熊麗婷 伍曾 王斌

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.國(guó)家林業(yè)和草原局昆明勘察設(shè)計(jì)院 昆明 650216)

0 引言

堆積體穩(wěn)定性分析是公路、鐵路和水庫(kù)等基礎(chǔ)設(shè)施在山區(qū)建設(shè)時(shí)的常見(jiàn)問(wèn)題，許多研究者都從降雨滲流的角度分析不同滲流特性對(duì)堆積體穩(wěn)定性的影響[1-4]；馮玉濤等[5]采用不平衡推力法對(duì)不同工況下山區(qū)高速公路堆積體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析；羅延婷等[6]將某壩前堆積體分為3個(gè)區(qū)采用數(shù)值模擬的計(jì)算方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析；鄒燁等[7]采用矢量和法與有限元法相結(jié)合的三維邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性分析法對(duì)地震荷載下的堆積體進(jìn)行穩(wěn)定性分析；張玉等[8]采用三維極限平衡方法和大變形拉格朗日有限差分法建立三維計(jì)算模型對(duì)滑坡堆積進(jìn)行穩(wěn)定性分析。由于在工程實(shí)踐中，僅考慮降雨影響并不全面，且如果采用三維分析方法難以全面確定邊界條件，故本文采用位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析法對(duì)堆積體的穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用二維極限平衡法計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行定量分析，該分析方法便于工程實(shí)踐的運(yùn)用。

1 工程概況

該堆積體位于瀾滄江左岸，高程分布在1 430～1 650 m間。整個(gè)堆積體平面上看似馬蹄形，整體呈上陡下緩，后緣與基巖山坡相連，其中1 600 m高程以上總體坡度25°～35°，局部為陡坎；1 600 m高程以下總體坡度22°～26°，下游側(cè)稍陡；堆積體前緣高程1 430 m處，因河流沖刷局部形成高約20 m、坡度40°的陡坎；上游側(cè)邊緣以凸起小山梁為界，下游側(cè)邊緣以滑移形成的陡坎為界。堆積體“圈椅”狀明顯，局部地形呈階梯狀。在高程1 600 m左右有一平臺(tái)，后部為數(shù)米高陡坡。堆積體中下部發(fā)育一小型沖溝，切割不深，溝壁以碎塊石為主，顆粒較大，呈季節(jié)性流水。該堆積體所在段瀾滄江河流流向約S20°E，巖層走向近SN向，為順向谷。堆積體順河向?qū)挾燃s320 m，垂直河流長(zhǎng)度約510 m，厚度最深可達(dá)60 m，平均厚度20～40 m，體積約450萬(wàn)m3。水庫(kù)蓄水至正常蓄水位1 477 m時(shí)，淹沒(méi)其前緣47 m。

2 堆積體穩(wěn)定性的定性分析

2.1 變形監(jiān)測(cè)成果

2.1.1 表面變形監(jiān)測(cè)成果

該堆積體共布置12個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)(如圖1)，其中6個(gè)為表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其余6個(gè)為GNSS變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體位置如表1所列。

圖1 堆積體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

表1 GNSS及表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)和GNSS 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)成果分別如表2和表3所示。

表2 表面變形監(jiān)測(cè)成果

表3 GNSS監(jiān)測(cè)成果

2.1.2 深層變形監(jiān)測(cè)成果

對(duì)堆積體布置了6個(gè)測(cè)斜孔(如圖2)進(jìn)行深層土體水平位移變形監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)成果如表4所列。

圖2 深層測(cè)斜孔位示意

表4 測(cè)斜孔孔口變形監(jiān)測(cè)成果

2.2 穩(wěn)定性分析

表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，堆積體變形較大的部位為上下游側(cè)及前緣，垂直位移以上游側(cè)QWD1-2、QWD2-1、QWD1-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化較大，水平向位移以QWD1-1、QWD1-2、QWD2-3、GNSS-1、GNSS-2監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化較大，其中垂直位移最大的為QWD1-2，沉降118.8 mm；水平位移最大的為QWD1-1，向右岸方向水平位移241.8 mm，均位于堆積體前緣，堆積體后緣及中部變形較小。GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移方向大體一致，說(shuō)明堆積體整體向同一個(gè)方位變形。

