孟凡成，彭坤杰，孟 云，嚴(yán) 雨，謝壽平

(1.貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550004；2. 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引 言

重慶市石柱縣萬(wàn)勝壩水庫(kù)工程電站廠房位于方斗山北西麓趕家橋煤礦下游，行政隸屬于石柱縣沿溪鎮(zhèn)。該電站進(jìn)場(chǎng)公路位于傍山斜坡地形，公路施工不可避免地對(duì)斜坡坡腳進(jìn)行開挖，形成深挖路塹邊坡，這些工程邊坡的穩(wěn)定性狀況，直接關(guān)系到進(jìn)場(chǎng)道路的正常建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)，并在一定程度上影響著水電站進(jìn)場(chǎng)公路的通行安全問題[1]。邊坡一旦發(fā)生變形破壞，就會(huì)導(dǎo)致處治工程失效甚至產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，即增加了投資，又延誤了工期，還給運(yùn)營(yíng)安全留下了隱患[2,3]。因此，如何通過綜合研究，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)和科學(xué)的預(yù)測(cè)[4]，提出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，對(duì)加快施工進(jìn)度，降低工程造價(jià)，減少施工和運(yùn)營(yíng)期間的邊坡地質(zhì)災(zāi)害，保證萬(wàn)勝壩水庫(kù)工程電站順利建成具有十分重要的作用。

目前，在邊坡勘察設(shè)計(jì)中大多采用地質(zhì)分析與剛體極限平衡方法[5]，這類分析方法主要依賴于地質(zhì)環(huán)境條件的分析，而邊坡穩(wěn)定性的影響因素很多且復(fù)雜[6,7]，單一的分析方法遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前邊坡勘察設(shè)計(jì)的需求，然而綜合的研究方法已成為當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性分析的必然趨勢(shì)。

以水電站進(jìn)場(chǎng)公路深挖路塹邊坡為例，采用有限元與極限平衡相結(jié)合的綜合分析方法，對(duì)路塹邊坡開挖過程的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，弄清路塹邊坡施工開挖穩(wěn)定性和滑移面的演化規(guī)律，提出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)施工方案，對(duì)于保證電站進(jìn)場(chǎng)公路邊坡施工和運(yùn)營(yíng)安全具有十分重要的工程實(shí)踐意義。

1 邊坡概況及有限元分析模型建立

1.1 邊坡工程地質(zhì)概況

該電站進(jìn)場(chǎng)公路K0+000～K3+125.276段存在深挖路塹，其中K2+210～K280段公路挖方高度最大為54.18m。地貌上屬中山侵蝕地貌，地形起伏較大。

根據(jù)鉆探揭露和區(qū)域地質(zhì)資料揭示，K2+210～K280段進(jìn)場(chǎng)公路邊坡地層由表及里分別為④粉質(zhì)黏土層、⑤強(qiáng)風(fēng)化泥巖層和⑦中風(fēng)化砂巖層(見圖1)。

圖1 路塹邊坡地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of cutting slope

根據(jù)勘察成果，泥巖屬于軟質(zhì)巖石，是陸源碎屑沉積的最細(xì)粒部分，主要由黏土礦物(如水云母、高嶺石、蒙脫石等)和碎屑礦物(石英、長(zhǎng)石、云母等)組成，具有遇水崩解、易風(fēng)化的工程特點(diǎn)。坡體開挖后一旦長(zhǎng)時(shí)間暴露于地表，在日照、溫差和降雨的綜合作用下風(fēng)化強(qiáng)烈，導(dǎo)致坡體裂隙增多、巖體強(qiáng)度降低，坡面易發(fā)生崩解、剝落，會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性造成影響。

根據(jù)勘察試驗(yàn)成果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，對(duì)邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行綜合取值，詳見表1。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 physical and mechanics parameters of rock-soil mass for cutting slope

1.2 深挖方邊坡設(shè)計(jì)概況

本段路塹采用臺(tái)階式放坡，典型斷面設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 深挖路塹邊坡設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design scheme of deep cutting slope

除第一階邊坡高度8 m外，第二至第五級(jí)邊坡高度均為10 m，平臺(tái)寬度2 m，第六級(jí)邊坡高度為6.4 m，宜分層、分級(jí)開挖、防護(hù)。

邊坡開挖坡率是根據(jù)邊坡的工程地質(zhì)條件，參考相關(guān)規(guī)范綜合確定。采用坡率如下：第一級(jí)坡比1∶0.5，采用光面爆破施工；第二～第五級(jí)坡比為1∶0.75，第六級(jí)坡比為1∶1.25，邊坡防護(hù)根據(jù)邊坡的地質(zhì)條件確定。

