十堰某扶貧產(chǎn)業(yè)園高填方邊坡整體與局部穩(wěn)定性分析

武 哲， 劉明揚， 田 寧， 黃玨皓

(1.中國建筑國際集團有限公司， 香港 999077； 2.中建國際投資(湖北)有限公司， 武漢 430000；3.中國科學院 武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室， 武漢 430071； 4.中國科學院大學， 北京 100049)

邊坡穩(wěn)定性是巖土工程中的一個重要研究對象，常用邊坡穩(wěn)定性分析方法有極限平衡法和數(shù)值計算法[1]。對于復雜非均質(zhì)邊坡，常采用數(shù)值計算方法計算邊坡穩(wěn)定性，主要有混沌優(yōu)化[2]、隨機法[3-4]、強度折減法[5-7]等方法確定滑動面；對于簡單均質(zhì)邊坡，常采用極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性。鄒廣電等[8]將條間力與安全系數(shù)聯(lián)系，建立了更為嚴格的普遍極限平衡法，采用極限平衡法分析了邊坡穩(wěn)定性。陳祖煜等[9]基于傳統(tǒng)的Spencer法，將極限平衡法擴展到了三維。

極限平衡法是根據(jù)靜力平衡原理，分析邊坡在各種破壞模式下的受力狀態(tài)以及邊坡滑體上的抗滑力與下滑力的關(guān)系來表征邊坡的穩(wěn)定性。工程中常用的極限平衡法有費倫紐斯(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、斯潘塞(Spencer)法以及傳遞系數(shù)法等。

由于極限平衡法原理簡單，計算速度快，計算精度高，可以給出物理意義明確的邊坡穩(wěn)定系數(shù)以及可能的破壞面，常被用來進行邊坡穩(wěn)定性分析。結(jié)合十堰某扶貧產(chǎn)業(yè)園“挖山填溝”項目，依據(jù)工程資料，劃分計算剖面，基于Geo-Studio軟件的SLPOE/W模塊，對施工整平后的“梯田式”長邊坡進行了穩(wěn)定性分析。

1 工程實例

1.1 工程背景

2013年11 月，習近平同志到湖南湘西考察時首次作出了“實事求是、因地制宜、分類指導、精準扶貧”的重要指示。2015年，習近平同志在減貧與發(fā)展高層論壇上再次強調(diào)，中國扶貧攻堅工作實施精準扶貧方略。2017年4月，國家啟動實施建設(shè)河北雄安新區(qū)戰(zhàn)略規(guī)劃，河北省隨之對產(chǎn)業(yè)進行調(diào)整，部分雄安新區(qū)產(chǎn)業(yè)向周邊轉(zhuǎn)移。

據(jù)不完全統(tǒng)計，雄安新區(qū)產(chǎn)業(yè)調(diào)整前，在京津冀范圍內(nèi)有約5 萬鄖西籍人員從事木材加工產(chǎn)業(yè)。為了承接雄安新區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移、號召鄖西籍人士回鄉(xiāng)創(chuàng)業(yè)、響應國家精準扶貧戰(zhàn)略政策、拉動當?shù)亟?jīng)濟快速發(fā)展，鄖西縣委、縣政府啟動河夾扶貧產(chǎn)業(yè)園項目建設(shè)。

1.2 地形地貌

擬建建筑物場地位于十堰市鄖西縣河夾鎮(zhèn)以東約2 km處，距離鄖西縣城約20 km，距離福銀高速青曲收費站約15 km，地理位置優(yōu)越，交通便捷，場地宏觀地貌屬于丘陵谷地，總體地勢北高南低，勘察區(qū)山頂標高330～470 m，山脊呈條帶狀，分水嶺明顯。溝谷多呈V形或U形，如圖1所示。溝谷標高270～390 m，切割深度40～100 m。兩側(cè)邊坡坡度為30°～60°，植被發(fā)育較好，多以松木、灌木、雜草為主，勘察前場地已進行了清表，擬建場地屬于山地，非基本農(nóng)田保護區(qū)，也不是水源林保護區(qū)。

圖1 場地平面位置衛(wèi)星圖

1.3 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料，園區(qū)為丘陵谷地地貌，地形起伏較大，場地內(nèi)上覆一層厚度為1.0～22.0 m的第四系(Qdl)坡積土,下伏晚白堊紀寺溝組(K2s)泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖和南華紀耀嶺河組(Nhy)鈉長綠簾絹云千枚巖。覆蓋層以中軟土和中硬土為主，建筑場地類別為Ⅱ類，場地地震基本烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計特征周期為0.35 s，抗震設(shè)計分組為第一組，擬建場地屬建筑抗震一般地段。建筑物設(shè)防類別為標準設(shè)防類。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料調(diào)查，擬建場地內(nèi)沒有斷裂、地裂縫、巖溶等影響場地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用，區(qū)域及場地穩(wěn)定性較好，屬于基本穩(wěn)定場地，工程建設(shè)適宜性差，巖土體的計算參數(shù)具體取值見表1。

表1 巖土體計算參數(shù)

