王庭元，盛建龍，胡 斌

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；

2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

0 引 言

隨著我國基礎(chǔ)工程建設(shè)速度的加快以及資源開發(fā)力度的增強(qiáng)，工程建設(shè)中出現(xiàn)了大量的自然斜坡和工程邊坡，因邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生的問題在房建、電力、隧道、礦業(yè)等建設(shè)工程中的影響越來越凸顯。邊坡一旦受到破壞，往往會(huì)帶來災(zāi)難性的后果[1]。邊坡穩(wěn)定性分析一直是巖土工程研究中的重要問題。與市政民用建筑等工程邊坡相比，電力工程開挖邊坡因地質(zhì)條件及地理環(huán)境復(fù)雜，加之開挖高度大、坡度陡，處理難度大，因此在工程建設(shè)中成為各方關(guān)注的核心問題之一[2]。確保邊坡工程的安全，研究邊坡在多種工況下尤其是極端工況下的穩(wěn)定性，對(duì)工程長期運(yùn)營、建設(shè)投資具有重要意義[3-4]。

本文以某電廠建設(shè)過程中形成的巖質(zhì)邊坡為研究對(duì)象，運(yùn)用基于極限平衡理論的巖土工程數(shù)值模擬軟件，對(duì)該邊坡在不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，提出了相應(yīng)的治理措施及防治建議，并對(duì)加固后的邊坡進(jìn)行了計(jì)算分析對(duì)比，邊坡安全系數(shù)得到較大提高，滿足建筑邊坡國家技術(shù)規(guī)范的要求。

1 極限平衡法

極限平衡法是目前工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛的一種計(jì)算方法，其推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，較為成熟，對(duì)于平面滑動(dòng)、曲面滑動(dòng)、楔體滑動(dòng)等多種滑動(dòng)模式均有相應(yīng)的計(jì)算公式，規(guī)范也將其列為邊坡穩(wěn)定性分析的基本計(jì)算方法[5]。極限平衡法的一般步驟是先假設(shè)破壞是沿著土體內(nèi)某一確定的滑裂面滑動(dòng)，做一定的假設(shè)來消除超靜定力，再根據(jù)滑裂土體的靜力平衡條件和M-C破壞準(zhǔn)則計(jì)算沿該滑裂面發(fā)生滑動(dòng)的可能性，即安全系數(shù)的大小或破壞概率的高低，然后系統(tǒng)選取多個(gè)可能的滑動(dòng)面，用同樣的方法計(jì)算安全系數(shù)或破壞概率，安全系數(shù)最低或破壞概率最高的滑動(dòng)面就是可能性最大的滑動(dòng)面[6]。基于極限平衡法原理的邊坡穩(wěn)定計(jì)算有多種方法，根據(jù)不同的適用條件，主要有瑞典條分(Ordinary)法、畢肖普(Bishop)法、簡布(Janbu)法、摩根斯坦—普瑞斯(M-P)法等[7]。

(1)Ordinary法。該法假定滑動(dòng)面是1個(gè)圓弧面，僅考慮對(duì)圓弧中心的下滑力矩與抗滑力矩的平衡，未考慮臨界滑動(dòng)面及最小安全系數(shù)的問題，只滿足滑動(dòng)塊體整體力矩平衡條件而不滿足條塊的靜力平衡條件。該法應(yīng)用時(shí)間較長，積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)土條的靜力平衡條件和安全系數(shù)的定義，由力矩平衡條件得安全系數(shù)的表達(dá)式為

(1)

式中，F(xiàn)s為安全系數(shù)；ci為第i土條的內(nèi)聚力；li為第i土條所在的滑弧的長度；Wi為第i條土條的自重；αi為第i土條底面中點(diǎn)的法線與豎直線的交角；φ為第i土條所在滑動(dòng)面上的內(nèi)摩擦角[8]。

(2)Bishop法[9]。該法考慮了條塊兩側(cè)的反力，但均假定反力為水平方向，因此又可叫做簡化Bishop法，要滿足力矩平衡與沿條塊豎向力的平衡，未考慮臨界滑動(dòng)面及最小安全系數(shù)問題。

(3)Janbu法[10]。該法更適用于非圓弧形滑動(dòng)情況，能滿足力與力矩平衡條件。但當(dāng)φ值很小或條塊劃分得太細(xì)時(shí)會(huì)出現(xiàn)不收斂問題。

