周 奎，程光威，姚晨輝,楊青云

(1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710043；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000；3.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065；4.中國(guó)重型機(jī)械有限公司，北京 100038)

0 前 言

水利水電工程多集中在高陡的山區(qū)，工程建設(shè)中的邊坡開(kāi)挖常會(huì)破壞邊坡原有穩(wěn)定，造成邊坡變形，甚至失穩(wěn)，嚴(yán)重者還會(huì)導(dǎo)致人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。近年來(lái)，有關(guān)專家學(xué)者對(duì)邊坡穩(wěn)定性研究較多，其主要分為兩大類分析方法，一類是定性分析，如圖解法[1-2]，工程類比法等；另一類是定量分析法，如極限平衡法[3]、可靠度[4]分析法等，運(yùn)用相關(guān)有限元分析軟件，使用計(jì)算數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)了邊坡的穩(wěn)定性。定性分析法簡(jiǎn)單易操作，但缺少準(zhǔn)確參數(shù)，無(wú)法為支護(hù)提供準(zhǔn)確設(shè)計(jì)依據(jù)，定量分析雖然計(jì)算結(jié)果確定，但有時(shí)計(jì)算結(jié)果與事實(shí)背離，不足使人信服。

筆者在各位前輩研究的基礎(chǔ)上，使用圖解法與極限平衡法相結(jié)合的方法[5-7]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)編錄資料，邊坡監(jiān)測(cè)資料，運(yùn)用Sarma原理的geo-studio軟件，對(duì)某水墊塘邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了定性及定量分析，為邊坡支護(hù)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 邊坡地質(zhì)情況及失穩(wěn)特征

1.1 邊坡地質(zhì)條件

該水墊塘邊坡位于右岸壩基下游，開(kāi)挖高程為995.00～1 046.00 m，并分別在高程995.00、1 010.00、1 025.00 m設(shè)置馬道，邊坡走向N54°W，開(kāi)挖坡比為1∶0.75～1∶1，邊坡開(kāi)挖后采用掛網(wǎng)錨噴支護(hù)。

開(kāi)挖揭露邊坡地層巖性主要為第四系坡積物、泥盆系下統(tǒng)(D1)砂礫巖類及泥盆系中統(tǒng)(D2)的泥質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖等，砂礫巖類多呈灰色、深灰色，板巖類呈紫紅、灰綠色；巖層層面產(chǎn)狀N25°～75°E，NW∠55°～65°。開(kāi)挖揭露的主要構(gòu)造帶為F11斷層， F11斷層帶整體產(chǎn)狀為N25°E ，NW∠77°，F(xiàn)11走向與邊坡走向近乎垂直，寬11～18 m，由泥質(zhì)板巖條帶、構(gòu)造角礫巖及壓碎巖組成，膠結(jié)較差，斷層帶內(nèi)紫紅色泥質(zhì)板巖條帶、壓碎巖物質(zhì)等遇水易泥化、軟化，F(xiàn)11見(jiàn)圖1。

1.2 邊坡變形歷程、變形體范圍及形態(tài)特征

2018年9月19日，右岸水墊塘邊坡高程995.00～1 010.00 m范圍發(fā)生局部滑塌。2018年10月25日，在水墊塘右岸高程1 025.00～1 046.00 mF11斷層帶范圍噴混凝土邊坡發(fā)現(xiàn)多處裂縫，且高程1 046.00 m平臺(tái)混凝土路面上發(fā)現(xiàn)多處裂縫，伴隨兩場(chǎng)大雨后，自2018年12月12日起，高程1 046.00 m平臺(tái)裂縫發(fā)展加快、外側(cè)邊坡下沉，高程1 025.00 m馬道邊坡向外鼓出，裂縫平面見(jiàn)圖2。

因高程995.00～1 046.00 m邊坡自上而下變形特征不同，所以對(duì)邊坡根據(jù)高程進(jìn)行分區(qū)域分析，各區(qū)域變形體范圍及形態(tài)特征見(jiàn)圖3所示。

