王家全，常志凱，林桂武，林志南，鐘張寶，胡 鋒

(1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.中鐵二十五局集團(tuán)第四工程有限公司，廣西 柳州 533000)

0 引 言

基坑邊坡穩(wěn)定性研究對于采用明挖法施工的管廊工程具有重要意義。南方降雨量大、持續(xù)時間長，雨水極易向低洼地帶匯集，在排水不及時的情況下基坑底部常出現(xiàn)積水現(xiàn)象。此外，在新冠疫情的影響下工地人員不足，因雨水滲流及基坑底部積水引起的邊坡穩(wěn)定性問題更加突出，給管廊項目安全建設(shè)埋下了隱患。研究發(fā)現(xiàn)，影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的因素主要有巖體強(qiáng)度、不連續(xù)面特征、地下水等[1-2]。地下水是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素[3-5]，影響邊坡穩(wěn)定性的地下水主要為通過大氣降水、地表水、凝結(jié)水等匯集形成的潛水，潛水對邊坡的影響主要表現(xiàn)在水體由高處向低處的徑流、滲流以及在基坑底部存積。張卓等[6]指出雨水入滲改變巖質(zhì)邊坡滲流場分布是引起滑坡的主要因素之一；張勃成等[7]認(rèn)為充水高度是影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的重要參數(shù)；劉才華、汪映紅等[8-9]研究發(fā)現(xiàn)，隨著水位的升高邊坡穩(wěn)定性逐漸降低，且穩(wěn)定性降低速率逐漸增大；Dong、郭雙楓等[10-11]指出巖土粘聚力和內(nèi)摩擦角是影響邊坡穩(wěn)定性的重要參數(shù)；賈官偉等[12]研究發(fā)現(xiàn)，坡內(nèi)水位下降速率滯后于坡外時，指向邊坡外的滲流是引起邊坡失穩(wěn)的重要原因；江德飛等[13]分別采用傳遞系數(shù)法和FLAC3D強(qiáng)度折減法計算巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，對比發(fā)現(xiàn)兩者計算結(jié)果基本一致，但FLAC3D強(qiáng)度折減法中可以考慮各土層間的變形協(xié)調(diào)，可以更客觀反映水與邊坡間的相互作用。相較于土質(zhì)邊坡，巖質(zhì)邊坡實際工程中高度較大，巖石強(qiáng)度大且吸水性弱，但如果忽視水對巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面的影響，就會增大巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險。因此，應(yīng)在前人研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加深關(guān)于水體對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究。

前人的研究主要從水對巖土體軟化作用及滲流影響邊坡穩(wěn)定性的角度展開，較少關(guān)注潛水面高度和基坑水位線高度對邊坡穩(wěn)定性的影響。為此，本文以現(xiàn)場地質(zhì)勘測報告為基礎(chǔ)，充分考慮邊坡所處的環(huán)境條件，結(jié)合水位監(jiān)測和FLAC3D三維建模軟件分析不同潛水面高度和基坑水位線高度對管廊基坑的高巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并提出了切實可行的滑坡災(zāi)害防治方案。

1 工程概況

廣西某在建管廊項目采用明挖法施工，設(shè)計管廊底面標(biāo)高為78.17～108.20 m。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘測報告，場地內(nèi)地層巖性自上而下依次為雜填土、可塑狀黏土、強(qiáng)風(fēng)化白云巖、中風(fēng)化白云巖。項目段管廊基坑開挖深度為17.3 m，采用多級臺階式放坡開挖以提高邊坡的穩(wěn)定性，第1級臺階深度3 m，第2級臺階深度6 m，兩級臺坡坡率均為1∶1，臺階寬度為1.5 m。邊坡剖面及支護(hù)見圖1。

圖1 邊坡剖面及支護(hù)(單位：mm)

根據(jù)本項目管廊設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，管廊設(shè)計使用年限為100年，屬于一級建筑，結(jié)合DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》，可能發(fā)生滑坡并危及一級建筑物安全的邊坡屬于B類邊坡，邊坡設(shè)計安全系數(shù)需滿足：持久狀況1.25、短暫狀況1.15、偶然狀況1.05。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 模型建立

管廊基坑兩側(cè)巖質(zhì)邊坡為對稱結(jié)構(gòu)，為提高建模計算效率，以一側(cè)邊坡為基礎(chǔ)構(gòu)建三維模型，邊坡模型尺寸為40 m×25.75 m×19.3 m(長×寬×高)。模型從上向下依次為紅黏土層、強(qiáng)風(fēng)化白云巖層、中風(fēng)化白云巖層，強(qiáng)風(fēng)化白云巖層與中風(fēng)化白云巖層分界面與水平面夾角為22.6°。巖土體的本構(gòu)模型采用M-C模型。三維邊坡模型見圖2。材料參數(shù)見表1。

圖2 三維邊坡模型

表1 材料參數(shù)

