成貫通的滑動面，滑動面繞過加筋土擋土墻的加筋帶，邊坡順著強風(fēng)化層從軟化的坡腳剪出；位移監(jiān)測顯示邊坡處于加速變形階段；邊坡應(yīng)急治理措施應(yīng)重點放在控制邊坡繼續(xù)沿軟弱面的滑移變形上，并加強坡體排水，該邊坡變形控制的治理方案對同類工程的設(shè)計與應(yīng)急治理具有一定的參考價值。

填方邊坡；變形機制；數(shù)值模擬

近年來我國電力行業(yè)迅速發(fā)展，越來越多的電網(wǎng)工程修建在山區(qū)，高填方、挖方邊坡在電網(wǎng)工程建設(shè)中遇到的問題也越來越多[1-3]。由于高填方、挖方邊坡所處的工程地質(zhì)條件復(fù)雜，再加上一些不利的外部因素的影響，會使一些填方邊坡在回填后出現(xiàn)較大變形，其穩(wěn)定性往往得不到保證。而電網(wǎng)工程邊坡一旦失穩(wěn)，將直接威脅到站內(nèi)電力設(shè)施和工作人員的安全，造成巨大經(jīng)濟損失，因此山區(qū)電站填方邊坡的變形和穩(wěn)定性及其防治問題的研究必須引起高度重視。本文以西南地區(qū)某800 kV換流站填方邊坡為例，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬[4-7]分析了經(jīng)過先期治理但仍發(fā)生變形的填方邊坡的變形破壞機制，并制定了基于變形控制的治理方案，方案實施后取得了較好的效果。

1 填方邊坡概況

本文所研究的填方邊坡地處西南地區(qū)某800 kV換流站西南角“丫”狀沖溝的匯水區(qū)，溝谷呈寬闊“U”形，谷底寬20～50 m，沖溝內(nèi)多種植水稻,沖溝兩側(cè)為丘崗環(huán)繞，丘頂多呈渾圓狀。場地地層結(jié)構(gòu)較為簡單，上部為人工填土，厚度為2～16 m；下部為厚度約1～2 m的粉質(zhì)黏土，呈軟塑狀態(tài)；基巖為泥巖，分為兩層，上層為厚度1.5～2 m的強風(fēng)化層，下部為穩(wěn)定連續(xù)分布的中風(fēng)化層，巖層產(chǎn)狀為120°∠10～15°。基巖巖質(zhì)較軟，遇水易軟化，暴露于空氣中易崩解。場地地下水主要為第四系松散土類孔隙潛水和基巖裂隙水，場區(qū)無統(tǒng)一穩(wěn)定水位面，主要受地形的控制，地下水水量較豐富，受降雨影響其水位變化較大。

該填方邊坡是某800 kV換流站場區(qū)DE段，長約72 m。該段填方邊坡原始設(shè)計方案為自然放坡+加筋土擋土墻處理，最大坡高為18.0 m，最高處分三級放坡處理：第一級(自坡頂起算)坡高8.0 m，采用自然放坡，坡比為1∶1.75；第二級坡高8.0 m，采用加筋土擋土墻，擋土墻坡比為1∶0.25；第三級坡采用加筋土擋土墻，擋土墻坡比為1∶0.25。每兩級之間設(shè)寬2 m的馬道，坡肩采用隔水硬化處理，馬道采用素土覆蓋夯實，自然放坡坡面采用2.5 m×2.5 m間距菱形漿砌塊石格構(gòu)護坡，格構(gòu)間采用土工格柵網(wǎng)(NF植基網(wǎng))鋪面植草；加筋土擋土墻采用生態(tài)袋護面；坡腳設(shè)排水溝，將其他段截水、排水統(tǒng)一排泄到自然沖溝內(nèi)；邊坡地基采用CFG樁進行處理，詳見圖1。

2 邊坡變形破壞特征分析

2.1 邊坡變形破壞特征

邊坡自坡頂?shù)狡履_均有不同程度的變形，如圖2所示。邊坡后緣站區(qū)內(nèi)距圍墻15 m處出現(xiàn)長44 m、寬2 cm的拉裂縫[見圖2(a)]；坡頂圍墻出現(xiàn)明顯的對稱“八字形”裂縫[見圖2(b)、(c)]，裂縫與地面夾角約35°～45°，裂縫長約3～5 m、寬1～2 cm；坡面漿砌塊石格構(gòu)有明顯鼓脹開裂現(xiàn)象，裂縫寬約2～3 cm[見圖2(d)]；坡體南端一側(cè)有整體垮塌趨勢；加筋土擋土墻上部馬道與土工格柵植草連接處的格構(gòu)梁產(chǎn)生裂縫并向外傾斜；加筋土擋土墻有向外的水平變形；坡腳護腳墻出現(xiàn)彎曲變形和裂縫。

