某水利樞紐施工導(dǎo)流邊坡不同開挖方式穩(wěn)定性分析

曾朋偉

(廣東粵水電韓江水利開發(fā)有限公司，廣東 梅州 514000)

水利、交通、市政工程建設(shè)過程中，經(jīng)常需要對天然斜坡進行開挖，開挖擾動造成天然斜坡穩(wěn)定性發(fā)生變化，將對工程建筑物的安全使用造成嚴重的影響[1]。不同的開挖方案對邊坡穩(wěn)定性將產(chǎn)生不同的影響，準確地評價邊坡穩(wěn)定性對于工程建設(shè)具有十分重要的意義。穆成林等[2]結(jié)合黔西層狀邊坡工程特征，提出了“巖體結(jié)構(gòu)-未確知測度理論”開挖邊坡穩(wěn)定性快速評價方法；馬淑芝等[3]采用SARMR法計算開挖對邊坡的穩(wěn)定性的影響，認為開挖造成廈沙高速某段邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降；贠永峰等[4]使用ADINA軟件，建立數(shù)值模擬模型分析開挖邊坡穩(wěn)定性，認為邊坡存在軟層時，易在軟層處形成應(yīng)力集中；馬洪生等[5]采用物理模擬實驗研究巖質(zhì)邊坡開挖變形特征，通過監(jiān)測儀器獲取邊坡卸荷區(qū)。通過前人研究可知，開挖邊坡穩(wěn)定性的研究方法主要包括：數(shù)值模擬[6- 10]、物理模擬[11- 12]、理論計算[13- 14]等。本文采用底摩擦物理模擬實驗分析韓江高陂水利樞紐一期導(dǎo)流工程開挖邊坡穩(wěn)定性，并提出相應(yīng)的支護措施建議。

1 工程概況

韓江高陂水利樞紐工程為Ⅱ等大(2)型工程，位于韓江干流，主要承擔防洪、供水的作用。一期導(dǎo)流右岸河床擴挖及廠房尾水渠擴挖的底邊線至現(xiàn)有岸邊臺地的距離為20～70m，5年一遇洪水對應(yīng)河床處水位為31.5m，洪水位上土石方開挖不受韓江水位影響。31.5m高程以下開挖可以在開挖范圍的外側(cè)32.0m高程預(yù)留一土埂攔擋韓江水。

2 物理模型實驗

2.1 底摩擦實驗及相似比確定

2.1.1底摩擦實驗

底摩擦實驗是一種常用的物理模型試驗，在巖土工程領(lǐng)域極為常用，采用底摩擦實驗可以直接觀察開挖邊坡的變形破壞過程，可為開挖邊坡治理措施設(shè)計提供參考。底摩擦實驗的基本原理如下：當實驗?zāi)Ｐ妥銐虮r，利用橡皮帶與模型之間的摩擦力模擬重力作用，從而研究原型邊坡在重力作用下的實際變形特征。

底摩擦試驗主要步驟如下：

(1)在試驗開始前首先需要完成底摩擦試驗儀的自檢，保證儀器的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并可隨時控制儀器的啟動和停止。

(2)根據(jù)試驗材料配比，將配制好的材料均勻平鋪在底摩擦試驗儀的橡皮帶上，需要保證材料的均勻性，壓實后，打開底摩擦試驗儀進行模型的預(yù)壓密。

(3)按照開挖需要對模型進行開挖，打開底摩擦試驗儀開始進行試驗，使用相機記錄模型變形過程。

2.1.2相似比確定

相似比是原型與模型之間相同量綱物理量的比值。Cl、Cγ、Cu、Cσ、CσC、Cσt、Cε、CE、CC、Cφ、Cμ、C分別為線性、容重、位移、應(yīng)力、抗壓強度、抗拉強度、應(yīng)變、彈性模量、內(nèi)聚力、摩擦角、泊松比、摩擦系數(shù)相似比。

根據(jù)相似原理、彈性力學(xué)可知相似判據(jù)為：Cσ=CE=CC=CσC=Cσt；Cu=Cl；Cσ=CγCl；Cφ=C=Cε=Cμ=1。根據(jù)邊坡和底摩擦儀尺寸確定線性相似比為Cl=100，容重比為Cγ=1.5，因此，Cσ=CE=CC=CσC=Cσt=150，Cu=Cl=100。

2.2 實驗材料配比

開挖邊坡為一巖質(zhì)邊坡，局部含有薄層軟弱夾層，根據(jù)茍水泉[11]研究結(jié)果，使用錫箔紙表示軟弱夾層，使用不同質(zhì)量配比的石英砂、重晶石、石蠟油作為巖體的相似材料。通過對比分析，確定巖體相似材料質(zhì)量配比見表1。

