某堆渣場地穩(wěn)定性分析及治理措施研究

王小波，楊玉川，張永清

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

在西南高山峽谷地區(qū)水電工程的修建過程中，由于施工設(shè)施的布置往往需要大量的場地，而由于天然平地較少，往往需要堆渣來制造場地。水電工程的建設(shè)周期往往維持?jǐn)?shù)年，有些人工堆筑的施工場地在長期使用過程中會出現(xiàn)變形破壞的情況。為了避免堆渣場地出現(xiàn)滑坡災(zāi)害，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡，設(shè)計(jì)人員必須合理評價(jià)堆渣場地的穩(wěn)定性并進(jìn)行有針對性的治理。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對邊坡穩(wěn)定性評價(jià)及治理措施進(jìn)行了大量的研究，并取得了許多成果[1-3]。在研究過程中，許多學(xué)者將工程地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)及巖土力學(xué)應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定研究中，在邊坡穩(wěn)定研究的理論、方法和綜合治理技術(shù)方面取得了許多成就[4-6]。杜九博等[7]通過建立三維邊坡開挖模型，采用基于強(qiáng)度折減法的三維有限元軟件對西藏某水利工程邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析；楊玉川等[8]基于傳壓原理，利用極限平衡方法分析了噴錨支護(hù)邊坡的穩(wěn)定性；王孝哲和劉林林[9]應(yīng)用強(qiáng)度折減法，分析了傾斜微型樁群加固堆積層邊坡，研究了樁傾角與支護(hù)效果間規(guī)律等。工程中常用的分析方法有：費(fèi)倫紐斯(Fellenius)法、畢肖普(Bishop)法、泰勒(Taylor)法、簡布(Janbu)法、摩根斯頓-普賴斯(Morgenstern-Price)法、剩余推力和楔形體法等[10-11]。

目前，由于對堆渣場地的加固治理研究相對還比較少，那么根據(jù)場地的變形情況進(jìn)行參數(shù)的反演分析，并結(jié)合反演結(jié)果進(jìn)行加固措施的研究對人工堆渣場地的安全均至關(guān)重要。本文利用西南山區(qū)某人工堆渣場地的加固治理研究過程，提出了一套場地邊坡的穩(wěn)定分析及加固治理方案，最后通過實(shí)際治理效果檢驗(yàn)該研究思路的合理性。

1 堆渣場地概況

本文研究的堆渣場地位于某水電工程壩址右岸下游約2 km的沖溝內(nèi)，沖溝底部為下游低線混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)。該沖溝在公路施工階段堆積大量施工棄渣，渣體采取防護(hù)措施后形成約4 000 m2平臺，曾作為施工場地利用，部分區(qū)域通過少量開挖和渣料回填形成，修建有引水發(fā)電系統(tǒng)工程標(biāo)前方指揮中心，具體位置如圖1所示。

圖1 場地平整示意

該場地長期受降雨及不均勻沉降影響后被發(fā)現(xiàn)，場地前緣下方漿砌石擋墻已出現(xiàn)一處豎向裂縫、多條水平裂縫，平臺前緣地面出現(xiàn)多處裂縫；臨邊護(hù)坡出現(xiàn)多處漿砌石起翹、開裂情況，如圖2所示。

圖2 場地治理前的變形破壞情況

該場地變形較大，且變形在每年汛期均有緩慢增長，同時(shí)土工格柵下方漿砌石擋墻出現(xiàn)沉降、裂縫、起翹等情況，問題較突出。建設(shè)單位要求根據(jù)該場地原平整設(shè)計(jì)情況及近年來場地變形情況，綜合評估該場地作為電廠永久場地的穩(wěn)定性，并依據(jù)該場地穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果提出永久的治理方案。

2 場地穩(wěn)定評價(jià)基礎(chǔ)資料

2.1 工程地質(zhì)情況

勘探揭示，場地覆蓋層分為人工堆渣及原始覆蓋層兩層：人工堆渣主要位于場平部位，垂直深度3～12 m，組成物質(zhì)主要為灰色(孤)塊碎石土，結(jié)構(gòu)松散，另平臺外側(cè)溝內(nèi)存在少量人工掛渣；原始覆蓋層垂直深度10～25 m，組成物質(zhì)為沖洪積及坡積灰色～褐黃色塊碎石土，結(jié)構(gòu)相對較緊密。場地基巖巖性主要為粉砂質(zhì)板巖，局部夾變質(zhì)砂巖。勘探揭示巖體強(qiáng)卸荷，弱上風(fēng)化垂直深度10～25 m；巖體弱卸荷，弱下風(fēng)化垂直深度15～30 m。

2.2 計(jì)算模型

場地原平整加固方案中，場地前緣采用“衡重式漿砌石擋墻+土工格柵加筋土邊坡”的形式。衡重式漿砌石擋墻高度小于6 m，土工格柵加筋土邊坡高度在20 m以內(nèi)，斷面形式為“土工格柵加筋土邊坡(1:0.1)+底部衡重式擋墻”。自坡頂往下每10 m設(shè)2 m寬馬道，場地頂面以下5.0 m范圍內(nèi)壓實(shí)系數(shù)不小于0.90；5.0 m范圍以外區(qū)域壓實(shí)系數(shù)不小于0.85；場地后緣開挖邊坡坡比為1:0.75，漿砌石護(hù)坡，厚度50 cm，坡腳及場地周邊設(shè)置排水溝，其平面布置及典型剖面如圖3所示。