深層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，除QWDZK04存在輕微蠕動(dòng)變形外，目前堆積體內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯的滑面，其余各孔未見(jiàn)明顯滑移變形。水庫(kù)蓄水前，堆積體整體處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。水庫(kù)蓄水至正常蓄水位1 477 m后，堆積體前緣局部存在塌岸，前緣邊坡發(fā)育4條平行河道裂縫，寬度為0.5～5 cm，分布高程為1 485 m，目前裂縫尚未貫通；沿江公路以下房屋存在不同程度的開(kāi)裂、基礎(chǔ)沉降變形及擋墻鼓脹破裂現(xiàn)象等。堆積體上下右側(cè)存在延伸較長(zhǎng)的老舊裂縫，近期裂縫有增大且繼續(xù)延長(zhǎng)的趨勢(shì)，目前裂縫一般寬5～20 cm，錯(cuò)臺(tái)5～15 cm，最寬可達(dá)40 cm，可見(jiàn)深度一般0.3～1.5 m。初步分析，水庫(kù)蓄水后堆積體前緣土體受庫(kù)水浸泡影響，物理力學(xué)指標(biāo)降低，產(chǎn)生塌岸，為后緣邊坡蠕動(dòng)變形提供空間，岸坡在變形調(diào)整過(guò)程中，加劇了地表建筑物的拉裂破壞。由于堆積體前緣塌岸范圍有限，堆積體整體發(fā)生突發(fā)性滑坡地質(zhì)災(zāi)害的可能性較小，但岸坡蠕變現(xiàn)象還會(huì)持續(xù)發(fā)生，直至最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)結(jié)合監(jiān)測(cè)資料、裂縫分布特征，表明該堆積體目前處于蠕動(dòng)變形狀態(tài)。

3 堆積體穩(wěn)定性的定量分析

3.1 巖土力學(xué)參數(shù)

堆積體的各層巖土力學(xué)參數(shù)采用表5所列的物理力學(xué)參數(shù)建議值。

表5 覆蓋層的物理力學(xué)參數(shù)建議值

關(guān)于覆蓋層的物理力學(xué)參數(shù)，水上、水下的摩擦角與凝聚力采用平均值代入各工況計(jì)算，水面線以上的覆蓋層采用摩擦角f=22°，凝聚力c=30 kPa，天然容重G=21 kN/m3，水面線以下的覆蓋層采用摩擦角f=20.5°，凝聚力c=20 kPa，飽和容重G=22 kN/m3。

3.2 計(jì)算方法

通常來(lái)講，滑坡體的穩(wěn)定分析評(píng)價(jià)包括以下計(jì)算研究手段：

(1)基于二維極限平衡法邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算及評(píng)價(jià)；

(2)基于二維有限元應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算及分析；

(3)基于二維有限元強(qiáng)度折減法邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算及評(píng)價(jià)；

(4)基于三維有限元應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算及分析；

(5)極限平衡法或有限元進(jìn)行治理措施研究及效果評(píng)價(jià)。

該堆積體采用基于二維極限平衡法的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算法分析其穩(wěn)定性，采用簡(jiǎn)化畢肖普法作為非嚴(yán)格解法代表，采用摩根斯坦-普萊斯法和詹步法作為嚴(yán)格解法代表，每一個(gè)滑面同時(shí)進(jìn)行3種方法計(jì)算對(duì)比，確保安全系數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

計(jì)算采用Slide軟件作為邊坡穩(wěn)定分析程序，在任一斷面的特定工況下的穩(wěn)定計(jì)算分析中，程序自動(dòng)進(jìn)行5 000～9 000個(gè)滑移面的自動(dòng)搜索，尋找安全系數(shù)最小的滑移面，并顯示所有滑移面(包括滑弧和圓心)對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)云圖。根據(jù)滑移模式的分析判斷潛在滑移面，提取需要的滑移面對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)。

3.3 滑移模式分析

該堆積體邊坡為巖土混合邊坡，基巖埋藏深度較大，覆蓋層厚度為20～60 m。水對(duì)土層浸泡以及水滲入土體對(duì)此類邊坡穩(wěn)定影響較大，易產(chǎn)生沿土層內(nèi)滑動(dòng)、土層局部坍塌、沿下伏基巖面的土層滑動(dòng)等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察及變形監(jiān)測(cè)情況，對(duì)變形滑移模式進(jìn)行的分析表明，由于堆積體的土體厚度較大，其存在沿表層或深部發(fā)生滑動(dòng)的可能性。因此，本次穩(wěn)定分析主要分析堆積體前緣局部滑動(dòng)、表層滑動(dòng)、整體滑動(dòng)等滑移模式的穩(wěn)定狀況(如圖3)。