2.2 邊坡變形監(jiān)測分析

自邊坡施工完工后在邊坡上布置了地表變形為主的監(jiān)測系統(tǒng)，控制邊坡的整體變形。地表位移主要利用高精度全站儀，采用極坐標法進行監(jiān)測，監(jiān)測點分別設(shè)置在坡肩、馬道和坡腳處，編號為J01、J02、J03、J04，如圖1所示。2013年2月25日至8月25日監(jiān)測點J01、J02、J03、J04的累計水平位移、累計沉降位移和降雨量隨時間的變化曲線見圖3。

由圖3可以看出：2013年3月1日至3月20日，邊坡的累計水平位移變化較小,2013年3月20日至4月5日，邊坡的累計水平位移增大到10 mm，期間降雨量從40 mm增加到70 mm，2013年4月5日至6月18日邊坡的累計水平位移曲線較平穩(wěn)，保持在10 mm左右;2013年3月到6月中旬邊坡的累計沉降位移曲線較平緩。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以判斷該段時間內(nèi)降雨量不大，邊坡處于較穩(wěn)定狀態(tài)。2013年6月20日開始持續(xù)降雨，到2013年7月20日總降雨量從55 mm增加到122 mm，累計水平位移和累計沉降位移持續(xù)增大。其中，坡腳J02監(jiān)測點累計水平位移從10 mm增大到82 mm，水平位移增量達72 mm；坡腳護腳墻監(jiān)測點J01和馬道上J03監(jiān)測點累計水平位移也增大到50 mm左右，水平位移增量達40 mm;馬道上J03監(jiān)測點累計沉降位移最大，沉降位移增量達50 mm，其他監(jiān)測點沉降位移增量均在5～20 mm之間；坡肩位移監(jiān)測數(shù)據(jù)較少，累計水平位移變化不大，但出現(xiàn)了15 mm的沉降變形。上述監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，邊坡變形是強降雨導(dǎo)致，降雨量增多，邊坡變形急劇增加。

3 邊坡變形破壞機制

3.1 邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

引起該填方邊坡經(jīng)治理加固后仍出現(xiàn)較大變形的主要外因是大量降雨和人為破壞坡腳。該邊坡地處場地“丫”型沖溝的匯水區(qū)，場區(qū)內(nèi)地表水往此處匯集,雨水入滲使地下水水位抬升，加上邊坡排水不暢，邊坡巖土體長期處于飽水狀態(tài)，導(dǎo)致其重度增大、抗剪強度降低。此外，坡腳護腳墻外就是魚塘和水田，坡腳在水的長期浸泡下，CFG樁復(fù)合地基土體發(fā)生軟化，其強度降低。

影響邊坡穩(wěn)定性的內(nèi)因是不良的工程地質(zhì)條件、土體自身的性質(zhì)和加固結(jié)構(gòu)的強度。邊坡填土的密實度及均勻性存在各向異性，并有濕陷性、低強度、高壓縮性等性質(zhì)[8]，其物理力學(xué)性質(zhì)對邊坡穩(wěn)定性起重要作用。由于該邊坡底部基巖上覆一層強風(fēng)化泥巖，強度極差，在地下水的作用下發(fā)生軟化易形成滑動面；同時加固設(shè)施的強度無法滿足要求，加固結(jié)構(gòu)自身也將會產(chǎn)生變形破壞。

3.2 邊坡變形破壞機制分析

已有研究表明，邊坡的變形分為以下三個階段[9-10]：①整體滑移初始變形階段，在自重作用下，邊坡發(fā)生較小的變形以滿足自身的穩(wěn)定，變形曲線斜率增大，隨著時間的延續(xù)而逐漸平緩；②整體滑移等速變形階段，邊坡的變形速率較小，變形曲線非常平緩，幾乎保持不變，降雨等因素作用下會有較小波動；③整體滑移加速變形階段，邊坡變形速率持續(xù)增長，變形曲線趨于陡立。

