傳遞系數(shù)法在金沙江岸坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

(四川君信工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司，成都，610091)

圖1 堤防工程沿線地勢影像

1 研究背景

某擬建堤防工程位于宜賓市安邊鎮(zhèn)金沙江干流下游，距上游的向家壩水電站壩址約3.50km。堤防工程區(qū)總體上為河流侵蝕堆積及構(gòu)造剝蝕地貌。地形北高南低，最高點(diǎn)位于豆壩村西北側(cè)的不當(dāng)巖村長沖灣，高程約680.0m，最低點(diǎn)為金沙江河谷約245.0m，相對高差約435m。主要地貌單元從北向南分別為中低山、階地、河漫灘、河床，部分地段地形坡度較陡，缺失階地。擬建堤防二標(biāo)段主要位于金沙江左岸Ⅰ級階地前緣或漫灘，僅局部為地形坡度較陡的基巖斜坡段。漫灘廣泛分布于工程區(qū)，緊臨金沙江，總體沿江呈南西至北東向展布，工程區(qū)內(nèi)主要分為兩段，即起點(diǎn)豆壩電廠至楊灣段和楊灣至烏木沱段。豆壩電廠至楊灣段灘面平緩，寬一般60m～220m，高程259.5m～274.5m，地勢較平緩，其中豆壩電廠至豆壩水泥廠段因砂石料開挖使灘面高低起伏不平；楊灣至烏木沱段岸坡上陡下緩，枯水位以上岸坡坡角一般25°～45°，枯水位以下一般小于10°。階地位于漫灘后緣，為河流堆積階地。階面高程一般280.0m～291.5m，寬度一般大于200m，地表坡度小于8°。受大溝、天心橋溝、新田灣溝、大溪溝、小溪溝等的切割，將階地平臺分成多塊，下切深度一般5m～14m。擬建堤防工程沿線影像見圖1。

由于當(dāng)?shù)亟?jīng)常出現(xiàn)特大暴雨和洪水，經(jīng)常出現(xiàn)金沙江水位陡然上升和驟降的工況，在岸坡土體內(nèi)動水壓力進(jìn)一步作用下，極易引發(fā)部分穩(wěn)定性較差的天然邊坡滑體產(chǎn)生塌滑，同時(shí)也將造成岸坡線的局部調(diào)整。當(dāng)水位經(jīng)常變化時(shí)，岸坡地下水位也逐漸變化，岸坡巖、土體長期處于非飽和狀態(tài)，巖土體的抗剪強(qiáng)度逐漸降低，對天然岸坡的穩(wěn)定性具有非常不利影響[1-3]。因此，有必要對該工程區(qū)內(nèi)典型天然岸坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評估，對后期工程建設(shè)采取合理的滑坡治理措施提供參考。

2 工程地質(zhì)條件

該堤防工程區(qū)的基巖為侏羅系上沙溪廟組地層(J2s)：該地層主要由灰白、灰紫、暗紫色厚層至塊狀細(xì)—中粒砂巖、粉砂巖與暗紫、灰紫、紫紅色泥巖不等厚互層組成的多韻律層。單韻律層厚度變化較大，薄者10m～20m，厚層100m～200m，總厚789.7m～812.2m。該組的特點(diǎn)是多韻律，顏色暗；泥巖普遍含鈣質(zhì)或鈣質(zhì)結(jié)核、團(tuán)塊，及含黃綠色粉砂巖條帶或團(tuán)塊；砂巖具交錯(cuò)層理或斜層理，常見沖刷現(xiàn)象，底面不平整。砂巖層極不穩(wěn)定，呈凸鏡狀或分岔、尖滅、再現(xiàn)現(xiàn)象，并含砂巖、灰?guī)r、泥巖礫塊或凸鏡狀礫巖，具高嶺土化，粒度由下往上由粗變細(xì)。泥巖、泥質(zhì)砂巖網(wǎng)狀風(fēng)化裂隙發(fā)育，底部分布砂質(zhì)頁巖。工程區(qū)內(nèi)各類巖性分述如下：