圖3 典型剖面滑移模式示意

3.4 計(jì)算剖面

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，結(jié)合變形監(jiān)測(cè)資料選取計(jì)算剖面，從上游至下游依次選取與邊坡走向正交的1-1剖面、2-2剖面、3-3剖面、4-4剖面，以及存在局部變形的5-5剖面，剖面具體位置如圖4所示。

圖4 計(jì)算剖面位置示意

3.5 計(jì)算工況

(1)正常運(yùn)用工況

正常蓄水位高程為1 477 m。

(2)水位驟降工況

驟降工況水位從正常蓄水位高程1 477 m降至死水位高程1 472 m，水位變幅5 m。計(jì)算水位驟降工況時(shí)，假設(shè)排水速率小于降水速率，按最不利工況考慮，認(rèn)為浸潤(rùn)線不產(chǎn)生降落。

(3)降雨工況

降雨工況中，計(jì)算擬通過(guò)給定滑面上的孔隙水壓力系數(shù)ru來(lái)模擬降雨?？紫端畨毫Ω鶕?jù)浸潤(rùn)線的位置按簡(jiǎn)化原則確定，假定流場(chǎng)的等勢(shì)線鉛直，則A點(diǎn)承受的孔隙水壓力為

μ=rwh

(1)

A點(diǎn)的孔隙水壓力系數(shù)ru定義為該點(diǎn)的孔隙水壓力μ與相應(yīng)該點(diǎn)滑裂面以上巖柱重量γH的比值，即

(2)

式中，μ為中A點(diǎn)所承受的孔隙水壓力，rw為水容重，γH為巖石容重，h為A點(diǎn)的水頭高度，H為A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的巖石條塊高度，ru為孔隙水壓力系數(shù)。系數(shù)說(shuō)明如圖5所示。

圖5 孔壓系數(shù)說(shuō)明示意

對(duì)于降雨工況，若設(shè)定孔隙水壓力系數(shù)為0.05，假設(shè)土的容重一般為2.0 g/cm3，根據(jù)式(2)，h與H的比值為0.1，也即假定在連續(xù)降雨的條件下，邊坡內(nèi)的水不能及時(shí)排出，潛在滑裂面以上浸潤(rùn)線的高度約為相應(yīng)土柱高度的10%。若設(shè)定孔隙水壓力系數(shù)為0.1，則潛在滑裂面以上浸潤(rùn)線的高度約為相應(yīng)土柱高度的20%。

根據(jù)工程所在位置氣候特點(diǎn)，多年平均降水量為973.5 mm，降水量年內(nèi)分配不均勻，6—9月降水量占了全年的71.6%以上，7，8月份降水最大，占年降水總量的41.7%，故計(jì)算該堆積體時(shí)，降雨工況取ru=0.1模擬降雨對(duì)畫(huà)面內(nèi)浸潤(rùn)線的影響。

(4)地震工況

地震工況采用擬靜力法計(jì)算地震作用效應(yīng)，峰值加速度0.142g，不計(jì)邊坡地震慣性力動(dòng)力放大效應(yīng)，只考慮水平向作用力，即αw=0.142×0.25=0.035 5，作用力方向指向坡體滑動(dòng)方向[9-10]。

3.6 穩(wěn)定性分析

該堆積體各工況下的計(jì)算簡(jiǎn)圖以1-1剖面為例，如圖6所示。所有工況下各個(gè)剖面以簡(jiǎn)化畢肖普法、摩根斯坦-普萊斯法與詹步法3種計(jì)算方法的計(jì)算成果偏差不超過(guò)10%，不存在數(shù)值解析問(wèn)題。

(a)正常運(yùn)用工況

(b)水位驟降工況

(c)降雨工況

(d)地震工況圖6 各工況下1-1剖面的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖

該堆積體1-1剖面至5-5剖面3種滑移模式在不同工況條件下，采用摩根斯坦-普萊斯法計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)如表6所示。

根據(jù)表6計(jì)算結(jié)果顯示，該堆積體正常運(yùn)用工況下整體穩(wěn)定系數(shù)介于0.941～1.414，其中堆積體中部1-1、2-2剖面整體穩(wěn)定性較好，下游3-3、4-4剖面位置地勢(shì)較陡，穩(wěn)定性稍差，容易受到降雨或地震影響而引發(fā)蠕滑變形。此外，水位驟降工況下，堆積體整體穩(wěn)定系數(shù)較正常工況下降0.1左右，受降雨影響，安全系數(shù)降低0.15左右，表明水庫(kù)前緣水位的變動(dòng)及坡體內(nèi)的雨水下滲對(duì)堆積體整體穩(wěn)定的影響不容忽視，應(yīng)重視堆積體的截水和排水作用。地震工況下滑坡體處于欠穩(wěn)定——不穩(wěn)定狀態(tài)，存在受地震影響產(chǎn)生變形和局部塌滑的危險(xiǎn)。

