連振宏

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072)

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，水利工程項(xiàng)目越來越多。山區(qū)開挖不可避免會(huì)出現(xiàn)開挖高邊坡的情況，削坡改變了山體自然邊坡的平衡條件，開挖后的高邊坡在外荷載(地震、填土等)、重力和水的滲流、巖土的膨脹等作用下易失去平衡狀態(tài)，發(fā)生邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，給人民生命財(cái)產(chǎn)和工程建設(shè)帶來了巨大的損失[1-3]。

目前，對(duì)于邊坡穩(wěn)定性分析最常用的極限平衡方法有：瑞典條分法、簡(jiǎn)化Bishop法、Janbu普通條分法等[1，4-5]，計(jì)算分析理論成熟，能夠滿足工程建設(shè)需要。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展普及，出現(xiàn)多種邊坡穩(wěn)定分析軟件，如理正邊坡穩(wěn)定分析軟件[6]、AutoBank軟件[7]及Geo-Studio軟件[3]等，各分析軟件計(jì)算得到的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)相差不大[8]，計(jì)算成果對(duì)邊坡開挖施工具有重要指導(dǎo)意義。

工程實(shí)踐表明，在山體邊坡開挖過程中，盡管邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果滿足穩(wěn)定要求，但在實(shí)際施工中局部仍出現(xiàn)邊坡坍塌或滑落等現(xiàn)象，因此，必須在對(duì)開挖邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)跟蹤設(shè)計(jì)，及時(shí)調(diào)整采取合理對(duì)策和措施，確保邊坡開挖過程的穩(wěn)定安全。

1 工程概況

某水庫為西南一座以灌溉、防洪、城鄉(xiāng)生活及工業(yè)供水等綜合利用的水利工程，由攔河大壩、左岸泄洪隧洞(兼導(dǎo)流洞)、右岸溢洪道和右岸引水隧洞等水工建筑物組成。水庫正常蓄水位650m，最大壩高104.8m，水庫總庫容1.68億m3，屬大(2)型水利工程。該工程大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，所需壩體填筑料和混凝土骨料由料場(chǎng)開采供應(yīng)。

通過現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取得試樣，進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，得出邊坡巖體的物理力學(xué)參數(shù)取值如表1。

表1 力學(xué)參數(shù)取值

2 邊坡穩(wěn)定分析及支護(hù)設(shè)計(jì)

本文利用理正邊坡穩(wěn)定分析軟件、AutoBank軟件及Geo-Studio軟件建立山體開挖邊坡的計(jì)算模型，進(jìn)行開挖高邊坡安全穩(wěn)定性分析，求解邊坡最小安全系數(shù)的滑動(dòng)面，指導(dǎo)設(shè)計(jì)邊坡支護(hù)方案，確保邊坡安全穩(wěn)定。

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 386-2007)中對(duì)邊坡級(jí)別劃分的要求，結(jié)合本工程屬Ⅱ等工程，泄洪洞為主要建筑物按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，料場(chǎng)位于泄洪洞及大壩基坑以上，相距高差較大，開挖邊坡破壞后對(duì)水工建筑物的危險(xiǎn)程度不嚴(yán)重，確定料場(chǎng)開挖邊坡的級(jí)別為4級(jí)，相應(yīng)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表2。

表2 開挖邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 模型的建立

料場(chǎng)開采利用自上而下分梯段方式，沿河開采最大長度434.80m，開采最大寬度336.15m，開采面積8.41萬m2。邊坡最大高度210m，每隔15m設(shè)一道寬2m的馬道，弱風(fēng)化及以下開挖坡比為1∶0.5，強(qiáng)分化巖體開挖坡比為1∶0.75。根據(jù)巖土工程勘察資料提供的邊坡剖面圖，選取某剖面為典型剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，如圖1所示。

圖1 料場(chǎng)開挖邊坡剖面

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及模型對(duì)邊界條件的敏感性，為計(jì)算得到的安全系數(shù)更準(zhǔn)確，坡腳到水平邊界的距離大于邊坡高度的1.5倍距離，坡頂?shù)剿竭吔缇嚯x大于邊坡高度的2.5倍距離，并且上下邊界總高度大于2倍邊坡高度。因此，建立開挖高邊坡的二維計(jì)算模型[9]，如圖2，巖石的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)由表1確定，模型的邊界條件為：底邊為X、Y方向約束，左右為X方向約束。對(duì)于開挖后高邊坡為天然邊坡，外荷載僅為重力，不考慮地下水的影響。

圖2 開挖邊坡計(jì)算模型

2.2 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算

2.2.1 理正軟件

采用簡(jiǎn)化Bishop法，自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面得到最小安全系數(shù)1.35，滑動(dòng)半徑110m，計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 理正軟件邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

2.2.2 AutoBank軟件

采用簡(jiǎn)化Bishop法，自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面得到最小安全系數(shù)1.37，計(jì)算結(jié)果如圖4。