(1)泥巖(Cr)：暗紫、紫紅色，主要礦物成分為粘土礦物，泥質(zhì)、粉砂質(zhì)泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，含少量灰綠色粉砂質(zhì)團(tuán)塊，夾少量極薄層砂巖。

(2)粉砂巖(St)：灰白、灰紫、暗紫色，主要礦物成分為長石、粘土礦物及云母等，粉砂質(zhì)、泥質(zhì)粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)。偶夾薄層砂巖條帶。

(3)砂巖(Ss)：灰白、灰紫色，主要礦物成分為長石、石英及云母等，中～細(xì)粒砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，鈣質(zhì)膠結(jié)。

(4)砂質(zhì)頁巖(Sb)：灰綠色，主要礦物成分為粘土礦物，以及石英、長石、云母等，泥質(zhì)、粉砂質(zhì)泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀，片理發(fā)育。該層未在二標(biāo)段鉆孔中揭露，僅分布于水牛巖上游側(cè)岸坡。

工程區(qū)位于石城山向斜的北翼。構(gòu)造線呈北東向展布。地層產(chǎn)狀：總體走向約30°，傾向112°～129°，傾角6°～11°；局部傾向NW(上游燒瓦沱至豆壩電廠段)，傾角一般小于9°。通過地質(zhì)調(diào)繪及地質(zhì)勘探：工程區(qū)內(nèi)未見斷層；泥巖裂隙不發(fā)育；強(qiáng)風(fēng)化巖體風(fēng)化微裂隙發(fā)育，發(fā)育無規(guī)律，延伸長度一般小于3m；粉砂巖、砂巖局部裂隙較發(fā)育。

在二標(biāo)段起點(diǎn)上游三塊石XQ40公路旁的巨厚層砂巖內(nèi)進(jìn)行裂隙統(tǒng)計(jì)，主要發(fā)育2組裂隙：第一組，走向70°～85°，傾向340°～355°，傾角60°～75°，裂隙微張～閉合，裂隙面較平直，未見充填，結(jié)合程度一般，貫通性較差，裂隙發(fā)育間距3.0m～5.0m，延伸長度10m～15m。第二組，走向275°～280°，傾向5°～10°，傾角72°，裂隙微張～閉合，裂隙面較平直，未見充填，結(jié)合程度一般，貫通性較差，裂隙發(fā)育間距4.0m～6.0m，延伸長度10m～15m，極少數(shù)>15m。砂巖巖體內(nèi)還偶發(fā)育走向20°的陡傾角裂隙，傾向110°，傾角73°，裂隙局部微張，裂隙面平直較粗糙，無充填，結(jié)合程度較好，貫通性差，裂隙發(fā)育間距大于10m/條，延伸長度5m～10m。工程區(qū)大地構(gòu)造屬新華夏系第三沉降帶四川盆地之西南，行跡以一系列北東—南西向的舒緩褶皺為主，近場區(qū)主要褶皺有宜賓背斜、田壩向斜、雙河背斜、高縣雙河背斜、蟠龍場向斜及青杠坪背斜等，主要發(fā)育斷裂有北東—南西向的華瑩山大斷裂和北西—南東向的峨眉—宜賓大斷裂。

3 傳遞系數(shù)法計(jì)算原理

目前，常用的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算主要有極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法[4-6]。傳統(tǒng)極限平衡法是根據(jù)作用于巖土體中潛在破壞面上塊體沿破壞面的抗剪力與該塊體沿破壞面的剪切力之比，求該塊體的穩(wěn)定性系數(shù)，此法理論推導(dǎo)嚴(yán)格，國內(nèi)相關(guān)邊坡規(guī)范建議也采用極限平衡法計(jì)算邊坡安全系數(shù)。傳統(tǒng)的極限平衡法包括瑞典法、簡化Janbu法、Bishop簡化法、嚴(yán)格Janbu法等，隨著極限平衡法的逐步發(fā)展，我國工程技術(shù)人員創(chuàng)造了一種實(shí)用滑坡穩(wěn)定分析方法——傳遞系數(shù)法[7，8]。該法相比傳統(tǒng)的圓弧法，適應(yīng)性更強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果也更加準(zhǔn)確，并且能夠?yàn)榛轮卫硖峁┰O(shè)計(jì)推力。因此，在國家規(guī)范和行業(yè)規(guī)范中都將其列為推薦的計(jì)算方法。當(dāng)滑動面為折線形時(shí)，滑坡穩(wěn)定性分析可采用折線滑動法，而不僅限于圓弧滑動，傳遞系數(shù)法原理如下[9-11]：