(1) 1區(qū)域高程1 025.00～ 1 046.00 m之間的邊坡，高程1 046.00 m平臺(tái)混凝土路面發(fā)生開(kāi)裂，主裂縫延伸長(zhǎng)約20～30 m，裂縫寬度最大達(dá)10 cm，并有錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，高程1 025.00～1 046.00m邊坡坡面有多處橫向裂縫，裂縫走向基本與邊坡走向一致，寬度1～5 cm，且有鼓脹現(xiàn)象；高程1 025.00 m馬道內(nèi)側(cè)見(jiàn)明顯的裂縫剪出鼓脹。

(2) 2區(qū)域高程 1 010.00～1 025.00 m之間的邊坡，其變形主要為沿馬道外緣的開(kāi)裂，坡體上噴射混凝土橫向開(kāi)裂，裂縫走向基本與邊坡走向一致，裂縫寬度普遍小于2 cm，且各裂縫未貫穿。

(3) 3區(qū)域高程995.00～1 010.00 m，在F11斷層帶下游側(cè)的邊坡，邊坡出現(xiàn)了兩處塊體失穩(wěn)現(xiàn)象，表現(xiàn)為楔形體滑動(dòng)。

1.3 邊坡變形監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)邊坡變形，右岸邊坡高程1 025.00 m馬道垂直布置1套三點(diǎn)式位移計(jì)(YBP-M-01)，用于監(jiān)測(cè)邊坡位移變形情況,右岸邊坡監(jiān)測(cè)儀器布置見(jiàn)圖4。YBP-M-01三點(diǎn)式位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5，從圖5可以看出，邊坡向臨空面位移量持續(xù)增加，2018年11月4日至2019年1月23日，監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔口處位移量42.16 mm，3 m深度位移23.81 mm，11 m深度位移2.49 mm。

另外，變形發(fā)生后也對(duì)高程1 046.00 m平臺(tái)上的12號(hào)主拉裂縫寬度變化進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，2018年12月14日至2018年12月19日，裂縫寬度增加了100 mm。

2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)[9]都表明，邊坡正處于失穩(wěn)狀態(tài)。并且，從3點(diǎn)式位移計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，邊坡在高程1 025.00 m處變形主要在淺表層3 m處，邊坡深部未發(fā)生較大變形。

2 變形機(jī)制分析及穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡變形機(jī)制

根據(jù)開(kāi)挖編錄資料、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況以及變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合變形體分區(qū)、物質(zhì)組成及形態(tài)特征，綜合分析認(rèn)為各區(qū)域變形體成因機(jī)制如下：

(1) 1區(qū)域的變形體主要為F11斷層，其邊坡穩(wěn)定性主要受巖(土)體的開(kāi)挖松弛、及地表水下滲因素影響。雨水下滲導(dǎo)致巖土體迅速軟化，壓縮蠕變累計(jì)量大后形成滑面，滑面貫穿形成后，產(chǎn)生了較大的后緣拉裂、前緣鼓脹剪出變形，裂縫見(jiàn)圖7。且結(jié)合YBP-M-01監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出滑動(dòng)剪切面位于淺部及3 m 深處，11 m深度處未形成滑動(dòng)面；

(2) 2區(qū)域巖體質(zhì)量比1區(qū)域好，且2區(qū)域裂縫多沿坡面傾向方向展布，張開(kāi)度普遍較小，受雨水滲入作用較1區(qū)域弱，因此2區(qū)域壓縮蠕變變形累計(jì)量較1區(qū)域小，變形量有限，變形體滑面尚未貫通形成。故其變形體主要形成機(jī)制為F11斷層帶形成的松散介質(zhì)和壓碎巖體邊坡的局部剪切滑移；此外，受高程1 010.00 m平臺(tái)以下兩處塊體失穩(wěn)影響，導(dǎo)致其高程1 010.00 m上部邊坡產(chǎn)生了多個(gè)牽引式的變形拉裂縫。

(3) 3區(qū)域邊坡巖體處于卸荷帶底部影響范圍內(nèi)，其變形特征主要為兩處局部的塊體失穩(wěn)現(xiàn)象，為N35°E，NW∠71°，N20°W，NE∠38°兩組節(jié)理在開(kāi)挖面的切割導(dǎo)致的楔形體平面型滑移。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