據(jù)此并結(jié)合前述對邊坡變形、位移監(jiān)測數(shù)據(jù)和邊坡穩(wěn)定性影響因素的分析，判斷該邊坡處于整體滑移破壞的加速變形階段。由于該邊坡排水不暢，大量的降雨使邊坡土體飽水，強度參數(shù)急劇減小，邊坡填土內(nèi)產(chǎn)生圓弧滑動面，邊坡易沿著加筋土擋土墻底部軟化的強風(fēng)化泥巖發(fā)生滑動，從坡腳剪出，形成貫通的滑動面，造成邊坡整體下滑，從而使站區(qū)內(nèi)地面產(chǎn)生拉裂縫，坡頂圍墻出現(xiàn)裂紋，且暴雨作用下邊坡局部發(fā)生較大變形使?jié){砌塊石格構(gòu)出現(xiàn)裂縫。而邊坡沉降變形是由于降雨使得土體重度增大，填土和加筋土擋土墻的土體發(fā)生壓縮變形造成的。

3.3 邊坡變形破壞機制的FLAC3D數(shù)值模擬

為了進一步探究邊坡發(fā)生變形的原因，在上述定性分析的基礎(chǔ)上，本文采用FLAC3D[11-13]建立了邊坡計算模型(見圖4)，模擬暴雨工況下該邊坡的變形破壞情況。模型在與實際邊坡相應(yīng)的位置處同樣設(shè)置了位移監(jiān)測點。

在暴雨工況下，由于邊坡沒有進行地下水水位監(jiān)測，降雨入滲影響深度無法準確判斷。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查得知，降暴雨時邊坡底部護腳墻上排水孔出水量較大，判斷雨水滲入整個坡體，中風(fēng)化泥巖以上考慮為飽水狀態(tài)。因此數(shù)值模擬中除中風(fēng)化泥巖采用天然參數(shù)外，其余均采用飽和參數(shù)。經(jīng)充分考慮巖土體介質(zhì)特性和結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果并參考與該邊坡類似工程地質(zhì)條件的巖土體物理力學(xué)參數(shù)，對邊坡各巖土體介質(zhì)材料的物理力學(xué)參數(shù)進行賦值，見表1。

表1 邊坡各巖土體介質(zhì)材料的物理力學(xué)參數(shù)

邊坡變形數(shù)值模擬曲線見圖5。由圖5可知， J01和J02監(jiān)測點水平位移最大，最終破壞時水平位移達237 mm左右，而J04監(jiān)測點沉降位移最大(200 mm)，J03監(jiān)測點其次(75 mm)。將數(shù)值模擬監(jiān)測結(jié)果與實際結(jié)果進行對比可見，坡腳水平位移最大(J01和J02監(jiān)測點)，沉降位移由于坡頂實際監(jiān)測時間較短難以比較，其余監(jiān)測點數(shù)值模擬結(jié)果與實際變形趨勢基本一致。由于實際邊坡仍處于變形破壞中，其位移量小于模擬的最終結(jié)果。由此可見，數(shù)值模擬結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果比較吻合，表明數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

上述數(shù)值模擬結(jié)果表明，邊坡的填筑體與基巖之間的強風(fēng)化泥巖帶控制了邊坡滑動面的形成。此外，由邊坡剪切應(yīng)變增量云圖(見圖6)可以看出，邊坡存在一個相對貫通的剪應(yīng)變增量集中帶，集中帶從邊坡的后緣開始，繞過了加筋土擋土墻的加筋帶，沿著基伏面上的軟弱帶，并穿過了CFG樁加固區(qū)，從邊坡坡腳穿出。由邊坡的位移等值線圖(見圖7)可知，邊坡深部位移較大，最大位移出現(xiàn)在強風(fēng)化泥巖帶上，其剪切應(yīng)變增量云圖也表明邊坡深部剪切應(yīng)變較大，最大剪切應(yīng)變增量也出現(xiàn)在強風(fēng)化泥巖帶，說明由于強降雨導(dǎo)致邊坡整體重度增大而抗剪強度降低，邊坡沿基伏面上的強風(fēng)化泥巖帶發(fā)生整體滑動，并從坡腳剪出。由此可見，其數(shù)值模擬結(jié)果與定性分析結(jié)論一致。

