順層邊坡參數(shù)反演分析及工程實(shí)踐

萬(wàn)金彪 陳小松 向雄 鄒勇 潘朝

摘要：為解決在工程實(shí)施工程中遇到的順層滑坡抗滑參數(shù)難以選取問(wèn)題，以鄂北水資源配置工程楊樓隧洞出口左側(cè)順層邊坡滑坡為例，選取了剛體滑移一拉裂模型、極限平衡理論對(duì)其進(jìn)行反演分析，并對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行了篩選，得出滑面抗滑參數(shù)，并以此滑坡為實(shí)踐對(duì)象，依據(jù)滑面參數(shù)采取支護(hù)措施后，經(jīng)過(guò)8個(gè)月變形監(jiān)測(cè)，邊坡變形收斂，趨于穩(wěn)定，結(jié)果表明該抗剪參數(shù)取值方法簡(jiǎn)單可操作，且取值準(zhǔn)確、可靠，能滿足工程實(shí)踐需求。

關(guān)鍵詞：順層邊坡;抗滑參數(shù)選取;剛體滑移;拉裂模型;極限平衡理論;鄂北水資源配置工程

中圖法分類(lèi)號(hào)：TU457

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.08.005

1 研究背景

根據(jù)《邊坡與滑坡工程治理》…，邊坡是指一切由于工程建設(shè)而開(kāi)挖與填筑的斜坡體;而滑坡按其形成原因又分為自然滑坡以及工程滑坡。本文研究的順層巖質(zhì)邊坡屬于工程滑坡。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度增大以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，在工程領(lǐng)域中涉及到邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題也越來(lái)越多。為有效控制因邊坡失穩(wěn)造成的經(jīng)濟(jì)損失，有必要對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，并基于評(píng)價(jià)結(jié)論采取相應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理的工程措施。在邊坡穩(wěn)定性分析中，滑坡體黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ值的確定對(duì)分析結(jié)果準(zhǔn)確與否起決定性作用。目前確定邊坡與滑坡參數(shù)的方法主要有試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)法和反演法[2]。試驗(yàn)法包括室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)，雖然室內(nèi)試驗(yàn)有一定代表性，但其容易受取樣擾動(dòng)，不能完整反映巖土體情況，原位試驗(yàn)可靠，但成本較高，且不利于應(yīng)對(duì)一些緊急工況;經(jīng)驗(yàn)法參數(shù)獲取速度較快，但過(guò)于依賴工程師職業(yè)素養(yǎng)，且易受人為主觀影響;反演法兼顧參數(shù)取值的準(zhǔn)確性和即時(shí)性，在滑動(dòng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中得以普遍應(yīng)用。目前用于參數(shù)反演的方法主要有極限平衡法、反分析法等。

本文以鄂北水資源配制工程楊樓隧洞出口左側(cè)邊坡滑坡為例，采取基于極限平衡理論的參數(shù)反演分析方法，確定其抗剪參數(shù)取值，并依據(jù)參數(shù)結(jié)果，對(duì)邊坡支護(hù)提供依據(jù)。

2 工程概況

鄂北水資源配置工程楊樓隧洞出口位于襄陽(yáng)市棗陽(yáng)市興隆鎮(zhèn)楊家老莊附近?；挛挥跅顦撬矶闯隹谧蟀丁８鶕?jù)前期勘察以及現(xiàn)場(chǎng)踏勘，開(kāi)挖坡體揭示巖性自上而下分別為：①第四系中更新統(tǒng)（ Q2ydl）閻莊組黏土，具弱膨脹性，層厚3-4 m;②震旦一青白口系耀嶺河群（ （Qn-Z1）yl）鈉長(zhǎng)片巖，灰綠色，灰白色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，產(chǎn)狀為320°∠11°，在二級(jí)邊坡坡角處發(fā)育有產(chǎn)狀為220°∠17°泥質(zhì)夾層，外傾結(jié)構(gòu)面走向與邊坡夾角為24°，且含有內(nèi)傾結(jié)構(gòu)面，為順層邊坡。

該段基坑邊坡設(shè)計(jì)總高約22 m，分三級(jí)邊坡開(kāi)挖，中間設(shè)置馬道，三級(jí)邊坡坡率為1：1.5，坡高5.5 m;二級(jí)邊坡坡率為1：0.75，坡高6m;一級(jí)邊坡坡率為1：0.75，高9.5 m。當(dāng)開(kāi)挖至二級(jí)馬道時(shí)，邊坡沿外傾軟弱結(jié)構(gòu)面220°∠ 17°發(fā)生滑動(dòng)，隨后按坡率1：2對(duì)一級(jí)、二級(jí)邊坡進(jìn)行削坡減載，并在一級(jí)設(shè)置邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)。削坡完成后，邊坡并未保持穩(wěn)定，滑體仍沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生緩慢滑動(dòng)。

滑坡后緣錯(cuò)落高度0.5-1 m，前緣坡腳水平位移0.2-0.3 m，滑塌體寬約45 m，高12.84 m，坡面平均傾角25.6°，滑塌體后部出現(xiàn)數(shù)條裂縫（見(jiàn)圖1-2）。

初步判定滑坡原因如下：①判定分析邊坡巖體風(fēng)化嚴(yán)重，呈強(qiáng)風(fēng)化～全風(fēng)化，強(qiáng)度較低，巖體呈破碎狀，又因受外傾軟弱結(jié)構(gòu)面220°∠17°影響，與坡面傾向基本一致，裂隙面為泥化層，平直光滑，結(jié)合極差;②隨著二級(jí)邊坡開(kāi)挖完成，220°∠ 17°裂隙面上部巖體完全被切斷，臨坡一側(cè)開(kāi)始沿220°∠17°產(chǎn)生卸荷并發(fā)生蠕動(dòng)，隨著邊坡巖體變形積累，邊坡巖體向臨空面方向發(fā)生拉裂變形，在邊坡上部形成張裂縫，隨之后部巖土體出現(xiàn)新的臨空面，進(jìn)而又引出后部巖土體的拉裂變形，從而形成后緣多處大型張拉裂縫。

