王小波，楊玉川，張永清

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

在西南高山峽谷地區(qū)水電工程的修建過程中，由于施工設(shè)施的布置往往需要大量的場地，而由于天然平地較少，往往需要堆渣來制造場地。水電工程的建設(shè)周期往往維持數(shù)年，有些人工堆筑的施工場地在長期使用過程中會出現(xiàn)變形破壞的情況。為了避免堆渣場地出現(xiàn)滑坡災(zāi)害，造成較大的經(jīng)濟損失及人員傷亡，設(shè)計人員必須合理評價堆渣場地的穩(wěn)定性并進行有針對性的治理。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對邊坡穩(wěn)定性評價及治理措施進行了大量的研究，并取得了許多成果[1-3]。在研究過程中，許多學(xué)者將工程地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)及巖土力學(xué)應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定研究中，在邊坡穩(wěn)定研究的理論、方法和綜合治理技術(shù)方面取得了許多成就[4-6]。杜九博等[7]通過建立三維邊坡開挖模型，采用基于強度折減法的三維有限元軟件對西藏某水利工程邊坡進行了穩(wěn)定性分析；楊玉川等[8]基于傳壓原理，利用極限平衡方法分析了噴錨支護邊坡的穩(wěn)定性；王孝哲和劉林林[9]應(yīng)用強度折減法，分析了傾斜微型樁群加固堆積層邊坡，研究了樁傾角與支護效果間規(guī)律等。工程中常用的分析方法有：費倫紐斯(Fellenius)法、畢肖普(Bishop)法、泰勒(Taylor)法、簡布(Janbu)法、摩根斯頓-普賴斯(Morgenstern-Price)法、剩余推力和楔形體法等[10-11]。

目前，由于對堆渣場地的加固治理研究相對還比較少，那么根據(jù)場地的變形情況進行參數(shù)的反演分析，并結(jié)合反演結(jié)果進行加固措施的研究對人工堆渣場地的安全均至關(guān)重要。本文利用西南山區(qū)某人工堆渣場地的加固治理研究過程，提出了一套場地邊坡的穩(wěn)定分析及加固治理方案，最后通過實際治理效果檢驗該研究思路的合理性。

1 堆渣場地概況

本文研究的堆渣場地位于某水電工程壩址右岸下游約2 km的沖溝內(nèi)，沖溝底部為下游低線混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)。該沖溝在公路施工階段堆積大量施工棄渣，渣體采取防護措施后形成約4 000 m2平臺，曾作為施工場地利用，部分區(qū)域通過少量開挖和渣料回填形成，修建有引水發(fā)電系統(tǒng)工程標前方指揮中心，具體位置如圖1所示。

圖1 場地平整示意

該場地長期受降雨及不均勻沉降影響后被發(fā)現(xiàn)，場地前緣下方漿砌石擋墻已出現(xiàn)一處豎向裂縫、多條水平裂縫，平臺前緣地面出現(xiàn)多處裂縫；臨邊護坡出現(xiàn)多處漿砌石起翹、開裂情況，如圖2所示。

圖2 場地治理前的變形破壞情況

該場地變形較大，且變形在每年汛期均有緩慢增長，同時土工格柵下方漿砌石擋墻出現(xiàn)沉降、裂縫、起翹等情況，問題較突出。建設(shè)單位要求根據(jù)該場地原平整設(shè)計情況及近年來場地變形情況，綜合評估該場地作為電廠永久場地的穩(wěn)定性，并依據(jù)該場地穩(wěn)定性評價結(jié)果提出永久的治理方案。

2 場地穩(wěn)定評價基礎(chǔ)資料

2.1 工程地質(zhì)情況

勘探揭示，場地覆蓋層分為人工堆渣及原始覆蓋層兩層：人工堆渣主要位于場平部位，垂直深度3～12 m，組成物質(zhì)主要為灰色(孤)塊碎石土，結(jié)構(gòu)松散，另平臺外側(cè)溝內(nèi)存在少量人工掛渣；原始覆蓋層垂直深度10～25 m，組成物質(zhì)為沖洪積及坡積灰色～褐黃色塊碎石土，結(jié)構(gòu)相對較緊密。場地基巖巖性主要為粉砂質(zhì)板巖，局部夾變質(zhì)砂巖?？碧浇沂編r體強卸荷，弱上風(fēng)化垂直深度10～25 m；巖體弱卸荷，弱下風(fēng)化垂直深度15～30 m。

2.2 計算模型

場地原平整加固方案中，場地前緣采用“衡重式漿砌石擋墻+土工格柵加筋土邊坡”的形式。衡重式漿砌石擋墻高度小于6 m，土工格柵加筋土邊坡高度在20 m以內(nèi)，斷面形式為“土工格柵加筋土邊坡(1:0.1)+底部衡重式擋墻”。自坡頂往下每10 m設(shè)2 m寬馬道，場地頂面以下5.0 m范圍內(nèi)壓實系數(shù)不小于0.90；5.0 m范圍以外區(qū)域壓實系數(shù)不小于0.85；場地后緣開挖邊坡坡比為1:0.75，漿砌石護坡，厚度50 cm，坡腳及場地周邊設(shè)置排水溝，其平面布置及典型剖面如圖3所示。