1.3 有限元分析模型建立

根據(jù)路塹邊坡的工程地質(zhì)條件，采用有限元建模建立邊坡的數(shù)值分析模型，共剖分了4 258個(gè)單元，4 367個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖3。

圖3 邊坡有限元分析模型Fig.3 Finite element analysis model for cutting slope

模型左右邊界約束X方向位移，底面邊界約束X和Y方向位移。

2 邊坡有限元強(qiáng)度折減分析

2.1 有限元強(qiáng)度折減法

有限元強(qiáng)度系數(shù)折減法[8]的基本原理是將坡體強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力和內(nèi)摩擦角值)同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)F，得到一組新的值，然后作為新的材料參數(shù)輸入，再進(jìn)行試算，利用相應(yīng)的穩(wěn)定判斷準(zhǔn)則，確定相應(yīng)的F值為坡體的最小穩(wěn)定安全系數(shù)，此時(shí)坡體達(dá)到極限狀態(tài)，發(fā)生剪切破壞，同時(shí)又可得到坡體的破壞滑動(dòng)面，具體計(jì)算步驟可參考文獻(xiàn)[9,10]。

2.2 邊坡有限元強(qiáng)度折減分析結(jié)果

對(duì)建立的路塹邊坡地質(zhì)模型進(jìn)行有限元分析，得到不同開挖階段路塹邊坡的有限元強(qiáng)度折減計(jì)算結(jié)果，見表2和圖4。

表2 深挖路塹邊坡穩(wěn)定性強(qiáng)度折減計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of deep cutting slope stability for SSR

圖4 深挖路塹邊坡有限元強(qiáng)度折減計(jì)算成果圖Fig.4 Plots of deep cutting slope for SSR

從表2可以看出：隨著邊坡逐級(jí)開挖，邊坡的穩(wěn)定性也逐步增大，尤其是第二級(jí)和第一級(jí)邊坡開挖后，邊坡的穩(wěn)定性有較大幅度提高。這是由于隨著邊坡的開挖，淺表層的粉質(zhì)黏土層被挖除了，坡體為強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，邊坡巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)也逐步提高了。因此，邊坡的穩(wěn)定性也逐步提高了，與工程地質(zhì)定性判斷一致。

從圖4可以看出：邊坡可能的滑移面隨著邊坡逐級(jí)開挖施工逐步發(fā)生調(diào)整，且均為圓弧形滑動(dòng)，原始邊坡、第三級(jí)至第六級(jí)邊坡開挖時(shí)從殘坡積層發(fā)生圓弧滑動(dòng)，第二級(jí)邊坡開挖時(shí)從殘坡積層和強(qiáng)風(fēng)化泥巖層發(fā)生圓弧滑動(dòng)，第一級(jí)邊開挖時(shí)從強(qiáng)風(fēng)化泥巖層發(fā)生圓弧滑動(dòng)。

3 邊坡穩(wěn)定性剛體極限平衡分析

為了與強(qiáng)度折減法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，采用邊坡剛體極限平衡分析方法對(duì)邊坡原始坡形、不同開挖條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。各施工工況條件下路塹邊坡可能滑移面見圖5。

從表3可以看出：隨著邊坡的開挖，邊坡的穩(wěn)定性有逐步提高，尤其是第二級(jí)和第一級(jí)邊坡開挖后，邊坡的穩(wěn)定性提高幅度較大，與路塹邊坡開挖有限元折減分析結(jié)果一致。

從圖5可以看出：隨著邊坡逐級(jí)開挖施工，邊坡可能的滑移面也逐步調(diào)整，而且原始邊坡、第六級(jí)至第二級(jí)邊坡開挖時(shí)，邊坡可能的滑移面在殘坡積層，第一級(jí)邊坡開挖時(shí)，邊坡可能的滑移面發(fā)生第二級(jí)邊坡以上。因此，路塹邊坡第二級(jí)與第四級(jí)邊坡應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，避免邊坡從第二?jí)邊坡頂發(fā)生從強(qiáng)風(fēng)化泥巖層圓弧滑動(dòng)。

表3 深挖路塹邊坡穩(wěn)定性剛體極限計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of deep cutting slope stability for rigid limit equilibrium method

4 邊坡穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

對(duì)路塹邊坡開展強(qiáng)度折減和剛體極限平衡分析，綜合兩種計(jì)算結(jié)果，得到路塹邊坡穩(wěn)定性隨逐級(jí)施工開挖的演化過程，見圖6。

