李培順

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

0 引言

在巖土工程中，切實(shí)保證邊坡的穩(wěn)定性尤為重要，其不僅會(huì)直接影響到建筑物的安全和質(zhì)量，還將關(guān)系到后期的運(yùn)營(yíng)和使用。因此，有必要加強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性的分析，以科學(xué)的方法來(lái)保證邊坡的穩(wěn)定性。某港區(qū)新生作業(yè)區(qū)一期工程位于長(zhǎng)江左岸，主體建設(shè)內(nèi)容包含5000 噸級(jí)多用途泊位7 個(gè)、60 載車(chē)位汽車(chē)滾裝泊位1個(gè)以及相關(guān)配套設(shè)施。工程建設(shè)階段，場(chǎng)地周邊平場(chǎng)后形成高填方邊坡，其穩(wěn)定性控制尤為關(guān)鍵。因此，本文選擇具有代表性的部位，對(duì)此類(lèi)區(qū)域的穩(wěn)定性展開(kāi)分析。

1 邊坡的成因及穩(wěn)定性影響因素

從斜坡的成因來(lái)看，巖土邊坡可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是天然斜坡，其隨著地質(zhì)作用而產(chǎn)生，常見(jiàn)有海岸峭壁、邊坡等；另一類(lèi)為人工斜坡，其主要由于人為因素作用或影響，隨著人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)的開(kāi)展，逐步形成斜坡，例如壩肩邊坡等。

邊坡的形成是一個(gè)復(fù)雜、持續(xù)的過(guò)程，受地下水、風(fēng)化侵蝕在內(nèi)的自然因素或開(kāi)挖、爆破在內(nèi)等人為因素的作用或影響，或在彼此的共同作用下引發(fā)應(yīng)力集中效應(yīng)，超過(guò)巖土體可承受的強(qiáng)度極限時(shí)，破壞其原有形狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而受重力作用形成斜坡。

邊坡的穩(wěn)定性取決于多項(xiàng)因素，通?？蓪⑵錃w結(jié)為兩個(gè)方面：一是人類(lèi)活動(dòng)、地震、地下水滲流、風(fēng)化等外部因素；二是與邊坡自身的地質(zhì)特性有關(guān)，具體體現(xiàn)在地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等內(nèi)部因素方面。各類(lèi)因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度不盡相同，其中內(nèi)在因素起到主導(dǎo)作用，如果同時(shí)受到外部因素的干擾，將有可能增加邊坡的下滑力，并對(duì)其的穩(wěn)定性造成更大不良影響，加劇邊坡的變形和破壞。

2 邊坡穩(wěn)定性分析的基本思路及常見(jiàn)方法

邊坡穩(wěn)定性分析的基本思路為：以勘察資料為基礎(chǔ)，對(duì)底層結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)化處理，建立地質(zhì)模型，隨后以力學(xué)理論為支撐，建立計(jì)算模型，再進(jìn)一步確定計(jì)算方法，以此開(kāi)展邊坡穩(wěn)定性的分析。

邊坡穩(wěn)定性分析在工程中極具必要性，隨著理論的深化以及經(jīng)驗(yàn)的積累，現(xiàn)階段邊坡穩(wěn)定性分析的方法比較多，但常見(jiàn)的有工程類(lèi)比法、極限平衡法、數(shù)值分析法等三種。

2.1 工程類(lèi)比法

在行業(yè)發(fā)展初期，技術(shù)人員對(duì)滑坡發(fā)生的機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，缺乏完善的評(píng)價(jià)方法，針對(duì)邊坡的設(shè)計(jì)以經(jīng)驗(yàn)為主，參照類(lèi)似工程，從中汲取經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展邊坡設(shè)計(jì)工作，該方法就稱(chēng)之為工程類(lèi)比法。工程類(lèi)比法有較強(qiáng)的主觀性，對(duì)設(shè)計(jì)者的綜合素質(zhì)提出較高的要求，需要具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)工程實(shí)際環(huán)境的鑒別能力。在工程活動(dòng)中，工程類(lèi)比法因其便捷而得以廣泛地應(yīng)用，但其缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撘罁?jù)，難以形成一套完善的、可行的理論體系，面對(duì)各類(lèi)特殊的地質(zhì)水文條件時(shí)，以往積累的經(jīng)驗(yàn)就難以完全適用于全新的環(huán)境，導(dǎo)致實(shí)際的工作方法缺乏合理性，成果偏離實(shí)際需求。由于主觀因素的干擾，邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果有失真性，可能會(huì)給施工帶來(lái)錯(cuò)誤的引導(dǎo)，難以有效保證施工后的工程質(zhì)量。