圖3 場地的平面布置及典型剖面

2.3 計算參數(shù)

該場地巖體物理力學(xué)參數(shù)采用壩區(qū)相關(guān)參數(shù)，覆蓋層參數(shù)結(jié)合物質(zhì)組成及其成因，通過工程類比后確定堆渣場地邊坡計算參數(shù)(見表1)。

表1 堆渣場地計算參數(shù)取值

3 場地邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 計算方法

本次計算采用剛體極限平衡原理對場地堆渣體邊坡進行穩(wěn)定性定量評價。分析采用Rocsience公司的Slide程序，該程序是巖土分析軟件中一個計算邊坡穩(wěn)定性的軟件。其原理采用剛體極限平衡法，包含簡化Bishop法、Janbu修正法、Spencer法、M-P法等，目前在全國大型水電工程中得到了廣泛運用。本次邊坡穩(wěn)定計算分析采用圓弧滑動面的簡化Bishop法和Morgenstern-Price法。

3.2 計算工況

根據(jù)相關(guān)規(guī)定并結(jié)合工程的實際情況，且由于場地地下水埋藏較深，計算范圍內(nèi)未見連續(xù)地下水出露，因此未考慮連續(xù)地下水的作用，本次計算選擇了其中三種工況進行穩(wěn)定性計算分析。

(1)持久工況——自重?？紤]巖土體天然自重，荷載組合為自重。

(2)短暫工況——“自重+暴雨”作用。在持久工況的基礎(chǔ)上，考慮暴雨下滲，荷載組合為“自重+暴雨”。暴雨工況在軟件Slide中采用Ru系數(shù)，考慮孔壓的簡單方法，孔壓大小定義為條帶豎直方向地應(yīng)力的比例，根據(jù)相關(guān)工程實例，模擬暴雨工況并取值0.08。

(3)偶然工況——“自重+地震”作用。在持久工況的基礎(chǔ)上考慮地震荷載，荷載組合為“自重+地震”作用。地震荷載計算時不考慮其沿高程放大，不考慮豎向地震作用，采用擬靜力法，考慮0.25效應(yīng)折減系數(shù)。

3.3 場地治理前穩(wěn)定性計算

本場地原加固方案采用土工格柵TGDG200，其材料拉伸強度為200.0 kN/m。由邊坡治理范圍可知，需要復(fù)核天然狀況下剖面(1-1、2-2、3-3、4-4、5-5)的穩(wěn)定性，如圖3(a)。本次場地邊坡穩(wěn)定復(fù)核計算中材料的物理力學(xué)參數(shù)采用地質(zhì)建議參數(shù)(見表1)，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 場地的典型剖面邊坡穩(wěn)定計算成果(治理前)

由圖4可知，1-1剖面、4-4剖面和5-5剖面的最小滑動面絕大部分位于覆蓋層上，其穩(wěn)定性受覆蓋層力學(xué)參數(shù)控制；而2-2剖面和3-3剖面的最小滑動面絕大部分位于人工堆渣上，其穩(wěn)定性受人工堆渣力學(xué)參數(shù)控制。而根據(jù)計算結(jié)果可知，采用類比參數(shù)計算的邊坡安全系數(shù)偏小，滑裂面基本位于人工堆渣及覆蓋層上，除1-1剖面和4-4剖面邊坡安全系數(shù)Fs稍大于1以外，其他三個剖面邊坡最小安全系數(shù)均小于1，未達到邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)要求的最小值1.05。

另外，根據(jù)現(xiàn)場實際及監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，該場地作為臨時場地已經(jīng)安全使用多年，雖然漿砌石擋墻出現(xiàn)裂縫、沉降、變形等問題(變形的主要原因為雨季受降水影響，擋墻基礎(chǔ)承載力不足和擋墻砂漿充填不飽滿所導(dǎo)致)，但該場地邊坡并未出現(xiàn)大的滑動變形問題，整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知，類比確定的人工填渣及覆蓋層物理參數(shù)偏小，若以此作為邊坡治理計算參數(shù)不合理。另外，由于場地D-A堆渣體不同剖面的穩(wěn)定分別受覆蓋層及人工渣體參數(shù)控制，因此需要根據(jù)邊坡實際運行情況對人工堆渣及覆蓋層取值進行參數(shù)反演，從而選擇合理的物理力學(xué)參數(shù)。

