劉淼新

(梅州市大埔縣移民工作局，廣東 梅州 514299)

膨脹土是一種特殊的黏土，具有多種裂縫、強(qiáng)膨脹性和超固結(jié)特性[1]。裂縫對(duì)膨脹土的性質(zhì)有很強(qiáng)的影響，如強(qiáng)度、變形和滲流。一旦膨脹土暴露在大氣中，土壤水分反復(fù)變化，土壤結(jié)構(gòu)迅速瓦解，其透水性隨裂縫發(fā)展不斷增加，強(qiáng)度迅速下降直至達(dá)到零，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)等工程問(wèn)題[2]。

由于其強(qiáng)烈的膨脹和收縮特性，膨脹土在干濕循環(huán)中很容易形成裂縫。迄今為止，大量研究發(fā)現(xiàn)裂縫在膨脹土邊坡的穩(wěn)定性中起著重要作用[3]。一些學(xué)者認(rèn)為，多裂縫是影響膨脹土坡不穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[4]。對(duì)膨脹土強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)探討裂縫在膨脹土邊坡失穩(wěn)中的作用，可以解釋裂縫萌生與膨脹土邊坡失穩(wěn)特征之間的關(guān)系。此外，邊坡穩(wěn)定性分析方法，考慮到裂縫的影響和土工膜限制裂縫發(fā)展的加固方法已被提出[5]。何鵬[6]也認(rèn)為裂縫發(fā)育深度是膨脹土邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵問(wèn)題，并建立了考慮失水率和累積損傷的裂縫發(fā)展深度計(jì)算模型。陳恕等[7]通過(guò)實(shí)例分析表明，膨脹土中存在裂隙坡度對(duì)降雨入滲和孔隙水壓力分布有顯著影響。梅嶺[8]和楊智強(qiáng)[9]試圖使用線彈性力學(xué)，線彈性斷裂力學(xué)和剪切破壞等方法來(lái)研究土壤裂縫長(zhǎng)度。通過(guò)數(shù)值分析考慮了裂縫和耦合效應(yīng)，研究了膨脹土邊坡穩(wěn)定性，證明了耦合行為和裂縫對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的不利影響，因此在傳統(tǒng)工程實(shí)踐中應(yīng)予以考慮[10]。相關(guān)文獻(xiàn)[11- 13]分析了膨脹土邊坡對(duì)裂縫和降雨入滲影響的穩(wěn)定性，并通過(guò)工程實(shí)例比較了考慮或不考慮裂縫的差異。結(jié)果表明，考慮裂縫影響的邊坡入滲和穩(wěn)定性分析更為合理和實(shí)用。一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的研究主要集中在影響膨脹土邊坡穩(wěn)定性的裂縫的存在和分布上。

因此，本研究的目的是建立一個(gè)基于上限理論和變形力的韓江高陂水利樞紐大麻防護(hù)工程兩級(jí)膨脹土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法?？紤]裂縫對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響，研究了膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析。并根據(jù)影響因素，探討了裂縫深度和傾角對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 材料與方法

1.1 工程概述

韓江高陂水利樞紐位于廣東省大埔縣境內(nèi)，是韓江干流的潮州供水樞紐上游又一座大型水利樞紐。壩址在大埔縣高陂鎮(zhèn)上游約5km處，距大埔縣城、梅州市、潮州市的直線距離分別約為15km、50km、60km。大麻鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)是大埔縣重要的中心鎮(zhèn)之一，位于韓江右岸。大麻鎮(zhèn)堤防建筑物等級(jí)為Ⅳ級(jí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。排澇泵站為10年一遇，24h暴雨3d排干。當(dāng)?shù)虄?nèi)水位高于外江水位時(shí)由自流涵閘排出，自流排水涵排澇面積4.3km2；當(dāng)?shù)虄?nèi)水位低于外江水位(以三河壩40m水位參考)時(shí)由電排站排出，電排站排澇面積4.3km2。

1.2 考慮裂縫影響的邊坡模型

多裂縫是膨脹土的典型特征，裂縫是邊坡穩(wěn)定性分析的重要因素[11]。膨脹土的滲透性小，降雨入滲量有限，裂縫的存在為雨水滲透提供了良好的通道；這些特征進(jìn)一步導(dǎo)致膨脹土坡的滑坡。如圖1所示，考慮與滑動(dòng)面連接的裂縫，其中裂縫的深度和靜水壓力分別用hw和Pw表示。

hw=nH(0≤n≤1)

(1)

(2)

根據(jù)式(1)，當(dāng)n=0時(shí)，裂縫深度為0；當(dāng)n=1時(shí)，裂縫深度為坡高。

圖1 裂縫對(duì)邊坡的影響

1.3 坡度的幾何關(guān)系

大麻防護(hù)工程存在部分兩級(jí)膨脹土斜坡?；谏舷蘩碚摲治?，研究?jī)杉?jí)邊坡的穩(wěn)定性。在膨脹坡的兩級(jí)高邊坡段，從上到下的平臺(tái)寬度為d0=L，d1，d2=0；從頂部到底部坡度的坡度級(jí)別為β1和β2，從上到下的高度為α1H和α2H，其中α1和α2是高度系數(shù)?；瑒?dòng)體ABC圍繞旋轉(zhuǎn)中心O和相對(duì)螺旋平面AC下方的穩(wěn)定體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，AC面是速度不連續(xù)的薄層，OA的長(zhǎng)度是r0，OA和OC的斜率分別為θ0和θh。斜坡的高度為H。斜率的破壞機(jī)理是由3個(gè)變量構(gòu)成，H、θ0、θh與方形框架梁間距DL。斜坡高度H1和H2為8m，斜率是33.5°(坡度1∶1.5)。