通過數(shù)值模擬可知，強降雨是導(dǎo)致邊坡變形破壞的主要誘因，但該邊坡前期的設(shè)計中也存在如下不足：

(1) 排水措施設(shè)計不合理。該邊坡只在護腳墻上布置了一排排水孔，加筋土、填土內(nèi)和坡表的水無法及時排走。

(2) 加筋的長度不夠。邊坡的滑動面較深，加筋帶沒有穿過滑動面，導(dǎo)致加筋土擋土墻沒有起到抗滑的作用。

(3) 坡腳加固措施設(shè)計不合理。坡腳僅用護腳墻處理，無法防止邊坡發(fā)生整體滑移。

4 應(yīng)急治理對策

通過上述定性定量分析及已有邊坡治理研究[14-16]調(diào)研，該邊坡的應(yīng)急治理重點應(yīng)放在如下幾個方面：

(1) 重點對坡腳進行處理，布置一排抗滑樁，抗滑樁底部嵌入中風(fēng)化泥巖，防止邊坡繼續(xù)沿軟弱巖層產(chǎn)生滑移變形。

(2) 暴雨和匯水是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，建立完善的導(dǎo)排水系統(tǒng)，保證能夠及時將雨水排出坡體外。

(3) 加強坡面支護，坡表換為鋼筋混凝土格構(gòu)錨，防止發(fā)生局部變形。

邊坡應(yīng)急治理設(shè)計方案如圖8所示。治理措施實施后，該邊坡變形得到了有效的控制，目前邊坡穩(wěn)定性較好。

5 結(jié) 論

(1) 該換流站填方邊坡填土的強度和填筑體底部的強風(fēng)化泥巖帶對邊坡的穩(wěn)定性起控制作用，在降雨、前期設(shè)計存在不足等因素的影響下，使邊坡發(fā)生整體滑移破壞。

(2) 該填方邊坡處于整體滑移破壞的加速變形階段。在強降雨作用下，邊坡土體重度增大，強風(fēng)化泥巖軟化和填土抗剪強度降低，從而形成貫通的剪切滑動面，滑動面繞過了加筋土擋土墻的加筋帶，邊坡順著強風(fēng)化層從軟化的坡腳剪出。

(3) 該邊坡的應(yīng)急治理必須重點控制邊坡沿軟弱面的滑移變形，并局部進行加固治理，同時加強坡體排水工作。該應(yīng)急治理方案可以滿足邊坡穩(wěn)定性要求，對同類工程的設(shè)計與應(yīng)急治理具有一定的參考價值。

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通訊作者：胡新麗(1968—)，女，博士，教授，主要從事巖土工程穩(wěn)定性評價、地質(zhì)災(zāi)害防治等方面的研究。E-mail: huxinli@cug.edu.cn

Study on Deformation Mechanism of a Fill Slope

XU Cong1,HU Xinli1,SHA Yu2,HUANG Kaixiang1,WU Dandan1

(1.FacultyofEngineering，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430074，China；2.ChengduEngineeringCorporationLimited,PowerChina，Chengdu610072，China)

Investigating the engineering geological condition of a fill slope of a 800kV Convertor Station,this paper analyzes the deformation features and monitoring data of the fill slope,which has been reinforced.By using FLAC3Dnumerical method,the paper also discusses the influence factor of the slope deformation and the deformation mechanism.The results show that the failure mode of the slope is sliding as a whole.Heavy rainfall is the main factor which causes the deformation of the fill slope and the previous design is inadequate to some extent.Under the effect of rain,the density of the soil in the slope increases and the heavily weathered mud stone at the bottom becomes soft.The shear strength of the filled earth decreases obviously.These changes make the sliding surface go around reinforced earth retaining wall and cut out from the soft slope toe along the weathered zone.Displacement monitoring indicates that the slope is in the accelerated deformation stage.The emergency control design should focus on restraining the deformation on the heavily weathered zone and enhance the drainage in the slope.This project provides a reference for the future engineering design.

fill slope；deformation mechanism；numerical modeling

李長冬(1981—)，男，博士，副教授，主要從事巖土體穩(wěn)定性評價與地質(zhì)災(zāi)害防治方法方面的研究與教學(xué)工作。E-mail：lichangdong2008@126.com

1671-1556(2015)01-0039-06

2014-05-19

2014-11-25

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”計劃)項目 (2011CB710600)；國家自然科學(xué)基金項目(41272305)

徐 聰(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為巖土工程。E-mail：xuc0928@gmail.com

X45；P642

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.01.007