3.4 力學(xué)參數(shù)反演

根據(jù)力學(xué)參數(shù)反演的相關(guān)規(guī)定以及該場地的設(shè)計資料，基于邊坡穩(wěn)定的現(xiàn)場實際情況，將上述各斷面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)最小值控制在不低于1.05[12]。首先，基于地質(zhì)提供的力學(xué)參數(shù)進行敏感性分析，由圖4和表2可知，2-2剖面和3-3剖面的穩(wěn)定性只需要將3-3剖面穩(wěn)定系數(shù)控制在不低于1.05即可，而1-1剖面、4-4剖面和5-5剖面的穩(wěn)定性只需要將5-5剖面穩(wěn)定系數(shù)控制在不低于1.05即可。利用Slide軟件的穩(wěn)定性、敏感性分析模塊，最終該場地的力學(xué)參數(shù)反演結(jié)果如表2所示。

表2 場地物理力學(xué)參數(shù)反演結(jié)果

為驗證反演參數(shù)的合理性，采用表2中的材料參數(shù)對典型剖面邊坡的穩(wěn)定性進行重新復(fù)核，得到該場地堆渣體邊坡各剖面的穩(wěn)定安全系數(shù)(見表3)。

表3 場地典型剖面邊坡穩(wěn)定重新復(fù)核成果

考慮到該場地后期將作為永久場地，其邊坡性質(zhì)由臨時邊坡變?yōu)橛谰眠吰?，因此永久邊坡的安全系?shù)需要進一步提高。根據(jù)計算結(jié)果得知，該場地堆渣體邊坡雖滿足臨時邊坡穩(wěn)定要求，但難以滿足永久邊坡穩(wěn)定要求。因此，該場地需要采取相應(yīng)措施進行加固處理，才能滿足規(guī)范要求的永久邊坡安全系數(shù)。

4 場地治理

4.1 錨索支護

根據(jù)場地堆渣體邊坡現(xiàn)狀及邊坡穩(wěn)定復(fù)核成果，結(jié)合相關(guān)工程邊坡成功治理經(jīng)驗，采用單排錨索支護方案對堆渣體進行加固處理。由上述各典型斷面邊坡的最小滑弧位置可知，在邊坡下部采用錨索支護對相應(yīng)滑動面進行支護。另外，為了保證錨索入巖具有一定的錨固深度，基于各剖面覆蓋層的不同深度，確定1-1剖面與4-4剖面之間的錨索長度為40 m，錨固段長度為10 m，而4-4剖面與5-5剖面之間的錨索長度為60 m，錨固段長度為20 m，所有剖面上均施加100 t的預(yù)應(yīng)力錨索，錨索的間距為5 m。為了提高擋墻及邊坡的穩(wěn)定性，錨索直接打到墻身上面，計算施加單排錨索后的邊坡加固效果。將錨索參數(shù)添加到相應(yīng)計算模型中，計算三種工況下的邊坡安全系數(shù)，計算結(jié)果見表4。

表4 施加單排錨索后場地邊坡的穩(wěn)定計算成果

由表4可知，單排錨索支護后，堆渣體邊坡在各典型工況下，除5-5剖面外，其他剖面均滿足相應(yīng)規(guī)范中Ⅲ級邊坡的穩(wěn)定要求。因此，只需考慮對5-5剖面再增加一排100 t錨索，重新計算5-5剖面的邊坡安全系數(shù)。布置2排錨索后，5-5剖面的邊坡安全系數(shù)如表5所示。

表5 施加雙排錨索后場地邊坡5-5剖面的穩(wěn)定計算成果

根據(jù)表5計算結(jié)果可知，布置2排錨索后，5-5剖面三種工況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求值，因此需考慮在4-4剖面至5-5剖面間布置雙排錨索。

4.2 治理效果

結(jié)合上述分析可知，在1-1剖面至4-4剖面間布置一排錨索即可滿足永久邊坡要求，而在4-4剖面至5-5剖面之間需要布置雙排錨索方可滿足永久邊坡安全系數(shù)的要求。結(jié)合本文研究結(jié)論，從提高邊坡穩(wěn)定性及控制擋墻變形的角度分析，本工程采取了錨索支護方案，如圖5所示。

圖5 場地的典型剖面邊坡穩(wěn)定計算成果(治理后)

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，工程經(jīng)過一年多的運行，場地邊坡的變形出現(xiàn)收斂，場地的穩(wěn)定性得到了有效的控制，證明了分區(qū)采用不同錨索排數(shù)支護的合理性。

5 結(jié) 語

通過上述分析研究，可以得到以下結(jié)論：

(1)根據(jù)現(xiàn)場查勘及外觀監(jiān)測，場地穩(wěn)定問題較多，需加固處理才能滿足永久使用要求。

(2)根據(jù)穩(wěn)定計算結(jié)果，本工程作為永久場地使用時，其場地邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足要求，需進行加固處理。經(jīng)研究確定采用錨索支護方案作為堆渣場地邊坡的加固處理方案。

(3)本文通過對某水電工程堆渣場地加固處理的深入分析，將邊坡安全系數(shù)與參數(shù)反演相結(jié)合，得出合理的場地物理力學(xué)參數(shù)；再根據(jù)反演的結(jié)果，采用數(shù)值模擬手段來選擇合適的加固措施，提出了一套完整的堆渣場地穩(wěn)定分析及加固治理方案；最后通過實際治理效果驗證了該研究思路的合理性。