圖2 兩級(jí)斜坡的對(duì)數(shù)螺旋滑動(dòng)面

如圖2所示，坐標(biāo)變換后，幾何關(guān)系H/r0和L/r0可以用來(lái)表示θ0和θh，計(jì)算方法如下所示：

(3)

(4)

式中，θh—OG和水平線之間的夾角；βi—裂紋的水平傾斜角度，當(dāng)裂縫是垂直的時(shí)，βi=90°，水平的時(shí)，βi=0°；LAF—線段AF的長(zhǎng)度。

1.4 斜坡的外力

由于裂縫的存在，滑動(dòng)面不能通過(guò)A，膨脹土滑動(dòng)面積用FBCG表示(如圖1所示)。疊加方法可用于計(jì)算FBCG區(qū)域的所受外力。FBCG=ABC-AFG，ABC和AFG區(qū)域更容易計(jì)算。因此，重力可以表示為：

WFBCG=WABC-WAFG

(5)

環(huán)境變化引起的外部動(dòng)力的膨脹和變形同樣，水平變形力可表示為：

FFBCG=FABC-FAFG

(6)

流體靜壓力來(lái)自hw/3位置的高度的點(diǎn)G。因此，靜水壓力功率可如下所示：

(7)

內(nèi)部載荷：

(8)

孔隙水壓力：

Wwater=Sx·γwΩsinφw

(9)

地震載荷：

Wk=Wkh+Wkv

(10)

2 結(jié)果與討論

2.1 邊坡安全系數(shù)分析

本文選擇βi=90°，n1=0.1的裂紋角。其他相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1?？紤]孔隙水壓力影響的斜率安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。在三種情況下自動(dòng)輸出斜坡滑動(dòng)面圖，如圖3所示。

表1 兩級(jí)膨脹土坡度參數(shù)

由表2可知，考慮自重的影響時(shí)，斜率的安全系數(shù)為0.903；考慮自重和裂縫時(shí)，斜率的安全系數(shù)為0.828，由于裂縫，安全系數(shù)降低了8.31%?？紤]裂縫的自重、裂縫和靜水壓力時(shí)，邊坡安全系數(shù)為0.825，表明裂縫的靜水壓力略微影響邊坡的安全系數(shù)?？紤]自重、變形力和裂縫時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為0.757?？紤]自重、地震力和裂縫的影響時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為0.696?？紤]自重、變形力、地震力和水壓時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為0.558;考慮自重、變形力、地震力、水壓和裂縫時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為0.492。降低了系數(shù)低，最大降低百分比為11.83%，表明裂縫不利于邊坡穩(wěn)定性。此外，裂縫的靜水壓力對(duì)安全系數(shù)的影響很小，裂縫對(duì)邊坡安全的影響小于地震(低至17.65%)和孔隙水壓力(低至16.17%)、大于變形力(低至7.8%)。

表2 安全系數(shù)比較

圖3 考慮裂縫影響的斜坡對(duì)數(shù)螺旋滑動(dòng)面

如圖3所示，考慮裂縫的影響時(shí)，斜坡的滑動(dòng)表面的長(zhǎng)度縮短并與裂縫連通。考慮對(duì)數(shù)螺旋滑動(dòng)面初始半徑的3個(gè)操作條件如下：自重+最大裂縫、自重+變形力+裂縫和自重+地震+最小裂縫。

2.2 影響因素分析

裂縫角度為90°，裂縫深度為1m、2m、3m、4m，選擇3種不同的條件，其他參數(shù)保持不變。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，安全系數(shù)隨裂縫深度的增加而減小。當(dāng)裂縫深度為4m時(shí)，安全系數(shù)為0.71。考慮變形力的影響時(shí)，安全系數(shù)為0.651?？紤]地震和變形力時(shí)，安全系數(shù)降低到0.569。

表3 裂縫深度與安全系數(shù)之間的關(guān)系

3 結(jié)論

安全系數(shù)隨裂縫深度的增加而減小，考慮到地震和變形力影響的安全系數(shù)最小。當(dāng)裂縫深度為4m時(shí)，安全系數(shù)為0.71?？紤]變形力時(shí)，安全系數(shù)為0.651?？紤]地震和變形的影響時(shí)，安全系數(shù)降低到0.569。

裂縫角度的變化會(huì)對(duì)安全系數(shù)產(chǎn)生輕微影響。由于裂縫深度分別為1m、2m、3m、4m，裂縫深度對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響大于裂縫傾角。并且對(duì)數(shù)螺旋滑移面L，θ0和r0在各種裂縫深度下具有不同程度的差異。