殷杏元

（赫章縣水務(wù)局， 貴州 赫章 553200）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展， 水電站的建設(shè)也飛速發(fā)展起來，其發(fā)展是符合我國國情的，能給周邊區(qū)域的經(jīng)濟(jì)提供支撐， 因此水電站的建設(shè)常常被當(dāng)?shù)禺?dāng)作重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)。隨著水電站的發(fā)展，其安全問題也需要引起重視。 因各種問題導(dǎo)致的庫岸邊坡失穩(wěn)的案例數(shù)不勝數(shù)，因此對庫岸邊坡穩(wěn)定性問題的研究也一直是重點(diǎn)。

國內(nèi)外專家對庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性及滑坡問題做了一系列研究，并取得了豐碩的科研成果［1-3］。魯濤［4］利用有限元軟件建立三維模型， 對三峽庫區(qū)某邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，總結(jié)了庫岸邊坡的變形規(guī)律，并對含水率、降雨等敏感因素進(jìn)行分析；殷躍平［5］基于三峽庫區(qū)邊坡，通過ABAQUS有限元軟件進(jìn)行邊坡模擬，對庫岸邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了評價， 并對其失穩(wěn)模式進(jìn)行深入的研究；劉厚成［6］同樣基于三峽庫區(qū)邊坡工程，對其蓄水運(yùn)行過程進(jìn)行有限元模擬，通過對邊坡的變形及應(yīng)力分析，研究了庫岸邊坡穩(wěn)定性演化規(guī)律；張麗娟等［7］對某實(shí)際庫岸邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對水庫水位變化引起的路基應(yīng)力的分析， 研究了庫水動態(tài)對沿岸路基應(yīng)力的影響；劉才華等［8］基于大型三維數(shù)值軟件， 對庫水位上升引起的邊坡變形和應(yīng)力變化， 研究了水庫水位升降影響下庫岸裂隙巖體滲流特性。本文基于某庫岸邊坡工程，對邊坡變形和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。 本工程所得結(jié)論對于今后類似工程具有重要的參考和借鑒價值。

1 工程概況

研究區(qū)概況如圖1。

圖1 研究區(qū)概況圖

1.1 地質(zhì)條件

經(jīng)調(diào)研研究查明，研究區(qū)場地巖土主要由第四系全新統(tǒng)人工填土 （）、 第四系全新統(tǒng)沖洪積層（）和下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組基巖（）組成。

1.2 水文條件

據(jù)該區(qū)氣象站多年氣象資料統(tǒng)計(jì)， 區(qū)內(nèi)多年平均降雨量為941.8mm，且多集中在5—9月，占全年的84.38%。而根據(jù)1971年以來氣象資料統(tǒng)計(jì)，降雨最多年份出現(xiàn)在1981年，降雨量達(dá)1587.2mm，最少年份出現(xiàn)在1997年，降雨量只有666.4mm。

2 基于剛體極限平衡法邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 計(jì)算方法及原理

如圖2，取第i條土塊進(jìn)行受力分析，其高為hi，寬為bi，底部傾角為ai，長為li，土體容重為γi，R為該滑動面圓弧的半徑。

圖2 瑞典條分法

由能量準(zhǔn)則，得滑動面AB上的剪切強(qiáng)度為：

式中 τ為滑動面上的切向應(yīng)力；σ為滑動面上的法向應(yīng)力；m為應(yīng)力狀態(tài)和材料性質(zhì)相關(guān)因子。

其中，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs滿足如下關(guān)系式：

式中 τ為整個圓弧滑動面上的平均切向應(yīng)力；τs為整個滑動面上的平均抗剪強(qiáng)度；Fs為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

因此，進(jìn)一步得到土條底部的切向阻力Ti的大?。?/p>

通過把能量強(qiáng)度判據(jù)式（1）代入式（3），可得：

取土條底部法向平衡，可得：

對土條圓心O取矩，由力矩平衡關(guān)系可得：

如圖2所示，由幾何關(guān)系可知：xi=R1sinαi，其中xi為土條中心線到圓心O的水平距離。

將式（4）和式（5）代入式（6），整理化簡后得：

計(jì)算過程中，沿厚度方向取單位厚度，可得：

將式（8）代入式（7），可得：

若需要考慮地下水的影響， 則利用類似的方法可以推導(dǎo)得：

在不考慮地下水影響時，式（7）或式（9）為將能量準(zhǔn)則引入邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算的表達(dá)式。 當(dāng)研究考慮地下水影響時，式（10）或式（11）為此情況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)表達(dá)式。

2.2 計(jì)算方案

根據(jù)地質(zhì)資料，本文分別選取了K23+050～K23+100和K23+200～K23+250里程處的1-1′和2-2′工程地質(zhì)橫剖面作為研究對象，如圖3和圖4，采用折線公式對每一滑塊的各層潛在滑動面進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)及下滑推力計(jì)算，滑帶土土性參數(shù)根據(jù)剖面柱狀圖，并采用室內(nèi)試驗(yàn)和廣元市附近類似土體進(jìn)行對比，得到1-1′天然抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：c=13.20kPa、φ=18.0°，飽和抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值c=10.30kPa、φ=14.50°。 而2-2′滑帶附近角礫含量較多， 因此2-2′剖面飽和抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為c=10.50kPa、φ=15.60°。