2.2 工況設(shè)計

為研究潛水面高度和基坑水位線高度對邊坡穩(wěn)定性的影響，保持基坑水位線不變，改變潛水面高度，其中水位線1高度為14.3 m，水位線2高度為11.3 m，水位線3高度為8.3 m。為研究基坑水位線高度對邊坡穩(wěn)定性的影響，保持潛水面高度不變，改變基坑水位線高度，水位線4高度為9.0 m，水位線5高度為6.0 m，水位線6高度為3.0 m。水位線示意見圖3。為探討錨固支護(hù)方案是否滿足邊坡穩(wěn)定性需求，無錨固支護(hù)工況設(shè)置為系列1，有錨固支護(hù)工況設(shè)置為系列2，試驗工況組合見表2。

圖3 水位線示意

表2 試驗工況組合

3 結(jié)果分析

本項目中強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化巖石的巖層分界面所在平面與邊坡所在平面垂直，為切向坡，邊坡臨空面方向為X向，巖層分界面走向方向為Y向。以工況1-1為例，巖層分界面上部的強(qiáng)風(fēng)化巖石層在Y向位移十分微小，最大為0.86 mm，但在X向最大位移達(dá)到10.90 mm，最大位移位置位于巖層分界面方向最下方。工況1-1位移云圖見圖4。從圖4可知，巖質(zhì)邊坡未出現(xiàn)貫通性破壞面，只是在邊坡左上角形成局部楔形體滑動，變形模式屬于滑移-壓致拉裂，破壞類型屬于典型的楔形破壞[14]。工況1-1應(yīng)力云圖見圖5。從圖5可知，巖層分界面的應(yīng)力集中現(xiàn)象主要體現(xiàn)在Y向，在X向無明顯的應(yīng)力集中，這是由于巖質(zhì)邊坡滑移的主要原因為巖層分界面上部巖石沿Y向有滑移趨勢，遭遇前方巖石阻擋后，上部巖石表現(xiàn)出X向移動趨勢，進(jìn)而引起巖質(zhì)邊坡在X向的滑坡。因此，當(dāng)巖質(zhì)邊坡屬于切向坡，且具有一定傾角的巖層分界面暴露于邊坡臨空面時，應(yīng)對巖質(zhì)邊坡進(jìn)行相應(yīng)支護(hù)，同時還要加強(qiáng)分界面部位的監(jiān)測，避免巖層分界面上部的巖層滑移引發(fā)滑坡災(zāi)害。

圖4 工況1-1位移云圖

圖5 工況1-1應(yīng)力云圖

3.1 潛水面高度對邊坡穩(wěn)定性的影響

不同工況邊坡應(yīng)力、位移和安全系數(shù)見表3。X向位移云圖見圖6。潛水面高度為11.3 m時，邊坡X向的最大位移為6.64 mm；潛水面高度為11.3 m時，最大位移為6.43 mm；潛水面高度為14.3 m時，最大位移增加至10.90 mm，而巖層分界面最低點為13.3 m，表明潛水主要通過弱化巖層分界面的力學(xué)特性影響巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，這與文獻(xiàn)[15-16]研究結(jié)果一致。此外，對于邊坡穩(wěn)定性的影響在宏觀方面主要表現(xiàn)為巖層分界面上方的巖石層在邊坡臨空面方向位移增加。從坡底應(yīng)力和Z向位移角度分析可知，隨著潛水面高度的增加，邊坡自重逐漸增大，邊坡底部X向水平應(yīng)力逐漸增加，無地下水時坡底X向應(yīng)力為2.58×105Pa，水位線高度為14.3 m時，坡底X向應(yīng)力為4.43×105Pa，同時坡底Z向位移逐漸增大。從邊坡安全系數(shù)分析可知，隨著潛水面高度的增加，巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)逐漸減小。但潛水面高度變化對邊坡安全系數(shù)的影響并不顯著，水位線高度為14.3 m時，邊坡安全系數(shù)為1.09；水位線高度為8.3 m時，邊坡安全系數(shù)為1.12。因此，通過設(shè)置截水溝、疏干孔等排水設(shè)施降低潛水面高度，避免潛水弱化巖層分界面強(qiáng)度，對于保證邊坡穩(wěn)定十分重要。

表3 邊坡應(yīng)力、位移和安全系數(shù)