由于扶貧產(chǎn)業(yè)園場地過大，地形復雜，高差較大，為更好地滿足分步實施的條件，將場地分為A、B、C、D、E、F 6個分區(qū)，如圖2所示。其中A區(qū)位于整個園區(qū)的最高處，可以俯瞰整個園區(qū)場地綜合坡度約為1.8%；B、C、D區(qū)為臺地梯田形式，每一級臺地寬度為80～90 m，相鄰臺地梯田高差約為7 m，臺地橫向綜合坡度約為0.5%；E區(qū)與D區(qū)相接，臺地高差約為10 m，綜合坡度約為3%；F區(qū)位于B區(qū)南側(cè)，與B區(qū)以高邊坡相連接，場地分為6個小臺地，相鄰臺地高差約為10 m。

圖2 扶貧產(chǎn)業(yè)園場地劃分圖

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡局部穩(wěn)定性分析

由于邊坡G區(qū)存在局部高邊坡，因此在進行施工之前，對場地內(nèi)存在的高邊坡進行穩(wěn)定性分析，考慮土體處于天然與飽和兩種狀態(tài)，結(jié)合地震作用共4種工況，對G區(qū)高邊坡進行穩(wěn)定分析。依據(jù)工程資料，地震烈度取7度，地震水平系數(shù)為0.038，豎向系數(shù)為0，圖3給出了在水和地震作用下利用Morgenstern-Price法求解得到的G區(qū)邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

圖3 G區(qū)高邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

表2給出了不同劣化作用下邊坡穩(wěn)定系數(shù)。由表2可以看出，對于不同計算工況下，水和地震作用下均對邊坡具有劣化效應，單一作用下，水對邊坡的劣化效應要比單一地震作用下大，疊加效應下邊坡穩(wěn)定系數(shù)達到最小。

表2 G區(qū)邊坡安全系數(shù)

2.2 邊坡整體穩(wěn)定性分析

對于施工整平后的“梯田式”邊坡進行穩(wěn)定性分析，根據(jù)鉆孔柱狀圖及勘察資料，在Geo-Studio軟件的SLOPE/W模塊中建立模型，如圖4所示。圖4(a)展示了A-B-G-F區(qū)邊坡剖面圖，圖4(b)表示的是A-D-E區(qū)邊坡剖面圖。根據(jù)工程經(jīng)驗，在兩個邊坡剖面中沿著巖土體接觸面劃分若干個最危險滑動區(qū)域，如圖5所示，利用數(shù)值計算軟件計算相應滑動區(qū)域的邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

圖4 “挖山填高”邊坡剖面圖

在A-B-G-F邊坡剖面中劃分6個最危險滑動區(qū)域，其中，1～5號區(qū)域采用指定滑面的方式計算穩(wěn)定系數(shù)，6號區(qū)域利用數(shù)值分析軟件自動搜索滑面，如圖5(a)所示；在A-D-E邊坡剖面中劃分一個最危險滑動區(qū)域，采用指定滑面的方式計算邊坡穩(wěn)定系數(shù)，如圖5(b)所示。

圖5 邊坡最危險滑動區(qū)域劃分

采用極限平衡法求解邊坡穩(wěn)定系數(shù)時，對于A-B-G-F邊坡中的6#滑面和A-D-E邊坡中的1#滑面采用了兩種不同的方法求解邊坡穩(wěn)定系數(shù)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)如表3所示。從表中可以看出所有邊坡穩(wěn)定系數(shù)均大于1，表示在天然工況下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，采用Bishop法求解得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果普遍大于使用Morgenstern-Price法，這意味著在實際工程中，單一采用Bishop法求解邊坡穩(wěn)定性得到的結(jié)果偏于危險。圖6給出了對于6#滑動區(qū)域自動搜索得到的滑動面，從圖中可以看出極限平衡法通過將最危險滑動區(qū)域劃分為若干個圓弧面后，建立力平衡與矩平衡方，程通過求解土體受力來獲得邊坡穩(wěn)定系數(shù)，進而確定最危險滑動面。

圖6 A-B-G-F邊坡6#滑面

表3 邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果

3 結(jié)論

基于極限平衡原理，利用Morgenstern-Price法和Bishop法基于Geo-Studio平臺的SLOPE/W模塊，對湖北十堰某扶貧產(chǎn)業(yè)園邊坡進行了穩(wěn)定性分析，主要結(jié)論如下：

1)水和地震作用均對邊坡穩(wěn)定性有劣化效應，單一因素作用下，誰的劣化效應大于地震作用，當劣化效應疊加時，邊坡穩(wěn)定性最差，穩(wěn)定系數(shù)最小。

2)基于極限平衡原理的M-P法計算結(jié)果一般小于Bishop法求解得到的計算結(jié)果，在實際工程中但亦采用Bishop法求解邊坡穩(wěn)定性得到的計算結(jié)果偏于危險。

3)含有多層土體的邊坡最危險滑動面一般位于巖土體交界面上，在劃分危險區(qū)域時，可依據(jù)這一特點在巖土體交界面周圍劃分區(qū)域搜索滑面。