表1 巖體相似材料質(zhì)量配比

2.3 實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

現(xiàn)場邊坡最大高度為54m，根據(jù)相似比確定實驗?zāi)Ｐ透叨葹?4.0cm，擬采用兩種開挖方案，方案一采用5級開挖的方式，從上至下各級開挖高度依次為4.0、10.0、10.0、10.0、20.0m，其中第1、2級開挖坡比為1∶1.25，第4、5級開挖坡比為1∶0.5，第3級上部分開挖坡比為1∶1.25，下部開挖坡比為1∶0.5，第1—2、2—3、3—4級中間平臺寬度為2.0m，第5級坡頂為一公路，寬為15m，根據(jù)方案一建立的底摩擦物理模型如圖1(a)所示。方案二采用3級開挖，從上至下開挖高度依次為19.0、15.0、20.0，開挖坡比依次為1∶1.25、1∶0.5、1∶0.5；其中第3級設(shè)計與方案一第5級一樣，頂寬為15m的公路，1、2級之間平臺寬度為2.0m。根據(jù)方案二建立的底摩擦物理模型如圖1(b)所示。

圖1 底摩擦模型

3 不同開挖方式穩(wěn)定性分析及防治措施建議

3.1 實驗過程及現(xiàn)象

方案一開挖后變形過程如圖2所示。邊坡開挖初期變形結(jié)果如圖2(a)所示，模型變形較小，僅在后緣(約53.5cm處)出現(xiàn)細微的拉張裂隙，裂隙寬度為0.2mm；隨著實驗的進行，在橡皮帶的摩擦作用下，坡體后緣拉張裂隙逐漸增大，每級邊坡均出現(xiàn)不同程度的變形，如圖2(b)所示；實驗結(jié)束后的變形特征如圖2(c)所示，邊坡出現(xiàn)一定程度的破壞現(xiàn)象，40～41cm處部分塊體已經(jīng)滑落，但坡體整體結(jié)構(gòu)仍較為完整，并未出現(xiàn)大面積的變形破壞，破壞深度范圍在2～4cm(垂直開挖面深度)內(nèi)。

圖2 方案一變形過程

方案二開挖后變形過程如圖3所示。開挖初期變形結(jié)果如圖3(a)所示，與方案一相同，首先在坡體后緣出現(xiàn)拉張裂隙，但方案二初期變形較方案一大，裂隙寬度在0.5～0.7cm范圍內(nèi)，發(fā)生變形的坡體范圍也較大，在30～54cm之間均出現(xiàn)了一定程度的變形；在實驗進行過程中1級邊坡出現(xiàn)較大范圍的破壞，2級邊坡開始出現(xiàn)拉張結(jié)構(gòu)面，如圖3(b)所示；實驗的最后階段1級邊坡及2級邊坡的上半部，即25～54cm之間邊坡出現(xiàn)較大程度的破壞，破壞深度達8～10cm，如圖3(c)所示。

圖3 方案二變形過程

3.2 實驗結(jié)果分析

根據(jù)兩個方案的實驗結(jié)果可知，含有軟弱夾層的順層巖質(zhì)邊坡開挖后，大多出現(xiàn)沿著軟弱夾層滑動破壞的變形特征，且滑動是沿著多個軟弱夾層同時發(fā)生的，多在后緣形成階梯狀的破壞面。方案一與方案二相比，邊坡的變形范圍明顯較小，因此可采取方案一作為導(dǎo)流工程邊坡的開挖方案。

3.3 防治措施建議

根據(jù)實驗結(jié)果結(jié)合工程經(jīng)驗，采用錨桿作為邊坡開挖的主要支護措施，錨桿治理措施如圖4所示。在20～35m處采用直徑φ=22mm，長度L=4.0m的錨桿；在5～15m處采用直徑φ=25mm，長度L=6.0m的錨桿；在0～5m處采用直徑φ=25mm，長度L=4.0m的錨桿保證開挖邊坡的整體穩(wěn)定性。由于降水會造成軟弱夾層強度的急劇降低，因此可在坡體表層采用掛網(wǎng)噴漿護坡。

圖4 錨桿治理措施

4 結(jié)論

(1)由底摩擦實驗結(jié)果可知，方案一開挖后邊坡會產(chǎn)生一定規(guī)模的變形破壞，但主要集中于表層，破壞規(guī)模遠小于方案二。開挖后形成良好的臨空面是邊坡發(fā)生變形的主要原因，兩種方案邊坡均為沿著軟弱層面發(fā)生多級滑動破壞，形成階梯狀破壞面。

(2)根據(jù)未支護邊坡開挖變形結(jié)果，確定方案一為施工導(dǎo)流邊坡開挖方案，采用錨桿支護后，邊坡并未出現(xiàn)較大規(guī)模的破壞，僅有表層的溜滑，在采用噴漿、植草措施后，可較好地控制淺表層巖體破壞。