圖2 傳遞系數(shù)法計(jì)算簡圖

第i條塊的下滑力：

Ti=(Wi1+Wi2)sin θi+Dicos (αi-θi)

(1)

Ni=(Wi1+Wi2)cos θi+Disin (αi-θi)

(2)

第i塊的抗滑力：

Ri=((Wi1+Wi2)cos θi+Disin (αi-θi))tan φi+ciLi

(3)

條塊的天然重量、浮重量分別為：

計(jì)算滲透壓力Di，滲透壓力的幾何意義是：土條中飽浸水面積與水的重度及水力坡降i≈sin αi的乘積，其方向與水流方向一致，與水平向的夾角為αi。

Di=γWiVid

(4)

則Di=γWhWLisin αicos θi

(5)

式中：γW——水的容重(kN/m3)；

γ——巖土體的天然容重(kN/m3)；

γ′——巖土體的浮容重(kN/m3)；

Viu——第i計(jì)算條塊單位寬度巖土體的水位線以上的體積(m3/m)；

Vid——第i計(jì)算條塊單位寬度巖土體的水位線以下的體積(m3/m)；

Wi1——第i條塊水位線以上天然重量(kN/m)；

Wi2——第i條塊水位線以下的浮重度(kN/m)；

θi——第i計(jì)算條塊地面傾角(°)，反傾時(shí)取負(fù)值；

αi——第i計(jì)算條塊地下水流線平均傾角，一般情況下取侵潤線傾角與滑面傾角平均值(°)，反傾時(shí)取負(fù)值；

li——第i計(jì)算條塊滑動面長度(m)；

ci——第i計(jì)算條塊滑動面上巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；

φi——第i計(jì)算條塊滑帶土的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值(°)。

當(dāng)滑塊在水下時(shí)，不考慮滲透壓力，條塊的重量用浮容重即可。

圖3 水下條塊的水壓力計(jì)算

第i條塊的剩余下滑力Pi：

Pi=KTi-Ri-Pi-1Ψi-1

(6)

第1條塊：P1=KT1-R1

第2條塊：P2=(KT2-R2)+(KT1-R1)Ψ1

第3條塊：P3=(KT3-R3)+(KT2-R2)Ψ2+(KT1-R1)Ψ1Ψ2

第4條塊：P4=(KT4-R4)+(KT3-R3)Ψ3+(KT2-R2)Ψ2Ψ3+(KT1-R1)Ψ1Ψ2Ψ3

……

(7)

上式中的K為防治工程的最小安全系數(shù)，對不同級別的防治工程，依據(jù)不同的荷載組合確定防治工程的最小安全系數(shù)。

當(dāng)最后條塊的滑坡推力Pn=0，K即為滑坡穩(wěn)定性系數(shù)，用Fs表示。

(8)

(9)

式中，Ψi為推力傳遞系數(shù)，Ψi-1=cos (θi-1-θi)-sin (θi-1-θi)tan φi

(10)

4 計(jì)算條件設(shè)置及結(jié)果分析

由于工程區(qū)楊灣至烏木沱段岸坡以土質(zhì)岸坡為主，穩(wěn)定性差。該段岸坡總體以高程262.0m為界限，形成上陡下緩形態(tài)，上部為可塑狀粉質(zhì)粘土，中下部多為松散～稍密狀粉細(xì)砂，局部底部分布礫石或卵石，坡腳基巖淺埋。局部岸段因人類活動采砂，產(chǎn)生了塌岸，形成的陡坎高達(dá)2m～6m。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及勘探成果，選取坡度較陡、覆蓋層厚度較大、前緣土體常年浸水的39-39′、44-44′代表性剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

