交通荷載對庫岸邊坡穩(wěn)定性影響及支護(hù)研究

蔣仕云

（赫章縣平山鎮(zhèn)水利站,貴州 赫章 553208）

1 引言

作為最常見的地質(zhì)災(zāi)害之一的邊坡滑坡,對社會經(jīng)濟(jì)更是對人類安全有嚴(yán)重危害。而庫岸邊坡由于地下水波動、降雨入滲等因素,更易導(dǎo)致災(zāi)害的發(fā)生。我國作為地質(zhì)環(huán)境脆弱的國家,因邊坡滑坡造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害已十分嚴(yán)重。因此對邊坡穩(wěn)定性安全必須引起重視。

因此,越來越多的學(xué)者降目光聚集在邊坡穩(wěn)定性問題上,也因此取得了頗為豐碩的成果[1-3]。劉新榮等[4]基于水巖相互作用理論,通過理論的方法研究了機(jī)理,并通過大型三維有限元軟件對庫岸邊坡進(jìn)行模型,深入討論了水巖相互作用對庫岸邊坡穩(wěn)定的影響研究。柴波等[5]基于某實際庫岸邊坡工程,分析了紅層水巖作用特征,并利用數(shù)值手段分析了庫岸邊坡失穩(wěn)的過程,總結(jié)了庫岸邊坡的變形規(guī)律和穩(wěn)定性。薛星橋等[6]利用有限元軟件建立了三維模型研究了三峽庫區(qū)淌里滑坡變形特征,并對敏感參數(shù)進(jìn)行了影響因素分析。劉祖強(qiáng)等[7]通過監(jiān)測方法監(jiān)測了三峽工程近壩庫岸滑坡變形,并結(jié)合試驗方法,總結(jié)了邊坡的變形規(guī)律。陳洪凱等[8]通過室內(nèi)啟動模型試驗,研究了散體滑坡的規(guī)律。本文基于某水利工程庫區(qū),研究了交通荷載對邊坡穩(wěn)定性的影響,并提出了合理的支護(hù)措施。

2 工程概況

某水利工程庫區(qū)位于長江上游,干流庫長約120 km。經(jīng)緯度坐標(biāo)為東經(jīng)107°52’22”~108°53’25”,北緯30°24’25”~31°14’58”。岸區(qū)邊坡頂部有一公路存在,庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境、庫區(qū)水質(zhì)、生物多樣性等都有影響。而且臨湖公路路堤邊坡,庫岸區(qū)復(fù)雜的水文環(huán)境對路堤邊坡的穩(wěn)定性有著很大的影響。高速公路經(jīng)過千島湖時,臨湖段路堤邊坡通過拋石填湖制造平臺,然后在上面堆填路基填料并壓實形成路堤邊坡,邊坡的一部分在水面以下。湖面水位漲落受季節(jié)性降雨影響較大。經(jīng)過調(diào)查可知夏季水位高達(dá)108 m,冬季枯水期水位在98 m左右,水位漲落差達(dá)10 m。

2.1 地質(zhì)條件

根據(jù)邊坡出露情況、野外鉆探以及工程地質(zhì)調(diào)繪,參考本研究區(qū)域的地質(zhì)資料,可知發(fā)生滑坡及塌滑區(qū)段廣泛分布在第四系上更新統(tǒng)坡積層（dlQ3）,下伏中震旦統(tǒng)陡山陀組（Z2d）和中震旦統(tǒng)燈影組（Z2dn）,現(xiàn)由老至新的順序簡要作如下敘述：

1）前第四系地層

中震旦統(tǒng)陡山陀組（Z2d）：巖性為灰?guī)r,淺灰、灰色,中厚層狀構(gòu)造,巖體破碎,由于研究區(qū)內(nèi)該組地層埋深較大,未能量取到巖層產(chǎn)狀；僅在區(qū)外西側(cè)約0.15 km處的灰?guī)r露頭處隱約可見灰?guī)r的巖層產(chǎn)狀約150°∠50°。

中震旦統(tǒng)燈影組（Z2dn）：巖性為石英砂巖,灰白色,砂質(zhì)結(jié)構(gòu),中厚層~厚層狀構(gòu)造,致密堅硬。由于研究區(qū)內(nèi)該組地層風(fēng)化較劇烈,未能量取到巖層產(chǎn)狀；因此,同樣在區(qū)外南側(cè)、東側(cè)山腳切坡出露處測取到明顯的巖層產(chǎn)狀160°~165°∠45°~65°。

