某庫岸挖方邊坡坡形設計和穩(wěn)定性分析

呂 犇

(中冶沈勘工程技術有限公司，遼寧 沈陽 110000)

自2008年以來，受汶川、蘆山特大地震以及近年來持續(xù)強降雨耦合影響，觸發(fā)各類庫岸邊坡發(fā)生地質災害隱患達萬余處，庫岸邊坡穩(wěn)定性問題成為當前水庫施工及蓄水后極為關注的焦點。此類邊坡破壞是極為復雜的失穩(wěn)過程，受邊坡巖土體結構、礦化成分、地震、降雨、水位升降等內外因素耦合作用。目前，較多的研究認為降雨和水位波動更易于觸發(fā)庫岸邊坡發(fā)生滑塌或失穩(wěn)，主要針對三峽庫區(qū)各類邊坡穩(wěn)定性開展了理論分析、數值模擬和室內試驗等工作，取得了一些有益的成果。庫岸邊坡滑塌后的變形破壞特征是獲得此類滑坡變形破壞機制、災后防護治理的有效而重要的信息之一，庫岸挖方邊坡的坡形設計和穩(wěn)定性分析一直是巖土工程的一個重要內容，在此方面的研究極為稀少。安全合理的坡形設計、計算參數的選取、邊界條件和安全系數的確定直接影響邊坡穩(wěn)定性評價的結果的正確性。

文章以某庫岸開挖邊坡工程為例，對坡形設計原則、計算參數、邊界條件和安全系數進行了分析和討論。并根據邊坡特點，進行了破壞模式分析和穩(wěn)定性計算，為邊坡工程的支護設計、施工提出可靠的依據和有益的建議。

1 工程概況

某庫岸邊坡按總平面設計規(guī)劃，需開挖山體形成90m左右的挖方邊坡，地形坡度為22°～26°，局部陡峭處坡度可達60°。庫岸邊坡西側、中部均發(fā)育有“V”字形沖溝，長、寬、深分別為70、5、25m和15、5、25m。東部地勢平緩，坡度一般低于15°。文章研究區(qū)主要以西側沖溝段岸坡為例進行相關分析和探討。該段沖溝岸坡走向為70°～100°、流向145°，坡面坡度為16°～26°，地層主要為以含碎石粉質黏土為主，局部為含碎石黏土，松散～稍密，粉質黏土呈可塑狀，碎塊石母巖為次棱角狀中風化泥質砂巖，粒徑均為4cm，最大可達20cm，覆蓋層厚度為5～14m，局部可達25m。其下為泥質砂巖和頁巖互層。場地典型工程地質橫剖面如圖1所示。巖土體物理力學參數見表1、表2。庫水位高程為139m。萬年洪水位162.40m，千年洪水位160.20m，汛限水位153.10m。

表1 地基土主要物理力學性質指標

表2 地基巖層主要物理力學性質指標

圖1 場地典型工程地質橫剖面圖

2 坡形設計原則

邊坡坡形設計應遵循安全可靠和經濟適用的原則，在保證安全的前提下，結合工程實際情況，應盡量降低工程造價、方便現場施工。填方邊坡為松散體結構，若采用錨桿、擋墻或抗滑樁等支擋結構，支護效果不佳或造價較高；而挖方邊坡的穩(wěn)定性主要受結構面控制，若采用錨桿、格構梁或錨噴網等，則支護效果較好。同時兼顧工程征地范圍限制和場平工程挖、填土石方基本平衡的要求，因此填方邊坡采用自穩(wěn)的設計坡形，而挖方邊坡采用整體自穩(wěn)的設計坡形，局部臺階邊坡采用適當的支護措施。這樣較經濟，既可降低工程支護費用，又減少土石方的堆放、轉運。

3 計算參數選取

計算參數的選取是影響坡形設計和分析結果的重要因素。挖方邊坡根據結構面的性質，選取結構面的抗剪強度參數進行穩(wěn)定性計算：局部臺階邊坡φ取28°、C取12kPa；整體邊坡φ取32°、C取40kPa。

填方邊坡選取回填料的抗剪強度參數進行穩(wěn)定性計算。回填料抗剪強度參數主要根據現場剪切試驗結果、相應規(guī)程建議值和工程類比法綜合選取參數。

現場剪切試驗采用水平推擠法，試驗結果見表3。采用指數函數進行擬合，結果如圖2所示。

圖2 剪切試驗擬合曲線

表3 現場剪切試驗結果

由剪切試驗結果和擬合曲線可知，隨著垂直壓力的增大，φ逐漸減小。由于填方邊坡最高為46m，平均垂直壓力為400～500kPa，根據擬合方程可得φ為40°～42°。根據小浪底工程經驗，回填料為鈣質、硅質膠結砂巖，C取0kPa、φ取40°。

一般認為類似于碎石這種粗顆粒材料之間沒有黏粘聚力。但由于回填料中含有少量的土，以及碎石之間有咬合力的作用，一點不考慮黏聚力顯然過于保守。同時考慮到碎石材料具有不均勻性和離散性，因此黏聚力C值取試驗平均值的1/3以下，即10kPa左右。綜上所述，碎石回填料的抗剪強度參數φ取40°、C取10kPa。