本次采用geo-studio軟件，采用極限平衡Sarma[8]法進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算分析。

Sarma法計(jì)算如圖8所示。假設(shè)在臨界水平地震加速度系數(shù)條件下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs，假定條塊的底面和側(cè)面均達(dá)到極限平衡，則可通過(guò)靜力平衡條件獲得臨界水平地震加速度 ，從而求得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

邊界條件為

(9)

公式(2)～(9)中：Wi為第i塊的自重,kN;Ui為作用在第i塊底滑面上的靜水壓力,kN;PWi為作用在第i塊側(cè)面的靜水壓力,kN;αi為第i塊底滑面與水平面的夾角,°;δi、δi+1為i塊兩側(cè)面與鉛垂面的夾角,°;bi為第i塊底滑面在水平面上的投影的長(zhǎng)度,m;di為第i塊側(cè)面的長(zhǎng)度,m;Fs為安全穩(wěn)定性系數(shù)。

選取相應(yīng)的地質(zhì)參數(shù)，參數(shù)見(jiàn)表1，分別選取3條代表性剖面對(duì)3個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

表1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

2-2剖面在高程1 010.00～1 025.00 m范圍穿過(guò)F11斷層，是2區(qū)域代表剖面；3-3剖面在高程1 025.00～1 046.00 m范圍穿過(guò)F11斷層，是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際變形最大的控制性剖面，也是1區(qū)域代表剖面；6-6剖面在高程995.00～1 010.00 m范圍穿過(guò)F11斷層；是3區(qū)域代表剖面；計(jì)算各剖面在天然地下水條件下的邊坡計(jì)算滑面簡(jiǎn)圖如圖9～12所示，最小安全穩(wěn)定性系數(shù)如表2所示。

表2 軟件計(jì)算最小安全穩(wěn)定性系數(shù)

軟件計(jì)算見(jiàn)圖13～15，計(jì)算結(jié)果表明，2區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)，1區(qū)域3區(qū)域處于失穩(wěn)狀態(tài)，由計(jì)算圖可知，1區(qū)域滑面未貫穿至1 025.00 m以下，這與3點(diǎn)式位移計(jì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示的滑動(dòng)面在高程1 025.00 m處淺表層基本吻合，因此可以得出結(jié)論，1、3區(qū)域整體失穩(wěn)，2區(qū)域整體較穩(wěn)定。

且3區(qū)域出現(xiàn)了兩處滑塌，現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)這兩處滑塌主要是有兩組不利組合節(jié)理與開(kāi)挖面切割巖體造成的楔形體滑動(dòng)，節(jié)理與坡面產(chǎn)狀見(jiàn)表3。

表3 節(jié)理與坡面產(chǎn)狀

繪制極射赤平投影圖，見(jiàn)圖16。

分析赤平投影圖可以得出結(jié)論，該楔形體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這與軟件計(jì)算結(jié)果相吻合。

3 結(jié) 論

(1) 1區(qū)域邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，變形主要受巖(土)體的開(kāi)挖松弛、及地表水下滲等因素影響，F(xiàn)11斷層帶的松散介質(zhì)因遇水迅速軟化，壓縮蠕變累計(jì)增大，并形成高程1 025.00～1 046.00 m的滑面，滑面貫穿形成后，產(chǎn)生了較大的后緣拉裂、前緣鼓脹剪出變形。

(2) 2區(qū)域邊坡整體穩(wěn)定，但上部受F11斷層帶形成的松散介質(zhì)和碎裂巖體邊坡的局部剪切滑移；下部受高程1 010.00 m平臺(tái)以下2處塊體失穩(wěn)影響，使2區(qū)域部邊坡產(chǎn)生了多個(gè)牽引式的變形拉裂縫。

(3) 3區(qū)域邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，其變形主要為兩處塊體滑移變形，是由N35°E，NW∠71°;N20°W，NE∠38°這兩組節(jié)理在開(kāi)挖面上切割導(dǎo)致的楔形體滑移。