(4)M-P法。M-P法是嚴(yán)格條分法，假定條間力的傾角的正切值為某一函數(shù)分布，每條塊均能嚴(yán)格滿足力和力矩的平衡條件，且不要求滑面的形狀為圓弧形，更適宜于一般情形下邊坡的穩(wěn)定分析計(jì)算[11]。

2 工程概況

該電廠項(xiàng)目位于魯東半島城市開發(fā)區(qū)，地形為起伏較大的溝谷地形。因電廠工程廠區(qū)場(chǎng)平開挖，于廠區(qū)北側(cè)、西側(cè)和南側(cè)形成挖方邊坡。邊坡最高約50 m，坡率在1∶0.5～1∶0.75之間。由于受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，場(chǎng)地小型褶皺、巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，局部破碎巖體極易崩落掉塊，需進(jìn)行支護(hù)治理。廠區(qū)邊坡區(qū)域地貌成因類型為剝蝕丘陵，原始地貌類型為低丘。

圖1 工程地質(zhì)平面

圖2 9-9′工程地質(zhì)剖面

擬建場(chǎng)地地下水類型主要為基巖裂隙水，以大氣降水為其主要補(bǔ)給方式，以人工開采及地下徑流為主要排泄方式。邊坡地段山體地勢(shì)較高，可不必考慮地下水的影響。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算模型的建立

根據(jù)鉆孔資料和該邊坡的邊界特征模型，以現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)勘查得到的地質(zhì)原型為基礎(chǔ)，考慮了軟弱層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，在數(shù)值模擬軟件中導(dǎo)入CAD圖后定義分析類型、材料屬性、生成材料區(qū)域，最后繪制滑移面出入口范圍，從而建立穩(wěn)定性分析計(jì)算模型?？紤]到邊坡仍有在土巖交界處發(fā)生破壞的可能性，通過完全指定滑動(dòng)面，建立發(fā)生在土巖交界面處的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算模型。計(jì)算模型見圖3。

圖3 計(jì)算模型

3.2 計(jì)算工況及荷載組合的確定

根據(jù)該工程巖土工程勘測(cè)報(bào)告書、GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[12]，該邊坡工程安全等級(jí)為一級(jí)，危害等級(jí)為一級(jí)。根據(jù)區(qū)域地震資料可知，研究區(qū)地震烈度為7度，地震峰值加速度為0.10g，綜合水平地震系數(shù)aw=0.025，且由于該邊坡屬于永久性邊坡，設(shè)計(jì)中必須考慮地震荷載對(duì)邊坡的影響；煙臺(tái)地區(qū)的降雨量普遍較大，因此必須考慮雨水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。因此，本次穩(wěn)定性計(jì)算工況設(shè)為天然工況(坡體自重)、暴雨工況、地震工況及暴雨疊加地震工況。

綜合考慮GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》、DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]等相關(guān)規(guī)范的要求，確定此次邊坡治理設(shè)計(jì)天然工況下的安全系數(shù)取值為1.35，暴雨工況下取值為1.15，地震工況下取值為1.15，暴雨疊加地震工況下取值為1.05。

3.3 計(jì)算參數(shù)的選取及影響因素

根據(jù)本次地質(zhì)測(cè)繪調(diào)查成果，中厚層中等風(fēng)化大理巖和閃長巖巖體中結(jié)構(gòu)面為硬性結(jié)構(gòu)面，結(jié)合一般；薄層大理巖夾黑云片巖、強(qiáng)風(fēng)化煌斑巖、黑云片巖中的結(jié)構(gòu)面為軟弱結(jié)構(gòu)面，結(jié)合很差。各種巖石中節(jié)理面的強(qiáng)度參數(shù)按表1取值；薄層大理巖夾黑云片巖、強(qiáng)風(fēng)化煌斑巖等碎裂巖體的等效內(nèi)摩擦角按表2取值[12-13]。

表1 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

表2 邊坡碎裂巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告、工程地質(zhì)類比法、反算法及經(jīng)驗(yàn)值綜合分析，且同時(shí)考慮降雨滲入坡體等因素的影響，確定邊坡巖土體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)取值，見表3、4。

表3 天然工況下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

表4 暴雨工況下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

采用擬靜力分析法考慮地震因素，通過在軟件中設(shè)置地震加速度(水平地震系數(shù)aw=0.025)，反映地震荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