表6 各剖面不同工況條件下的穩(wěn)定計(jì)算成果

位于水庫(kù)前緣部位的堆積體局部穩(wěn)定性非常差，受庫(kù)水位變動(dòng)和前緣淹沒(méi)的影響，各工況邊坡穩(wěn)定系數(shù)均無(wú)法滿足規(guī)范要求，基于目前所采用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)和地形地勢(shì)表明滑坡體前緣極易滑塌，難以穩(wěn)定。

位于沿江公路以上部位的堆積體局部穩(wěn)定性相比較水庫(kù)前緣部位的局部穩(wěn)定性略好，正常運(yùn)用工況下局部穩(wěn)定系數(shù)介于1.073～1.55，處于欠穩(wěn)定——穩(wěn)定狀態(tài)，主要受降雨影響，穩(wěn)定系數(shù)相比較正常工況普遍下降0.15～0.20，并且在地震作用影響下，存在局部滑移的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

表面變形監(jiān)點(diǎn)及GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)表明堆積體變形方向總體是偏下游、向右岸臨空面產(chǎn)生水平位移；深層監(jiān)測(cè)孔現(xiàn)階段除QWDZK04存在輕微蠕動(dòng)變形外，其余各孔未見(jiàn)明顯滑移變形。

計(jì)算表明，堆積體正常運(yùn)用工況下1-1、2-2剖面整體穩(wěn)定性較好，3-3、4-4剖面穩(wěn)定性稍差，處于欠穩(wěn)定——不穩(wěn)定狀態(tài)。水位驟降及降雨影響下，堆積體整體穩(wěn)定系數(shù)較正常工況下降0.1～0.15；地震下堆積體處于欠穩(wěn)定——不穩(wěn)定狀態(tài)。

堆積體前緣局部穩(wěn)定性非常差，各工況邊坡穩(wěn)定系數(shù)均無(wú)法滿足規(guī)范要求。沿江公路以上的堆積體局部穩(wěn)定性較前緣部位的局部穩(wěn)定性略好，正常運(yùn)用工況下處于欠穩(wěn)定——穩(wěn)定狀態(tài)；降雨工況下，穩(wěn)定系數(shù)較正常工況普遍下降0.15～0.20，并且在地震作用影響下，存在局部滑移的風(fēng)險(xiǎn)。

綜合分析，堆積體整體上處于緩慢的蠕動(dòng)變形狀態(tài)，安全儲(chǔ)備不高，受庫(kù)水位變動(dòng)、降雨和地震作用影響，邊坡還會(huì)持續(xù)蠕動(dòng)變形，局部可能產(chǎn)生滑移，但堆積體產(chǎn)生整體突發(fā)性滑動(dòng)失穩(wěn)的可能性不大，變形將會(huì)持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，并且會(huì)加劇房屋開(kāi)裂、公路變形。

5 建議

(1)堆積體穩(wěn)定安全裕度不大，極端天氣或特殊工況下存在局部失穩(wěn)的可能，并且目前堆積體仍處于持續(xù)蠕變中，雖不至于產(chǎn)生整體高速下滑，但會(huì)造成堆積體上部居民住房的開(kāi)裂，危及人民生命及財(cái)產(chǎn)安全。考慮工程治理措施效果有限，建議將堆積體上居民點(diǎn)搬遷，確保人民生命及財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)于沿江公路存在的局部變形問(wèn)題，可根據(jù)堆積體后期變形情況，采取相應(yīng)處理措施。

(2)在堆積體頂部設(shè)置截水溝，把上部來(lái)水引至上下游側(cè)沖溝；對(duì)張開(kāi)的裂縫采取回填封閉處理；對(duì)公路下的排水涵管的地表水采取引導(dǎo)治理，防止地表水對(duì)岸坡的再次入滲、沖刷。

(3)汛期加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)及安全巡視，特別是加強(qiáng)堆積體前緣、沿江公路以上邊坡的安全巡視工作，并建立健全預(yù)警機(jī)制；對(duì)于房屋開(kāi)裂危及到居住安全的，及時(shí)采取處理措施。