圖3 場地的平面布置及典型剖面

2.3 計(jì)算參數(shù)

該場地巖體物理力學(xué)參數(shù)采用壩區(qū)相關(guān)參數(shù)，覆蓋層參數(shù)結(jié)合物質(zhì)組成及其成因，通過工程類比后確定堆渣場地邊坡計(jì)算參數(shù)(見表1)。

表1 堆渣場地計(jì)算參數(shù)取值

3 場地邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算方法

本次計(jì)算采用剛體極限平衡原理對場地堆渣體邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性定量評價(jià)。分析采用Rocsience公司的Slide程序，該程序是巖土分析軟件中一個(gè)計(jì)算邊坡穩(wěn)定性的軟件。其原理采用剛體極限平衡法，包含簡化Bishop法、Janbu修正法、Spencer法、M-P法等，目前在全國大型水電工程中得到了廣泛運(yùn)用。本次邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析采用圓弧滑動面的簡化Bishop法和Morgenstern-Price法。

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)相關(guān)規(guī)定并結(jié)合工程的實(shí)際情況，且由于場地地下水埋藏較深，計(jì)算范圍內(nèi)未見連續(xù)地下水出露，因此未考慮連續(xù)地下水的作用，本次計(jì)算選擇了其中三種工況進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析。

(1)持久工況——自重?？紤]巖土體天然自重，荷載組合為自重。

(2)短暫工況——“自重+暴雨”作用。在持久工況的基礎(chǔ)上，考慮暴雨下滲，荷載組合為“自重+暴雨”。暴雨工況在軟件Slide中采用Ru系數(shù)，考慮孔壓的簡單方法，孔壓大小定義為條帶豎直方向地應(yīng)力的比例，根據(jù)相關(guān)工程實(shí)例，模擬暴雨工況并取值0.08。

(3)偶然工況——“自重+地震”作用。在持久工況的基礎(chǔ)上考慮地震荷載，荷載組合為“自重+地震”作用。地震荷載計(jì)算時(shí)不考慮其沿高程放大，不考慮豎向地震作用，采用擬靜力法，考慮0.25效應(yīng)折減系數(shù)。

3.3 場地治理前穩(wěn)定性計(jì)算

本場地原加固方案采用土工格柵TGDG200，其材料拉伸強(qiáng)度為200.0 kN/m。由邊坡治理范圍可知，需要復(fù)核天然狀況下剖面(1-1、2-2、3-3、4-4、5-5)的穩(wěn)定性，如圖3(a)。本次場地邊坡穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算中材料的物理力學(xué)參數(shù)采用地質(zhì)建議參數(shù)(見表1)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 場地的典型剖面邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果(治理前)

由圖4可知，1-1剖面、4-4剖面和5-5剖面的最小滑動面絕大部分位于覆蓋層上，其穩(wěn)定性受覆蓋層力學(xué)參數(shù)控制；而2-2剖面和3-3剖面的最小滑動面絕大部分位于人工堆渣上，其穩(wěn)定性受人工堆渣力學(xué)參數(shù)控制。而根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，采用類比參數(shù)計(jì)算的邊坡安全系數(shù)偏小，滑裂面基本位于人工堆渣及覆蓋層上，除1-1剖面和4-4剖面邊坡安全系數(shù)Fs稍大于1以外，其他三個(gè)剖面邊坡最小安全系數(shù)均小于1，未達(dá)到邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)要求的最小值1.05。

另外，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際及監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，該場地作為臨時(shí)場地已經(jīng)安全使用多年，雖然漿砌石擋墻出現(xiàn)裂縫、沉降、變形等問題(變形的主要原因?yàn)橛昙臼芙邓绊懀瑩鯄A(chǔ)承載力不足和擋墻砂漿充填不飽滿所導(dǎo)致)，但該場地邊坡并未出現(xiàn)大的滑動變形問題，整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知，類比確定的人工填渣及覆蓋層物理參數(shù)偏小，若以此作為邊坡治理計(jì)算參數(shù)不合理。另外，由于場地D-A堆渣體不同剖面的穩(wěn)定分別受覆蓋層及人工渣體參數(shù)控制，因此需要根據(jù)邊坡實(shí)際運(yùn)行情況對人工堆渣及覆蓋層取值進(jìn)行參數(shù)反演，從而選擇合理的物理力學(xué)參數(shù)。