3.4 穩(wěn)定性計(jì)算及分析

依據(jù)上述計(jì)算模型、計(jì)算工況以及計(jì)算參數(shù)，利用數(shù)值模擬軟件，計(jì)算該邊坡在不同工況下基于4種計(jì)算方法的最小穩(wěn)定性系數(shù)，結(jié)果見表5。以M-P法為例，4種工況下最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖4?？紤]到邊坡有在土巖交界處發(fā)生破壞的可能性，根據(jù)圖3計(jì)算模型，計(jì)算不同工況下基于4種方法土巖交界處滑移面的安全系數(shù)，結(jié)果見表6。

表5 邊坡最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表6 土巖交界處滑移面安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖4 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

天然工況下，采用4種方法計(jì)算的邊坡整體安全系數(shù)均在1.33～1.35之間，小于規(guī)范規(guī)定的一級(jí)邊坡安全系數(shù)取值大于1.35的要求，即穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果不能滿足邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的要求；地震工況下，采用4種方法計(jì)算的邊坡安全系數(shù)均在1.15以上，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果能達(dá)到邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的要求；在暴雨工況下，采用4種方法計(jì)算的邊坡安全系數(shù)均在1.15以下，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果不能滿足要求；在暴雨疊加地震工況下，采用4種方法計(jì)算的邊坡安全系數(shù)均在1以下，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果不能滿足要求，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

在4種工況下，邊坡整體最小安全系數(shù)的潛在滑移面均在粉質(zhì)粘土層；土巖交界處的安全系數(shù)均大于邊坡整體最小安全系數(shù)，且均大于規(guī)范規(guī)定的一級(jí)邊坡安全系數(shù)取值要求，處于穩(wěn)定狀態(tài)，土巖交界處不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

綜上，該邊坡在天然工況下安全系數(shù)雖小于技術(shù)規(guī)范中的要求，但均在1.33～1.35之間，發(fā)生整體失穩(wěn)的可能性較??；邊坡在暴雨、暴雨疊加地震時(shí)存在較大可能性邊坡失穩(wěn)，且場(chǎng)地小型褶皺、巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，局部破碎巖體極易崩落掉塊，有必要對(duì)該邊坡進(jìn)行支護(hù)。

4 邊坡治理

由于本工程邊坡巖體的地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造情況比較復(fù)雜，巖體比較破碎，坡底廠區(qū)道路和建筑物比較多，若出現(xiàn)巖體坍塌將會(huì)造成比較嚴(yán)重的工程后果和經(jīng)濟(jì)損失，因此必須保證加固后邊坡的長期穩(wěn)定。此外，由于山體開挖改變了原來的排水通道，加之煙臺(tái)地區(qū)降雨量普遍較大，雨水的滲透會(huì)降低巖體的強(qiáng)度，使邊坡在暴雨、暴雨疊加工況下處于極易失穩(wěn)的狀態(tài)，因此必須考慮雨水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，保證坡頂、坡面和坡底地表水的有序排放，設(shè)置系統(tǒng)的截排水溝措施。

4.1 邊坡支護(hù)方案比選

根據(jù)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，支護(hù)結(jié)構(gòu)一般有鉆孔灌注樁、鉆孔咬合灌注樁、人工挖孔樁、SMW樁、噴錨+暗梁及噴錨+格構(gòu)梁等幾種選擇方式。綜合考慮施工技術(shù)難度、施工耗時(shí)、對(duì)機(jī)械設(shè)備的要求及支護(hù)費(fèi)用等因素，結(jié)合施工單位現(xiàn)場(chǎng)已有支護(hù)材料情況，對(duì)6種可行的圍護(hù)方案從支護(hù)費(fèi)用、施工時(shí)效、技術(shù)難度和設(shè)備要求等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合分析比較。采用鉆孔灌注樁、鉆孔咬合灌注樁、人工挖孔樁、SMW樁的支護(hù)方案費(fèi)用較高，施工工藝相對(duì)復(fù)雜，不宜采用；而噴錨+暗梁及噴錨+格構(gòu)梁這2種支護(hù)方案在保證施工進(jìn)度、提高施工時(shí)效、節(jié)約成本等方面都比較合適，是符合工程實(shí)際的基坑開挖支護(hù)方案。因此，在保證邊坡本身和周邊環(huán)境安全的前提下，選擇了經(jīng)濟(jì)合理可行的加固設(shè)計(jì)方案，加固方式為噴錨+暗梁及噴錨+格構(gòu)梁。