2.2 極限平衡法

作為一種定量方法，其在邊坡穩(wěn)定性分析中得以廣泛地應(yīng)用。極限平衡法以極限平衡理論為基礎(chǔ)，充分保留該理論的優(yōu)勢(shì)，能夠在不給出應(yīng)力作用相關(guān)圖形的前提下完成分析工作，并且穩(wěn)定性分析結(jié)果具有參考價(jià)值。此外，對(duì)于失穩(wěn)邊坡而言，對(duì)其反算的強(qiáng)度參數(shù)有較高的真實(shí)性，能夠與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果保持高度的吻合，從而給工程設(shè)計(jì)、施工等工作的開(kāi)展提供重要的指導(dǎo)。在工程技術(shù)人員持續(xù)地探索下，極限平衡法衍生出垂直條分法、滑移線(xiàn)法兩類(lèi)細(xì)分方法，在現(xiàn)階段的邊坡穩(wěn)定性分析中，垂直條分法應(yīng)用更為廣泛。

2.3 數(shù)值分析法

以土的本構(gòu)關(guān)系為基礎(chǔ)，構(gòu)建地質(zhì)分析模型，再將巖體劃分為適量的小單元體，針對(duì)劃分結(jié)果做離散化處理，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步假定任一可能滑動(dòng)面，將其細(xì)分為一定量的微段，進(jìn)而針對(duì)各微段展開(kāi)計(jì)算，確定各自的正應(yīng)力、切向剪應(yīng)力，最后基于產(chǎn)生的力學(xué)參數(shù)構(gòu)建力矩平衡方程。在邊坡穩(wěn)定性分析中，數(shù)值分析的優(yōu)勢(shì)突出，可以用于計(jì)算邊坡的應(yīng)力和應(yīng)變值。以強(qiáng)度指標(biāo)、工況為主要的立足點(diǎn)，確定邊坡發(fā)生變形的具體部位、程度和最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面位置，計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)。數(shù)值分析法充分地考慮到穩(wěn)定性狀況和應(yīng)力應(yīng)變分析，將兩者緊密地關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而保證了分析結(jié)果的可靠性。實(shí)際分析中，無(wú)需假定滑動(dòng)面，因而減少了工作量，提高分析的便捷性，生成的模擬結(jié)果更加直觀。但需注意的是，受到土體多樣性、不均勻性地影響，數(shù)值分析法的應(yīng)用效果會(huì)受到制約。

如前所述，在邊坡穩(wěn)定性分析領(lǐng)域，相應(yīng)的理論成果逐步豐富，在業(yè)內(nèi)人士不懈地努力下，取得了顯著的進(jìn)步。但邊坡穩(wěn)定性分析有其特殊性，土壤的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)水文條件存在干擾，在多重因素的共同影響下，明顯增加了邊坡穩(wěn)定性分析的難度，且現(xiàn)有評(píng)估方法普遍建立在理論假設(shè)的基礎(chǔ)上，而實(shí)際應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變，因此在應(yīng)用中有一定的局限性。為此，可以考慮將多種方法融合應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，從而得到更加可靠的分析結(jié)果。

3 地質(zhì)水文狀況分析

3.1 地形條件

勘察發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)以構(gòu)造剝蝕丘陵地貌為主，地形中間高、兩側(cè)河谷低，呈明顯的起伏變化。最低點(diǎn)、最高點(diǎn)分別位于長(zhǎng)江岸邊、勘察區(qū)北西側(cè)山包，高程分別為158m、364.7m。區(qū)內(nèi)植被茂密，山坡地帶土層多小于1m，局部有基巖出露，公路切坡處可見(jiàn)區(qū)內(nèi)覆蓋層較薄?？傮w來(lái)看，場(chǎng)地地形、地貌具有復(fù)雜化的特征，對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析提出了較高的要求。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