2）第四系地層

上更新統(tǒng)坡積層（dlQ3）：上部巖性為粉質(zhì)粘土混碎塊石（根據(jù)碎塊石的大小及分布,該層土石比例變化較大）,棕紅色,可塑或中密；下部巖性為經(jīng)紅土化作用形成,并經(jīng)搬運過的高塑性次生紅粘土,棕紅~褐黃色,粘性一般較差,吸水后易崩解,偶夾少量粗石英顆?；蛐K體。

2.2 水文地質(zhì)條件

本研究區(qū)地下水主要有松散層類孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶水三種類型。松散層類孔隙潛水主要埋藏于②層粉質(zhì)粘土混碎塊石、③層粘土中,由于②層土體中碎塊石大小不一、混雜分布,土石粘結(jié)性差,結(jié)構(gòu)偏松散,具有一定的透水性,在垂向上富水性差異大,含水量受土層的厚度和分布范圍控制,無～微承壓性,與地表水體聯(lián)系密切,而③層土體中粘粒含量高,透水性弱,富水性貧乏,形成一道隔水層,孔隙潛水主要由大氣降水補(bǔ)給。

3 深基坑的數(shù)值模型

3.1 有限元模型的建立

根據(jù)研究區(qū)鉆孔資料,以邊坡Ⅱ區(qū)的30 口鉆孔揭露的地層為依托建立計算模型,該模型的寬90 m（Y）、長180 m（X）、高50 m,所建立的模型見圖1。對X、Y方向設(shè)置水平向約束,對z方向的底部設(shè)置固定約束。在邊坡頂部設(shè)置移動簡寫荷載來模擬車輛荷載,激振頻率f=5 Hz,振幅F=200 kN,速度v=80 km/h。微型樁的支護(hù)范圍在反壓平臺之上,采用C30 現(xiàn)澆混凝土,混凝土密度為24 kN/m3,彈性模量3×107kPa,泊松比0.2；格構(gòu)梁設(shè)置在2 級坡面上,框格梁采用C30 混凝土,密度24 kN/m3,彈性模量3×107kPa,泊松比為0.2,框格梁尺寸為0.4 m×0.4 m；錨兩級坡面上分別設(shè)置長度為6 m的鋼筋土釘,采每孔采用2 根直徑25 mm的HRB400 螺紋鋼,錨固體為純水泥, 彈性模量是3×107kPa,泊松比0.2。

圖1 模型示意圖

3.2 計算參數(shù)

參考該人工邊坡的勘察報告所提供的巖土體物理力學(xué)參數(shù),并結(jié)合工程經(jīng)驗進(jìn)行賦值計算,考慮粘性土為不透水層,因此強(qiáng)風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖的參數(shù)設(shè)置為固定不變值,土體參數(shù)見表1。其中中風(fēng)化巖相對于邊坡坡體埋深較大,邊坡潛在滑裂面穿過該地層的可能性較小,因此將中風(fēng)化泥巖設(shè)置為線彈性體。

表1 計算參數(shù)（碎塊石混粉質(zhì)粘土24.5%含水率）

4 交通荷載對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響

圖2 分別給出了有無交通荷載邊坡臨空向水平位移云圖。如圖2（a）所示,當(dāng)無交通荷載作用時,邊坡臨空方向水平位移僅發(fā)生在第二級坡面的位置,在距離坡腳5 m右側(cè)范圍內(nèi)呈現(xiàn)出帶狀分布的特征,即在高5 m、長20 m范圍內(nèi)有位移發(fā)生,邊坡坡體此時尚未出現(xiàn)連貫于坡面的水平變形區(qū)域,僅僅為局部失穩(wěn)狀態(tài)坡體水平位移最大值為1.1 cm。如圖2（b）所示,當(dāng)有交通荷載作用時,邊坡臨空向水平位移有向坡體中心擴(kuò)伸的趨勢,在坡體的右半側(cè)整體發(fā)生了近1.4 m的水平向位移,坡體左側(cè)僅在距離坡腳1 m范圍內(nèi)出現(xiàn)近似帶狀分布位移出現(xiàn)。此時坡體2/3 范圍出現(xiàn)了較大的水平變形,水平變形區(qū)域較無交通荷載工況有較大擴(kuò)大,坡體水平位移最大值為3 cm。可見,交通荷載作用對邊坡的變形有顯著影響。