從圖6可以看出：有限元強(qiáng)度折減法得到路塹邊坡的穩(wěn)定性演化規(guī)律與剛體極限平衡法一致，路塹邊坡的穩(wěn)定性隨著逐級(jí)開挖，穩(wěn)定性系數(shù)逐步有所提高，尤其是第二級(jí)和第一級(jí)邊坡開挖，穩(wěn)定性提高的幅度較大。對(duì)比兩種方法得到的路塹邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果基本一致，且有限元強(qiáng)度折減法得到的穩(wěn)定性系數(shù)略大于剛體極限平衡法。

圖5 深挖路塹邊坡剛體極限平衡計(jì)算成果圖Fig.5 plots of deep cutting slope for rigid limit equilibrium method

圖6 深挖路塹邊坡穩(wěn)定性演化Fig.6 Stability evolution of deep cutting slope

對(duì)比圖4和圖5，兩種計(jì)算方法得到的路塹邊坡原始坡形、逐級(jí)開挖時(shí)，邊坡可能滑移面的位置和形狀基本一致，且均為圓弧形滑動(dòng)，尤其是第一級(jí)邊坡開挖后，路塹邊坡的滑移面從殘坡積層滑出變化為從第三級(jí)邊坡坡腳位置滑出。

綜合分析以上成果，路塹邊坡在施工開挖過程中始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明了根據(jù)坡體的工程地質(zhì)性質(zhì)提出的坡率是能夠滿足邊坡整體穩(wěn)定性。鑒于強(qiáng)風(fēng)化泥巖層長(zhǎng)期暴露于坡面，受到自然條件(降雨、溫差等)的長(zhǎng)期作用下風(fēng)化強(qiáng)烈，導(dǎo)致坡體裂隙增多、巖石強(qiáng)度降低，坡面易發(fā)生崩解、剝落，力學(xué)性質(zhì)會(huì)逐步惡化，邊坡的穩(wěn)定性將逐步降低，有可能從第二級(jí)邊坡坡頂發(fā)生圓弧形滑動(dòng)。因此，邊坡的防護(hù)應(yīng)根據(jù)坡面巖體的工程特性和滑移面的變化提出針對(duì)性的措施，即建議第二級(jí)～第四級(jí)邊坡應(yīng)采取錨桿框架植草防護(hù)措施，第一級(jí)邊坡采用漿砌片石護(hù)面墻防護(hù)，第五～第六級(jí)邊坡采取擬掛網(wǎng)混植防護(hù)措施，并且開挖一級(jí)后應(yīng)立即進(jìn)行防護(hù)施工，及時(shí)封閉坡面,即能夠有效阻止日曬雨淋導(dǎo)致的風(fēng)化加劇，不僅避免表層風(fēng)化剝落的發(fā)生、發(fā)展，而且能保證坡體長(zhǎng)期穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

采用有限元強(qiáng)度折減法和剛體極限平衡法對(duì)水電站進(jìn)場(chǎng)深挖路塹邊坡逐級(jí)開挖施工的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，綜合評(píng)價(jià)了邊坡的穩(wěn)定性，所得結(jié)論如下：

(1)隨著深挖路塹邊坡的逐級(jí)開挖施工，邊坡的穩(wěn)定性逐步提高，尤其是第二級(jí)和第一級(jí)邊坡開挖后，邊坡的穩(wěn)定性有較大幅度提高，邊坡可能的滑移面也隨著開挖過程逐步調(diào)整。

(2)兩種計(jì)算方法得到的路塹邊坡原始坡形、逐級(jí)開挖時(shí)，邊坡可能滑移面的位置和形狀基本一致。原始邊坡、第六級(jí)至第二級(jí)邊坡開挖時(shí)可能從殘坡積層發(fā)生圓弧滑動(dòng)，第一級(jí)邊坡開挖時(shí)可能從強(qiáng)風(fēng)化泥巖層發(fā)生圓弧滑動(dòng)，可能滑動(dòng)面的調(diào)整為防護(hù)措施選擇提供了依據(jù)。

(3)鑒于強(qiáng)風(fēng)化泥巖坡面在日照、溫差和降雨的綜合作用下風(fēng)化強(qiáng)烈，導(dǎo)致坡體裂隙增多、巖體強(qiáng)度降低，坡面易發(fā)生崩解、剝落，力學(xué)性質(zhì)會(huì)逐步惡化，邊坡的穩(wěn)定性將逐步降低，有可能從第二級(jí)邊坡坡頂發(fā)生圓弧形滑動(dòng)。為了確保路塹邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，建議第二級(jí)至第四級(jí)邊坡應(yīng)采取錨桿框架植草防護(hù)措施，第一級(jí)邊坡采取漿砌片石護(hù)面墻，第五～第六級(jí)邊坡擬掛網(wǎng)混植防護(hù)，并且開挖一級(jí)后應(yīng)立即進(jìn)行擬掛網(wǎng)混植防護(hù)施工，及時(shí)封閉坡面。