3 滑坡穩(wěn)定性方法選取及參數(shù)反演計(jì)算

3.1 滑坡穩(wěn)定性分析方法選取

目前用于邊坡與滑坡抗剪強(qiáng)度反演的方法主要有極限平衡法、傳遞系數(shù)法和位移反分析法等。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘查，本文針對(duì)楊樓隧洞出口滑坡滑移一拉裂破壞的特點(diǎn)[3]，以滑移一拉裂破壞模式下的順層滑坡為研究對(duì)象，采取基于極限平衡的剛體滑移模型，來(lái)反演此類(lèi)滑坡結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。邊坡主要剖面見(jiàn)圖3。

依據(jù)滑坡現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果，此滑坡可假定為剛體平面應(yīng)變問(wèn)題，則根據(jù)剛體滑移模型，在重力的作用下，單位寬度的滑體，其抗滑力（R）、滑動(dòng)力（T）以及安全系數(shù)（Fs）分別為

3.2 滑坡參數(shù)確定

3.2.1 穩(wěn)定系數(shù)確定

根據(jù)滑坡現(xiàn)場(chǎng)勘察和滑坡變形特點(diǎn)分析，并借鑒前人的研究成果[4]，結(jié)合表1來(lái)確定本文中滑坡的穩(wěn)定系數(shù)。由表1中取值及滑坡變形情況可知滑坡安全系數(shù)Fs<0.9，結(jié)合工程類(lèi)比，將此滑坡安全系數(shù)取值設(shè)為0.8-0.9，文中分別取安全系數(shù)為0.8，0.85，0.9進(jìn)行計(jì)算。

3.2.2 內(nèi)摩擦角（φ）確定

依據(jù)前期地質(zhì)試驗(yàn)成果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)滑面特點(diǎn)，并參考前人[5]對(duì)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)的總結(jié)，常見(jiàn)結(jié)構(gòu)面取值見(jiàn)表2。由于本次研究中，滑面結(jié)構(gòu)為泥化層，結(jié)合極差，滑面傾角為17。，可初步劃定本文中滑坡內(nèi)摩擦角取值范圍為φ=[8°，11°]。

3.2.3 參數(shù)計(jì)算及校正

依據(jù)式（1），得出不同安全系數(shù)以及內(nèi)摩擦角下的滑動(dòng)面黏聚力（c）取值情況見(jiàn)表3。

依據(jù)前人[5]對(duì)順層滑坡失穩(wěn)條件的研究，剛體滑移模式下的順層滑坡失穩(wěn)時(shí)的高度一定大于給定滑坡參數(shù)下的臨界邊坡高度，滑坡臨界高度表示為式中，Hcr為臨界邊坡高度，m;a為坡面傾角，（°）;β為滑面傾角，（°）;），為滑體加權(quán)平均重度。

將表3中的12組c、φ值代人式（2）中，得出各自參數(shù)下的邊坡臨界高度（見(jiàn)表4）。依據(jù)滑坡現(xiàn)場(chǎng)，取H=12.44≈Hcr，對(duì)滑坡參數(shù)取值進(jìn)行修正。

從表4計(jì)算結(jié)果可知，只在安全系數(shù)Fs=0.9時(shí)，有一組參數(shù)值滿足邊坡高度要求，從而篩選出138+880處抗剪強(qiáng)度參數(shù)為c=8.17kPa，φ=8°。

4 邊坡加固及穩(wěn)定性分析

依據(jù)上述確定的滑面抗剪強(qiáng)度參數(shù)值，確定邊坡支護(hù)措施為：①在高程128.00 m處垂直馬道施打兩排注漿鋼管并進(jìn)行注漿，鋼管長(zhǎng)15 m，直徑108 mm，三角形布置，間距1.5 m，頂部澆筑寬1.8 m、高50 cm的混凝土使注漿鋼管連成一個(gè)整體，澆筑混凝土前每隔3m預(yù)埋一根φ5 cm長(zhǎng)2m的排水管;②在高程129.00 m及高程130.50 m處平行于馬道方向施打兩排注漿鋼管并進(jìn)行注漿，鋼管長(zhǎng)15 m，直徑108 mm，三角形布置，間距1.5 m;高程132.50 m往上土體用小導(dǎo)管進(jìn)行注漿，入巖5m，直徑40 mm，梅花形布置，間距2m，并沿坡面布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

選取采取支護(hù)措施后2017年4月至2018年2月的邊坡變形數(shù)據(jù)，得到位移累積曲線（見(jiàn)圖4）。由圖4可知，X累積位移5 mm，Y，累積位移49 mm，沉降累積12 mm，邊坡變形整體趨于收斂。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鄂北水資源配置工程楊樓隧洞出口左岸滑坡分析得出：①通過(guò)反演的方式，能較好地滿足工程現(xiàn)場(chǎng)工況緊迫、參數(shù)準(zhǔn)確的需要;②反演的參數(shù)準(zhǔn)確與否，選取合適計(jì)算模型以及校正方法至關(guān)重要;③該方法通過(guò)反演得到了邊坡滑動(dòng)面較準(zhǔn)確的滑動(dòng)參數(shù)，并為邊坡的有效支護(hù)提供了重要依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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[5]吉鋒.順層邊坡硬性結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)及工程技術(shù)研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2008.

（編輯：唐湘茜）

作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)金彪，男，工程師，碩士，主要從事水利水電工程地質(zhì)工作。E-mail： 812718237@qq.com