圖6 X向位移云圖

3.2 基坑水位線對邊坡穩(wěn)定性的影響

不同工況邊坡應(yīng)力、位移和安全系數(shù)見表4。隨著基坑水位線增高，巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)逐漸下降，邊坡位移逐漸增大，這與文獻(xiàn)[17-18]研究結(jié)果一致。王超[19]研究發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)整體加固的高陡邊坡最大位移發(fā)生在坡腳位置。X向位移云圖見圖7。從圖7可知，隨著基坑水位線的增加，邊坡X向最大位移部位由巖層分界面位置逐漸轉(zhuǎn)移至坡腳位置，坡體位移和邊坡底部向上隆起的高度先增后減，這是由于在水的浮力作用下，上部滑體有效質(zhì)量減小，減弱了上部強(qiáng)風(fēng)化巖層滑移，提高了巖層分界面部位的穩(wěn)定性，但是，積水高度的增加降低了邊坡底部巖石的穩(wěn)定性。從坡底應(yīng)力和Z向位移分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著基坑水位線高度的增加，坡底X向應(yīng)力和Z向位移先增加后減小，這也從側(cè)面證明了隨著基坑水位線高度的增加，邊坡最大位移位置發(fā)生了改變。因此，基坑水位線高度對邊坡的穩(wěn)定性影響顯著，在實際工程中要盡量避免邊坡底部大量積水。

表4 邊坡應(yīng)力、位移和安全系數(shù)

圖7 X向位移云圖

4 支護(hù)方案及效果

根據(jù)以上分析，此項目邊坡穩(wěn)定性較低的原因：一方面，是強(qiáng)風(fēng)化巖層與中風(fēng)化巖層分界面存在傾斜角度，在水的軟化作用下巖層分界面上部強(qiáng)風(fēng)化巖層滑移進(jìn)一步加??；另一方面，水位線以下巖土體提供的抗滑力隨著基坑水位線的升高逐漸降低。因此，防滑坡治理方案從排水和支護(hù)2個方面進(jìn)行綜合防治：

(1)排水設(shè)施。在滑坡區(qū)周界設(shè)置環(huán)形截水溝，滑坡坡面上設(shè)置平臺排水溝及疏干孔，形成有機(jī)整體，盡量減少地表水下滲，使地下水位降低，減少地下水對巖土體物理力學(xué)性能的影響。

(2)管井井點排水。用于潛水層降水，對于滲透系數(shù)大的砂礫層、地下水豐富的地層具有廣泛適用性，具有施工簡單、出水量大等特點，每口管井出水流量可達(dá)到50～100 m3/h，可降低地下水位深度約3～5 m。

(3)邊坡錨固。在巖層分界面部位設(shè)置錨桿框格梁，巖層分界面所處臺階深度為10 m，放坡坡比為1∶1.50，平臺寬度為1.5 m，錨桿長度9 m，錨固體與臺座混凝土強(qiáng)度大于15 MPa。

根據(jù)上述方案為巖質(zhì)邊坡提供支護(hù)，支護(hù)后邊坡安全系數(shù)見表5。從表5可知，無地下水影響的情況下，邊坡穩(wěn)定性滿足短暫工況使用需求，在潛水作用下邊坡極易發(fā)生滑坡災(zāi)害。計算結(jié)果顯示，滑坡防治方案對于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性有較大提升，并且滿足持久狀況下的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2020年12月本項目管廊工程完工并進(jìn)行了土體回填，在管廊工程施工過程中，邊坡穩(wěn)定性良好，錨固結(jié)構(gòu)無顯著變形。在2020年6月～7月的雨季中，基坑底部未出現(xiàn)明顯積水，也未出現(xiàn)滑坡事故。以上情況表明，對管廊基坑進(jìn)行排支結(jié)合的防滑坡綜合處置，可避免坑底積水，從而有效提高了邊坡的穩(wěn)定性。

表5 不同工況下邊坡安全系數(shù)

5 結(jié) 語

本文以廣西某在建管廊項目為例，通過FLAC3D建模軟件，對潛水面高度和基坑水位線高度影響巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入分析，得出以下結(jié)論：

(1)相對于潛水面高度的變化，基坑水位線高度對邊坡安全系數(shù)影響更為顯著。隨著基坑水位線高度的增加，水體浮力作用使巖層分界面上部巖層滑移力逐漸減小，同時坡腳在臨空面方向的位移逐漸增加。因此，應(yīng)制定合理降水排水措施，避免基坑底部大量積水。

(2)當(dāng)巖質(zhì)邊坡屬于切向坡，且具有一定傾角的巖層分界面暴露于邊坡臨空面時，巖層分界面上部巖層極易向邊坡臨空面方向滑移。

(3)高陡層狀巖質(zhì)邊坡在不加支護(hù)的情況下，隨著基坑水位線的增加，邊坡失穩(wěn)方式由巖層分界面上部巖層局部楔形體滑動破壞向平面破壞轉(zhuǎn)化。

(4)層狀巖質(zhì)邊坡中，潛水主要通過弱化巖層分界面的強(qiáng)度影響邊坡的穩(wěn)定性。通過設(shè)置截水溝等排水設(shè)施降低水對巖層分界面的影響，對于提高巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性具有重要意義。因此，采取排水設(shè)施的建設(shè)、排水方案的選擇及加強(qiáng)巖層分界面部位支護(hù)的綜合滑坡防治方案對提高巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性切實可行。