圖2 邊坡臨空向水平位移云圖

圖3分別給出了有無交通荷載邊坡豎向位移云圖。豎向位移因交通荷載作用的變化趨勢與臨空向水平位移變化趨勢相似。如圖3（a）所示,當(dāng)無交通荷載作用時,邊坡豎向位移僅發(fā)生在坡腳位置,在距離坡腳5 m左側(cè)范圍內(nèi)呈現(xiàn)出帶狀分布的特征,即在高5 m、長25 m范圍內(nèi)有位移發(fā)生。坡體豎向平位移最大值為0.6 cm。如圖3（b）所示,當(dāng)有交通荷載作用時,邊坡豎向位移有向坡體中心擴(kuò)伸的趨勢,在坡體的右半側(cè)整體發(fā)生了近1 m的豎向位移,坡體左側(cè)僅在距離坡腳1m范圍內(nèi)出現(xiàn)近似帶狀分布位移出現(xiàn)。坡體豎向平位移最大值為1.6 cm。且基于有限元強(qiáng)度折減法計算得到該邊坡在無交通荷載作用時的穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.16,邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；在交通荷載作用時的穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.01,邊坡整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。因此,有必要采取支護(hù)措施提升庫岸邊坡的穩(wěn)定性。

圖3 邊坡豎向位移云圖

5 庫岸邊坡支護(hù)措施研究

圖4 給出了聯(lián)合支護(hù)下作用有交通荷載的邊坡的變形云圖。從圖4 中可以看到,聯(lián)合支護(hù)后邊坡的臨空方向的水平位移減小的非常明顯,僅為1.3 cm,對比無支護(hù)措施下的邊坡臨空向的水平位移可以看到,其反壓后位移減小了近60%。豎向位移則僅為0.7 cm,對比臨時反壓的邊坡豎向位移可以看到,其反壓后位移減小了約55%。其水平位移和豎向位移的影響深度僅分布在2 級坡面范圍內(nèi),未形成塑性貫通區(qū)域?？梢?聯(lián)合支護(hù)措施有效控制了邊坡的變形。

圖4 邊坡變形云圖

圖5 給出了聯(lián)合支護(hù)前后邊坡的塑性分布對比圖。圖5（a）是未采取支護(hù)措施時邊坡的塑性分布圖,其塑性分布區(qū)域貫穿整個坡面。塑性分布區(qū)域最大厚度為5 m,分布在坡頂位置,塑性分布區(qū)輪廓呈現(xiàn)折線型。圖5（b）是采取支護(hù)措施時邊坡的塑性區(qū)云圖。從圖中可見看到,坡體的塑性區(qū)范圍相對未支護(hù)前有顯著區(qū)別,塑性分布區(qū)域較圖5（a）分布縮小幅度較大,塑性區(qū)分布最大厚度為1.7 m的淺層分布,塑性分布區(qū)域占據(jù)第一級放坡坡面4/5 范圍,尚未形成貫通塑性區(qū)。且基于有限元強(qiáng)度折減法計算得到當(dāng)邊坡采取聯(lián)合支護(hù)后,即使作用有交通荷載,其穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.21 邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形云圖

圖6 給出了支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力云圖。從圖可見,微型樁最大水平變形為31 mm、土釘最大變形為23 mm；格構(gòu)梁支護(hù)坡面變形僅為24 mm,支護(hù)后邊坡整體變形量較小,滿足一般對邊坡設(shè)計的4 cm水平位移要求（《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》 （GB 50497-2009）規(guī)定：基坑監(jiān)測報警值為4 cm）。

6 結(jié)論

本文以某庫區(qū)邊坡為例,通過大型三維有限元軟件進(jìn)行模擬,得出了交通荷載作用下庫岸邊坡的變形規(guī)律和穩(wěn)定性。通過對比,研究聯(lián)合支護(hù)方式的支護(hù)效果并進(jìn)行綜合評價。得到以下結(jié)論：

（1）交通荷載的作用對庫岸邊坡的變形和穩(wěn)定性有顯著的影響。交通荷載致使邊坡變形顯著增大、滑移范圍也擴(kuò)大,同時穩(wěn)定性也下降。庫岸邊坡由穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榍贩€(wěn)定狀態(tài)。

（2）聯(lián)合支護(hù)方式能有限控制邊坡的變形,顯著減小滑坡風(fēng)險。庫岸邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)提升至1.21,邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。