4.2 噴錨的布置及設(shè)計(jì)

錨桿主體筋采用直徑為28～32 mm的HRB400鋼筋，長3～15 m，錨桿成孔直徑130 mm，內(nèi)灌純水泥漿，并采用二次壓漿。錨桿采用二次低壓注漿全粘結(jié)型錨桿，注漿壓力0.2～0.5 MPa，注純水泥漿，水灰比為0.4～0.5，灌漿材料28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于25 MPa。沿錨桿主體每1.5 m設(shè)置1個(gè)撐力環(huán)。錨桿與水平向夾角為20°，邊坡噴層厚度為150 mm，掛雙層8@250×250的鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)搭接長度為300 mm。

4.3 格構(gòu)梁和暗梁的布置及設(shè)計(jì)

格構(gòu)梁采用400 mm×400 mm的鋼筋混凝土梁，底部基礎(chǔ)梁尺寸為400 mm×500 mm；梁的縱橫間距為2.5 m，格構(gòu)梁之間噴射鋼筋混凝土面層，面層設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)片(直徑8@250×250的HPB300鋼筋)，厚150 mm。加強(qiáng)筋或暗梁都采用直徑為20 mm的HRB400鋼筋。

4.4 截排水措施

坡頂距離坡頂線設(shè)置寬300 mm、高500 mm的鋼筋混凝土擋水墻，擋墻底部采用植筋方式與穩(wěn)定巖體連接，內(nèi)罐結(jié)構(gòu)膠。沿邊坡走向每25 m設(shè)置寬20 mm的伸縮縫，縫中填塞瀝青麻筋、瀝青木板或其他有彈性的防水材料。邊坡坡頂設(shè)置截水溝，邊坡坡底設(shè)置排水溝，截水溝和排水溝呈梯形，采用C25混凝土。截水溝沿邊坡兩側(cè)根據(jù)地形設(shè)置，確保排水暢通。坡頂至坡底沿坡面每30 m設(shè)置封閉的集水管，使坡頂雨水集中排放至坡底的排水系統(tǒng)，避免雨水對(duì)坡面產(chǎn)生沖刷。

4.5 加固后安全系數(shù)驗(yàn)算

以9-9′剖面噴錨支護(hù)為例，對(duì)加固后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算，驗(yàn)算模型見圖5。M-P工況下支護(hù)后最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖6。邊坡支護(hù)后最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表7。從表7可知，加固后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與未支護(hù)情況下邊坡安全系數(shù)相比有大幅提高，且支護(hù)后邊坡安全系數(shù)在基于不同計(jì)算方法的4種工況下均滿足相關(guān)規(guī)范要求，加固效果顯著。

表7 邊坡支護(hù)后最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖5 邊坡加固后計(jì)算模型

圖6 邊坡支護(hù)后穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 語

本文基于極限平衡分析方法，就某電廠邊坡在天然工況下、暴雨工況下、地震工況下和暴雨疊加地震工況下安全系數(shù)分別進(jìn)行了支護(hù)前后的穩(wěn)定性計(jì)算分析及評(píng)價(jià)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)該邊坡在天然工況下雖不能滿足邊坡安全系數(shù)的要求，但數(shù)值相對(duì)較大，發(fā)生整體滑動(dòng)的可能性較小；在地震工況下穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果能達(dá)到邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的要求，不會(huì)失穩(wěn)；在暴雨、暴雨疊加地震工況下坡體穩(wěn)定性大幅下降，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果不能滿足邊坡安全系數(shù)的要求，極易失穩(wěn)。

(2)通過支護(hù)方案比選，確定噴錨+暗梁及噴錨+格構(gòu)梁治理方案，且通過計(jì)算分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)查，支護(hù)后邊坡安全系數(shù)得到大幅提高，加固效果顯著，對(duì)邊坡穩(wěn)定有較大的改善作用，達(dá)到了規(guī)范要求。

(3)綜合考慮本工程邊坡的地質(zhì)、地貌特性，設(shè)置了鋼筋混凝土擋水墻、伸縮縫、截水溝、排水溝、集水管等截排水措施。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)反饋，完善系統(tǒng)的截排水措施使地表水順暢排出，減少了降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的不利影響。