3.4 力學(xué)參數(shù)反演

根據(jù)力學(xué)參數(shù)反演的相關(guān)規(guī)定以及該場地的設(shè)計(jì)資料，基于邊坡穩(wěn)定的現(xiàn)場實(shí)際情況，將上述各斷面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)最小值控制在不低于1.05[12]。首先，基于地質(zhì)提供的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，由圖4和表2可知，2-2剖面和3-3剖面的穩(wěn)定性只需要將3-3剖面穩(wěn)定系數(shù)控制在不低于1.05即可，而1-1剖面、4-4剖面和5-5剖面的穩(wěn)定性只需要將5-5剖面穩(wěn)定系數(shù)控制在不低于1.05即可。利用Slide軟件的穩(wěn)定性、敏感性分析模塊，最終該場地的力學(xué)參數(shù)反演結(jié)果如表2所示。

表2 場地物理力學(xué)參數(shù)反演結(jié)果

為驗(yàn)證反演參數(shù)的合理性，采用表2中的材料參數(shù)對典型剖面邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行重新復(fù)核，得到該場地堆渣體邊坡各剖面的穩(wěn)定安全系數(shù)(見表3)。

表3 場地典型剖面邊坡穩(wěn)定重新復(fù)核成果

考慮到該場地后期將作為永久場地，其邊坡性質(zhì)由臨時(shí)邊坡變?yōu)橛谰眠吰?，因此永久邊坡的安全系?shù)需要進(jìn)一步提高。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得知，該場地堆渣體邊坡雖滿足臨時(shí)邊坡穩(wěn)定要求，但難以滿足永久邊坡穩(wěn)定要求。因此，該場地需要采取相應(yīng)措施進(jìn)行加固處理，才能滿足規(guī)范要求的永久邊坡安全系數(shù)。

4 場地治理

4.1 錨索支護(hù)

根據(jù)場地堆渣體邊坡現(xiàn)狀及邊坡穩(wěn)定復(fù)核成果，結(jié)合相關(guān)工程邊坡成功治理經(jīng)驗(yàn)，采用單排錨索支護(hù)方案對堆渣體進(jìn)行加固處理。由上述各典型斷面邊坡的最小滑弧位置可知，在邊坡下部采用錨索支護(hù)對相應(yīng)滑動面進(jìn)行支護(hù)。另外，為了保證錨索入巖具有一定的錨固深度，基于各剖面覆蓋層的不同深度，確定1-1剖面與4-4剖面之間的錨索長度為40 m，錨固段長度為10 m，而4-4剖面與5-5剖面之間的錨索長度為60 m，錨固段長度為20 m，所有剖面上均施加100 t的預(yù)應(yīng)力錨索，錨索的間距為5 m。為了提高擋墻及邊坡的穩(wěn)定性，錨索直接打到墻身上面，計(jì)算施加單排錨索后的邊坡加固效果。將錨索參數(shù)添加到相應(yīng)計(jì)算模型中，計(jì)算三種工況下的邊坡安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 施加單排錨索后場地邊坡的穩(wěn)定計(jì)算成果

由表4可知，單排錨索支護(hù)后，堆渣體邊坡在各典型工況下，除5-5剖面外，其他剖面均滿足相應(yīng)規(guī)范中Ⅲ級邊坡的穩(wěn)定要求。因此，只需考慮對5-5剖面再增加一排100 t錨索，重新計(jì)算5-5剖面的邊坡安全系數(shù)。布置2排錨索后，5-5剖面的邊坡安全系數(shù)如表5所示。

表5 施加雙排錨索后場地邊坡5-5剖面的穩(wěn)定計(jì)算成果

根據(jù)表5計(jì)算結(jié)果可知，布置2排錨索后，5-5剖面三種工況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求值，因此需考慮在4-4剖面至5-5剖面間布置雙排錨索。

4.2 治理效果

結(jié)合上述分析可知，在1-1剖面至4-4剖面間布置一排錨索即可滿足永久邊坡要求，而在4-4剖面至5-5剖面之間需要布置雙排錨索方可滿足永久邊坡安全系數(shù)的要求。結(jié)合本文研究結(jié)論，從提高邊坡穩(wěn)定性及控制擋墻變形的角度分析，本工程采取了錨索支護(hù)方案，如圖5所示。

圖5 場地的典型剖面邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果(治理后)

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，工程經(jīng)過一年多的運(yùn)行，場地邊坡的變形出現(xiàn)收斂，場地的穩(wěn)定性得到了有效的控制，證明了分區(qū)采用不同錨索排數(shù)支護(hù)的合理性。

5 結(jié) 語

通過上述分析研究，可以得到以下結(jié)論：

(1)根據(jù)現(xiàn)場查勘及外觀監(jiān)測，場地穩(wěn)定問題較多，需加固處理才能滿足永久使用要求。

(2)根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，本工程作為永久場地使用時(shí)，其場地邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足要求，需進(jìn)行加固處理。經(jīng)研究確定采用錨索支護(hù)方案作為堆渣場地邊坡的加固處理方案。

(3)本文通過對某水電工程堆渣場地加固處理的深入分析，將邊坡安全系數(shù)與參數(shù)反演相結(jié)合，得出合理的場地物理力學(xué)參數(shù)；再根據(jù)反演的結(jié)果，采用數(shù)值模擬手段來選擇合適的加固措施，提出了一套完整的堆渣場地穩(wěn)定分析及加固治理方案；最后通過實(shí)際治理效果驗(yàn)證了該研究思路的合理性。