勘察區(qū)巖層產(chǎn)狀SW130°～135°∠65°～75°，層面結(jié)合穩(wěn)定性差，發(fā)育三組裂隙，有少量泥質(zhì)充填，均屬于硬性結(jié)構(gòu)面，具體如下：裂隙Ⅰ產(chǎn)狀SW220°～242°∠70°～80°，裂隙寬1～4mm，裂隙面較平整；裂隙Ⅱ產(chǎn)狀SW290°～300°∠12°～27°，裂隙寬2～5mm，裂隙面平直、光滑；裂隙Ⅲ產(chǎn)狀SW133°∠5～10°，裂隙寬2～4mm。

3.3 水文條件

蓄水前歷年最高洪水位148.72m（1980 年），勘察時(shí)水位約162～158m，平均流量約為350m3/s，最低水位145.1m，最大水位差30.00m。三峽水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度方式屬于關(guān)鍵影響因素，其會(huì)對(duì)變幅造成較顯著的影響。三峽水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度的實(shí)施方案如下：每年11 月至次年4月，175m（吳淞高程）的高水位運(yùn)行；6 月份至9 月份，防洪限制水位145m（吳淞高程）運(yùn)行；水位變幅有明顯的階段性特征，即春夏低、秋冬高；每年存在降水位（175m→145m）和抬升水位（145m→175m）。

3.4 地質(zhì)條件

地質(zhì)條件方面，該港區(qū)巖性包含第四系全新統(tǒng)人工填土、沖洪積層、坡殘積層等，其間夾砂巖、泥質(zhì)砂巖。水文條件方面，區(qū)域內(nèi)陸域175m 以上部分的水源以大氣降水補(bǔ)給為主，該范圍存在地表水和地下水，沿地面自高向低的路徑形成降雨流動(dòng)；175m 及以下區(qū)域，除了大氣降水外，還存在一定程度的長(zhǎng)江江水補(bǔ)給形式，該區(qū)地下水與長(zhǎng)江連通。為進(jìn)一步探明勘察區(qū)的水文條件，組織初勘抽水試驗(yàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，卵石土滲透系數(shù)根據(jù)分布位置的不同而存在差異，具有臨長(zhǎng)江一側(cè)較大的特點(diǎn)；隨長(zhǎng)江水位的漲落，地下水位隨之發(fā)生升降變化。侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高為長(zhǎng)江173.31m。

3.5 邊坡的設(shè)計(jì)意圖

遵循因地制宜的原則，根據(jù)掌握的勘察信息合理組織設(shè)計(jì)。填方邊坡坡率1∶1.75～1∶2.5；對(duì)局部邊坡坡率做靈活的調(diào)整，其中滾動(dòng)機(jī)械庫(kù)、工具材料庫(kù)、滾裝車(chē)停車(chē)場(chǎng)北西側(cè)填方邊坡劃分為兩個(gè)部分，予以針對(duì)性地設(shè)計(jì)，即水上、水下部分，坡率分別為1∶1.75、1∶3，考慮到邊坡的穩(wěn)定性要求，用鋼絲網(wǎng)石籠護(hù)坡的方式有效防護(hù)水下部分。

4 邊坡的穩(wěn)定性分析

邊坡分為14 段土質(zhì)填方邊坡，本文選取其中的某一段，對(duì)其展開(kāi)穩(wěn)定性分析。

4.1 計(jì)算工況的選擇

工程位于長(zhǎng)江左岸，因此需考慮多種水位，針對(duì)各個(gè)條件展開(kāi)分析，并結(jié)合長(zhǎng)江水位的變化，以保證分析結(jié)果的完整性。因此，考慮的水位包含145m 水位、173.31m 水位和水位下降，工況考慮天然和飽和兩類(lèi)，據(jù)此展開(kāi)填方邊坡穩(wěn)定性的分析。