4.1 計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)各土層原位試驗(yàn)和室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)的參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，結(jié)合有關(guān)規(guī)程規(guī)范的規(guī)定，以參數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值為基準(zhǔn)，并類比地區(qū)經(jīng)驗(yàn)對部分參數(shù)進(jìn)行了修正，綜合確定計(jì)算參數(shù)。根據(jù)三峽庫區(qū)地災(zāi)治理勘察成果資料以及同類工程巖土體經(jīng)驗(yàn)，綜合確定岸坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)。確定岸坡土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)值時(shí)，一般以岸坡穩(wěn)定性的宏觀地質(zhì)判斷為前提。首先根據(jù)地質(zhì)勘察成果，進(jìn)行地質(zhì)判斷潛在滑帶位置、形態(tài)、土質(zhì)、可能滑面；根據(jù)滑坡現(xiàn)狀進(jìn)行反演分析得出的c、φ值驗(yàn)證；并參考類似工程的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等多方面分析對比，充分考慮滑坡目前所處的環(huán)境、狀態(tài)及地下水等誘發(fā)因素的影響。因此，根據(jù)本工程特點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)場鉆孔巖芯取樣和試驗(yàn)，綜合分析提出滑動面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及滑體的重度等計(jì)算參數(shù)，詳見表1。

表1岸坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

4.2 計(jì)算工況及荷載組合

本工程岸坡后緣有內(nèi)昆鐵路經(jīng)過，但對岸坡基本無影響，且無人類工程活動等其它動荷載，因此，在實(shí)際計(jì)算過程中只需要考慮土體自重?？紤]到擬建堤防工程區(qū)岸坡所處的地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及金沙江水位、暴雨對岸坡的影響，選取勘察期水位(即枯期水位)262.35m以及設(shè)計(jì)20年一遇洪水位284.6m為控制水位；選取20年一遇暴雨條件，并且滑動面選取飽和參數(shù)計(jì)算。根據(jù)國家地震局《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)，工程區(qū)位于Ⅶ度區(qū)，地震動峰值加速度值為0.1g，穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮地震荷載。參照《三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察技術(shù)要求》，根據(jù)上述條件選取4種典型工況進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，典型工況荷載組合見表2。

表2典型工況荷載組合及安全系數(shù)取值

4.3 計(jì)算結(jié)果及分析

采用傳遞系數(shù)法計(jì)算獲得的斷面39-39′、44-44′邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3，結(jié)果包含了表2中設(shè)置的4種工況。

表3金沙江滑移岸坡穩(wěn)定性計(jì)算成果

從表3的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可知，該擬建堤防工程區(qū)天然岸坡的現(xiàn)狀穩(wěn)定系數(shù)為1.211～1.221，即工況1(自重+地表荷載+勘察期間水位(枯期水位)262.35m)均大于臨界安全系數(shù)1，處于穩(wěn)定狀態(tài)。而其它工況下均為欠穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)，岸坡覆蓋層可能產(chǎn)生滑動。而根據(jù)地質(zhì)勘查資料顯示，該段防洪堤內(nèi)側(cè)多為填方，而填方體的穩(wěn)定將直接關(guān)系到建筑物基礎(chǔ)的穩(wěn)定，故在設(shè)計(jì)和施工過程中應(yīng)采取必要的工程防護(hù)措施，保證建筑物基礎(chǔ)及庫岸的穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文采用傳遞系數(shù)法對宜賓市金沙江某擬建堤防工程區(qū)內(nèi)的2個(gè)天然岸坡斷面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算考慮4種工況，合理地考慮了金沙江水位升降的影響，通過分析不同工況下岸坡的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，得到結(jié)論如下：在當(dāng)前枯水期的天然工況下，兩段岸坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.211～1.221，說明能基本保持自身穩(wěn)定；而在考慮了暴雨、水位驟降和地震工況下的兩段岸坡的穩(wěn)定系數(shù)基本都小于1，說明此時(shí)的岸坡不能維持自身穩(wěn)定，極有可能發(fā)生滑移或者垮塌，這是由于該地填方體較為松散造成的。因此，在后期防洪堤設(shè)計(jì)和施工過程中應(yīng)采取必要的工程防護(hù)措施，從而保證建筑物基礎(chǔ)及庫岸的穩(wěn)定。