4 邊界條件和安全系數的確定

邊界條件(即設計工況考慮的影響因素)和所要求達到的安全系數也是影響坡形設計的重要因素。以CPR1000-1方案為例，挖方Ⅰ區(qū)的邊坡只考慮地震荷載的作用。

填方邊坡根據不同分區(qū)邊坡的重要性，分正常運用條件Ⅰ(考慮地面超載和正常水位的荷載組合)、非常運用條件Ⅱ(考慮地面超載和千年洪水位驟降到汛限水位的荷載組合)和非常運用條件Ⅲ(考慮地面超載、地震和正常水位的荷載組合)這三種邊界條件考慮。

其中非常運用條件Ⅱ，水位驟降區(qū)間的確定是難點。從萬年洪水位驟降至死水位過于保守，不考慮水位驟降又不符合實際情況。鑒于富水水庫是大(1)型水庫，按照千年洪水位設計、萬年洪水位校核，其自身具有調節(jié)水位的能力，發(fā)生潰壩導致水位驟降的概率極低。但因防洪需要，短時間內降至汛限水位的情況很有可能，因此填方Ⅱ～Ⅲ區(qū)水位驟降按照千年洪水位驟降到汛限水位設計考慮。

各現行規(guī)范對邊坡的安全系數取值不一或對應的邊界條件不夠明確。經綜合考慮，對于挖方邊坡，局部臺階邊坡安全系數取1.35、整體邊坡安全系數取1.50。對于填方邊坡，安全系數根據不同分區(qū)邊坡的重要性和不同的邊界條件分別取值，詳見表4—5。

表4 挖方邊坡邊界條件及安全系數

根據上述幾個方面綜合考慮，填方邊坡臺階高8m，水下臺階邊坡坡率較緩，在水位變化處設置寬馬道，填方Ⅰ區(qū)邊坡整體坡率為1∶3.11、填方Ⅱ～Ⅲ區(qū)邊坡整體坡率為1∶2.03。

挖方邊坡臺階高10m，上部臺階邊坡坡率較緩，在邊坡中腰附近設置寬馬道，挖方Ⅰ區(qū)邊坡整體坡率為1∶1.30。

5 穩(wěn)定性分析評價

挖方巖質高邊坡不同于一般邊坡，其特點是巖體結構復雜，節(jié)理、裂隙互相切割，塊體極不規(guī)則，邊坡發(fā)生破壞主要受結構面控制。本工程從巖體中結構面的傾斜產狀與發(fā)育程度的統(tǒng)計分析出發(fā)，采用赤平投影分析邊坡的破壞模式，分析結果如圖3、圖4所示。本工程將統(tǒng)計出的優(yōu)勢結構面標于含有坡面大圓與磨擦圓的赤平投影圖上，根據結構面是否在危險區(qū)內及其傾向可推斷該結構面對巖體穩(wěn)定性的影響。分析結果表明：存在順坡緩傾的結構面，可能發(fā)生平面滑動或楔形滑動，再根據極限平衡計算公式進行穩(wěn)定性計算，計算結果見表6。

表6 挖方邊坡穩(wěn)定性計算結果

圖3 節(jié)理統(tǒng)計結果

圖4 破壞模式分析結果

由表5可知，邊坡整體穩(wěn)定，安全系數大于1.50；坡率為1∶0.8、1∶1的臺階邊坡安全系數小于1.35，易發(fā)生平面滑動與楔形滑動，這也與坡形設計原則相符。

表5 邊界條件及安全系數

填方邊坡及挖方邊坡頂部的第四系覆蓋層或強風化層破壞模式為圓弧滑動，如圖5所示。本工程采用瑞典條分法和畢肖普法進行穩(wěn)定性計算。穩(wěn)定性計算結果表明：各分區(qū)填方邊坡安全系數均滿足相應邊界條件的安全系數設計值。

圖5 典型剖面圓弧滑動示意圖

需要說明的是，填方Ⅰ區(qū)邊坡在非常運用條件Ⅲ下，安全系數小于1.10。根據能量守恒定律，估算了可能滑入核安全備用水池的滑方量較少、最大滑移距離不大。從庫容分析，滑方量不會影響核安全備用水池的正常使用。

此外，還對填方邊坡的整體抗滑移穩(wěn)定性和回填引起的沉降量進行分析。邊坡整體抗滑移穩(wěn)定安全系數大于1.30，滿足抗滑移穩(wěn)定性要求。沉降量按填方施工周期約1年考慮，在填筑完畢后第四系含礫黏性土主固結沉降已基本完成，固結度超過80%。

6 結語

文章以某庫岸開挖邊坡為例，在地質分析的基礎上，對坡形設計原則、計算參數選取以及邊界條件和安全系數的確定進行了分析、討論。并根據填方和挖方邊坡各自的特點，進行了破壞模式分析和穩(wěn)定性計算。分析結果表明：

(1)邊坡坡形設計應遵循安全可靠和經濟適用的原則，滿足工程實際要求。

(2)回填料受自身特點和施工情況影響，具有很大的離散性，其計算參數應基于現場試驗和工程經驗綜合選取。

(3)邊界條件和安全系數應結合工程特點和自身功能的要求甄別確定，不能一概而論。

(4)邊坡穩(wěn)定性分析結果為邊坡工程的支護設計、施工提出可靠的依據和有益的建議。