圖4 AutoBank軟件邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

2.2.3 Geo-Studio軟件

采用Slope/W模塊自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面得到最小安全系數(shù)1.30，計(jì)算結(jié)果如圖5。

圖5 Geo-Studio軟件邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

2.3 邊坡穩(wěn)定性分析

通過不同分析軟件對(duì)料場(chǎng)開挖高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，得到同一工況下的安全系數(shù)，如表3。

表3 同一工況下開挖邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果

從表3中可以看出，邊坡開挖后各軟件計(jì)算的最小安全系數(shù)相差不大，且均大于《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 386-2007)規(guī)定的在正常運(yùn)用條件下邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，說明開挖后邊坡整體是穩(wěn)定的。

2.4 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案

通過對(duì)料場(chǎng)開挖邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算，邊坡整體穩(wěn)定性較好，穩(wěn)定安全系數(shù)滿足要求。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)開挖邊坡主要采取掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，并在頂部設(shè)置排水溝，邊坡面設(shè)置排水孔，解決開挖邊坡淺層脫層掉塊問題，確保邊坡安全穩(wěn)定，具體支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。

表4 開挖邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 邊坡開挖動(dòng)態(tài)跟蹤設(shè)計(jì)

在料場(chǎng)開挖過程中，整體地質(zhì)情況基本一致，但在947.0m～960.0m高程，樁號(hào)0-123.29～0-48.97局部范圍內(nèi)巖層由緩變陡，沿巖層層面存在充填有次生夾泥現(xiàn)象，邊坡開挖后在高程960.0m、957.5m和956.0m出現(xiàn)三條長約17m～23m不等的裂縫，其中960.0m高程處的裂縫發(fā)育最長，為23m，其現(xiàn)場(chǎng)裂縫發(fā)育照片見圖6。

通過現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)勘測(cè)及變形觀測(cè)，基本確定該裂隙形成機(jī)制為開挖施工局部切腳開挖，造成前緣抗體厚度不夠引起的邊坡巖體的牽引式變形。為確保開挖邊坡安全穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際揭示的地質(zhì)情況及施工情況，對(duì)開挖邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，及時(shí)調(diào)整邊坡支護(hù)參數(shù)。

本次計(jì)算剖面見圖7，采用AutoBank軟件和剛體極限平衡計(jì)算方法[10-11]對(duì)比分析，具體支護(hù)設(shè)計(jì)方案為：100t錨索+錨索橫梁，錨索間距6m，L=40m，952m和957m靠陡崖側(cè)各1根錨索，鉆孔方向?yàn)镹10°E，其余鉆孔方向均為N5°E，俯角23°；錨筋束332，L=12m，間距3m，鉆孔方向?yàn)镹5°E，俯角23°；部分高程布置32mm錨桿，L=12m，間距3m，鉆孔方向?yàn)镹5°E，俯角23°。支護(hù)邊坡安全穩(wěn)定分析見表5。

圖7 實(shí)際開挖邊坡計(jì)算剖面

表5 開挖邊坡支護(hù)穩(wěn)定安全系數(shù)

由表5可知，開挖邊坡在天然狀態(tài)下穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，在增加支護(hù)措施后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，且支護(hù)設(shè)施實(shí)施后至今邊坡運(yùn)行穩(wěn)定，變形裂縫不再增加，料場(chǎng)邊坡目前已開挖結(jié)束約2年時(shí)間，開挖邊坡整體穩(wěn)定，未出現(xiàn)坍塌或滑落現(xiàn)象。

4 結(jié)語

(1)邊坡穩(wěn)定分析理論成熟[12]，計(jì)算方法滿足工程需要，且采用不同分析軟件計(jì)算結(jié)果基本一致，能夠?yàn)檫吰轮ёo(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，合理有效地指導(dǎo)工程建設(shè)。

(2)在邊坡穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)上，對(duì)邊坡開挖施工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)跟蹤設(shè)計(jì)具有重要意義。在邊坡開挖施工過程中，根據(jù)開挖揭示的實(shí)際地質(zhì)情況，及時(shí)調(diào)整邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案，采取合理有效的措施，確保邊坡開挖穩(wěn)定安全，更有力地推動(dòng)工程建設(shè)和發(fā)展。

(3)通過工程實(shí)踐，應(yīng)用錨筋束能快速施工迅速形成支護(hù)作用的特點(diǎn)，解決變形邊坡應(yīng)急穩(wěn)定問題，再利用錨索支護(hù)，實(shí)現(xiàn)變形邊坡深層穩(wěn)定，相應(yīng)支護(hù)措施實(shí)施后效果明顯，開挖施工期和運(yùn)行約2年多時(shí)間邊坡未出現(xiàn)坍塌或滑落，整體運(yùn)行安全穩(wěn)定，說明邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案相對(duì)合理，對(duì)其他工程邊坡支護(hù)具有一定借鑒意義。