4.2 邊坡參數(shù)的選擇

經(jīng)過(guò)巖土試驗(yàn)后，獲得關(guān)鍵的參數(shù)，具體如下：

（1）巖土界面人工填土天然內(nèi)摩擦角取26°，黏聚力取5kPa；考慮到填土的壓實(shí)度，并組織現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等相關(guān)工作，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)性地分析后，確定人工填土與基巖面的最終抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

（2）人工填土天然重度20.0KN/m3，飽和重度20.5KN/m3；人工填土內(nèi)部飽和內(nèi)摩擦角26°，黏聚力取3kPa。

（3）粉質(zhì)黏土天然重度19.9KN/m3，飽和重度取20.1KN/m3；粉質(zhì)黏土飽和內(nèi)摩擦角取8.62°，黏聚力取15.17kPa。

4.3 填方邊坡的穩(wěn)定性分析

邊坡代表剖面37～37’，總體坡向217°，長(zhǎng)約149m，高約19.0～38.0m，為土質(zhì)邊坡，按1:2 分階放坡，具體如圖1 所示。其中，巖土界面傾角不盡相同，較陡處達(dá)到10°，平緩處1°～5°，屬于超限邊坡，進(jìn)一步考慮邊坡受損后可能出現(xiàn)的情況，確定合適的安全等級(jí)為一級(jí)。除此之外，局部巖土界面傾角較陡，在此分布狀態(tài)下，易威脅到邊坡的穩(wěn)定性，例如沿巖土界面發(fā)生不同程度的滑移，應(yīng)予以高度重視。剖面計(jì)算如圖1 所示。

圖1 剖面計(jì)算示意圖

4.4 邊坡支護(hù)的建議

以掌握的邊坡實(shí)際特性為出發(fā)點(diǎn)，探尋合適的邊坡支護(hù)措施，切實(shí)保證邊坡的穩(wěn)定性。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，建議采取“片石護(hù)坡+放坡+坡腳支擋”的綜合型方案，水上、水下兩部分的坡率分別按1:2、1:3 進(jìn)行控制。填筑前，先全面清理坡面原生土體，以免該部分的存在而影響正常施工；填筑面設(shè)逆坡臺(tái)階，材料以砂巖塊石為宜，要求此類(lèi)材料有足夠的抗壓強(qiáng)度。邊坡高度較大，且易受水位影響，考慮到該環(huán)境的復(fù)雜性，建議按照如下方式進(jìn)行取值：砂巖基底、泥巖基底各自的摩擦系數(shù)分別為0.50、0.40；極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，砂巖巖體與錨固體取1050kPa，泥巖巖體與錨固體取440kPa。水平抗力系數(shù)方面，人工填土取7MN/m3，砂巖取360MN/m3，泥巖取80MN/m3。

邊坡填方高度較大，因此在施工時(shí)需要加強(qiáng)對(duì)不均勻沉降的有效控制，以免威脅到邊坡的穩(wěn)定性。此外，邊坡涉水，其穩(wěn)定狀態(tài)可能會(huì)受到三峽庫(kù)水位升降的影響，例如存在水位升降的情況時(shí)，堆積在邊坡處的小顆粒物質(zhì)將被沖刷走，并且由于水浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，邊坡物質(zhì)的穩(wěn)定性下降，因此需要針對(duì)邊坡坡面采取有效的防護(hù)措施，盡可能隔絕水的侵蝕作用，以免江水進(jìn)入坡體內(nèi)，從而在源頭上保證邊坡的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，某港口工程土質(zhì)填方邊坡較為特殊，在水位發(fā)生變化后，其穩(wěn)定性將受到影響，現(xiàn)場(chǎng)勘察環(huán)節(jié)需要密切關(guān)注水文和地質(zhì)條件，需根據(jù)水位的實(shí)際情況做相應(yīng)的穩(wěn)定性分析，從而給后續(xù)設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展提供參考，以得到完善的方案，從而保證工程質(zhì)量。