圖3 1-1′剖面開挖后可能發(fā)生滑動的滑面計(jì)算

圖4 2-2′剖面開挖后可能發(fā)生滑動的滑面計(jì)算

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

通過斜坡堆積體穩(wěn)定性驗(yàn)算及推力計(jì)算， 根據(jù)DZ/T 32864—2016《滑坡防治工程勘查規(guī)范》確定評價標(biāo)準(zhǔn)，如表1，計(jì)算成果匯總?cè)绫?。 由以上滑坡體穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知： 滑坡體在考慮暴雨或強(qiáng)降雨影響時，滑坡體穩(wěn)定性狀態(tài)為不穩(wěn)定。 據(jù)此分析，滑坡體在持續(xù)暴雨或強(qiáng)降雨條件下， 存在進(jìn)一步向下滑動的極大可能。

表1 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)分級

表2 經(jīng)驗(yàn)值穩(wěn)定性驗(yàn)算及推力計(jì)算成果匯總

3 基于有限元邊坡穩(wěn)定性研究

3.1 有限元模型的建立

根據(jù)研究區(qū)勘察資料， 以勘探報告為依托建立計(jì)算模型，該模型的寬450m（Y）、長700m（X）、高200m，所建模型如圖5。 對X、Y方向設(shè)置水平向的約束，對Z方向的底部設(shè)置固定約束。 本節(jié)邊坡三維模型共劃分網(wǎng)格單元111459個，節(jié)點(diǎn)165726個。

圖5 模型示意圖

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)人工邊坡的勘察報告所提供的巖土體物理力學(xué)參數(shù)， 天然工況下含塊石粉質(zhì)黏土含水率取20%，計(jì)算參數(shù)如表3。 暴雨工況下含塊石粉質(zhì)黏土含水率取35%，計(jì)算參數(shù)如表4。

表3 天然工況下計(jì)算參數(shù)

表4 暴雨工況下計(jì)算參數(shù)

3.3 數(shù)值結(jié)果及分析

3.3.1 天然工況分析

從圖6中可見，坡體水平和豎向位移的量值在一定程度上反映出該邊坡的現(xiàn)狀變形特征， 庫岸邊坡的前緣與邊坡中部的位移比較大， 公路上部邊坡土體的水平位移呈現(xiàn)遠(yuǎn)離邊坡的趨勢， 主要變形發(fā)生在公路附近的土體，水平位移最大為4.7cm。 邊坡豎向位移主要發(fā)生在邊坡下半部分， 該部分豎向位移向上，最大位移為4.5cm。

圖6 天然工況下邊坡的位移云圖

可見土體飽和工況下，邊坡變形顯著，說明邊坡強(qiáng)度儲備不足，邊坡穩(wěn)定性顯著降低。

通過PLAXIS3D有限元軟件計(jì)算，可以明顯確定出邊坡潛在滑動面的位置， 即邊坡發(fā)生滑動破壞的剪切帶或位移突變的地方，如圖7，天然邊坡地潛在滑動面自開挖坡頂后方一定距離處剪入， 以接近較大半徑圓弧的形狀斜向下延伸， 并從邊坡中部的開挖臺階處剪出，滑坡體厚度不大，滑體主要為上覆的碎塊石混粉質(zhì)黏土，滑帶為強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，從圖中的網(wǎng)格劃分的土層分布清晰可見潛在滑體的范圍及滑動方向。同時，基于有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算得到該邊坡的安全系數(shù)為1.18，庫岸邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，且安全系數(shù)在極限平衡法所得1.17～1.23安全系數(shù)之間，兩者基本吻合。

圖7 天然工況下邊坡的潛在滑移帶

3.3.2 暴雨工況分析

圖8給出了暴雨工況下庫岸邊坡的水平和豎向位移云圖。圖中可以看出，暴雨工況下庫岸邊坡的水平和豎向位移變形更大， 最大水平位移約為7.5cm，約為天然工況下的1.6倍， 最大豎向位移為8.1cm，約為天然工況下的1.8倍。 可見暴雨作用下土體飽和后，邊坡變形顯著增大，說明邊坡強(qiáng)度儲備不足，邊坡穩(wěn)定性顯著降低。

圖8 暴雨工況下邊坡的位移云圖

圖9給出了暴雨工況下邊坡的潛在滑移帶。圖中可見，邊坡的潛在滑動面的范圍逐漸增加，在橫向、縱向兩個方向均有擴(kuò)展， 邊坡的潛在滑動面自邊坡邊界處剪入，以更大半徑圓弧的形狀斜向下延伸，滑坡體厚度大，易形成大型滑坡風(fēng)險?；谟邢拊獜?qiáng)度折減法計(jì)算得到該邊坡的安全系數(shù)為0.645，庫岸邊坡整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)， 同樣安全系數(shù)在極限平衡法所得0.639～0.698安全系數(shù)之間。

圖9 暴雨工況下邊坡的潛在滑移帶

4 結(jié)語

（1）基于剛體極限平衡法可知，邊坡在天然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在考慮暴雨或強(qiáng)降雨影響后，滑坡體穩(wěn)定性狀態(tài)為不穩(wěn)定，存在進(jìn)一步向下滑坡的風(fēng)險。

（2）暴雨工況下土體含水率增大，導(dǎo)致邊坡變形增大近一倍。 且強(qiáng)降雨后邊坡滑動面的范圍顯著增大，庫岸邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)僅為0.645，庫岸邊坡整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。