韓 雙，常偉世，穆鵬華

(中冀建勘集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050200)

0 引言

2008年以來，受汶川、蘆山特大地震以及近年來持續(xù)強(qiáng)降雨耦合影響，觸發(fā)各類庫岸邊坡發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害隱患達(dá)萬余處，庫岸邊坡穩(wěn)定性問題成為當(dāng)前水庫施工及蓄水后極為關(guān)注的焦點。此類邊坡破壞是極為復(fù)雜的失穩(wěn)過程，受邊坡巖土體結(jié)構(gòu)[1]、礦化成分[2]、地震[3]、降雨[4]、水位升降[5]等內(nèi)外因素耦合作用。目前，較多的研究認(rèn)為降雨和水位波動更易于觸發(fā)庫岸邊坡發(fā)生滑塌或失穩(wěn)[6-8]，主要針對三峽庫區(qū)各類邊坡穩(wěn)定性開展了理論分析[9]、數(shù)值模擬[10]和室內(nèi)試驗[11]等工作，取得了一些有意的成果。庫岸邊坡滑塌后的變形破壞特征是獲得此類滑坡變形破壞機(jī)制、災(zāi)后防護(hù)治理的有效而重要的信息之一，庫岸挖方邊坡的坡形設(shè)計和穩(wěn)定性分析一直是巖土工程的一個重要內(nèi)容，在此方面的研究極為稀少。安全合理的坡形設(shè)計、計算參數(shù)的選取、邊界條件和安全系數(shù)的確定直接影響邊坡穩(wěn)定性評價的結(jié)果的正確性。

本文以庫區(qū)碎石土邊坡為例，首先采用極限平衡法計算該邊坡的穩(wěn)定性，然后依托FLAC3D有限差分軟件，開展坡度、坡高對碎石土邊坡穩(wěn)定性的影響分析，其中坡高為100 m、80 m、60 m(坡度55°)，坡度為55°、45°、35°(坡高100 m)，共6種工況下，從邊坡變形、穩(wěn)定性等方面說明上述因素對碎石土邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程地質(zhì)概況

某碼頭庫岸邊坡位于湖北省境內(nèi)，按總平面設(shè)計規(guī)劃，需開挖山體形成90 m左右的挖方邊坡，地形坡度約為22°～26°，庫岸邊坡西側(cè)、中部均發(fā)育有 “V”字型沖溝，長、寬、深分別為70 m、5 m、25 m和15 m、5 m、25 m。東部地勢平緩，坡度一般低于15°。本文研究區(qū)主要以西側(cè)沖溝段岸坡為例進(jìn)行相關(guān)分析和探討。該段沖溝岸坡走向70°～100°、流向145°，坡面坡度在16°～26°之間，地層主要為以含碎石土為主，局部為含碎石黏土，松散～稍密，粉質(zhì)粘土呈可塑狀，碎塊石母巖為次棱角狀中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，粒徑均為4 cm，最大可達(dá)20 cm，覆蓋層厚度在5～14 m之間，局部可達(dá)25 m。其下為泥質(zhì)砂巖和頁巖互層。場地典型工程地質(zhì)橫剖面圖見圖1。巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。

庫水位高程為139 m。萬年洪水位162.4 m，千年洪水位160.2 m，汛限水位153.1 m。

圖1 場地典型工程地質(zhì)橫剖面圖

2 邊坡穩(wěn)定性分析

本文根據(jù)極限平衡計算公式進(jìn)行穩(wěn)定性計算，計算示意圖見圖2，計算結(jié)果見表3。

圖2 典型剖面圓弧滑動示意圖

3 影響因素分析

根據(jù)研究邊坡的坡體物質(zhì)組成、坡度、坡高以及周邊環(huán)境，采用FLAC3D有限差分軟件建立數(shù)值模擬分析模型，具體模型可見圖3。如圖所示，分析模型的長250 m。在分析過程中，通過改變坡度(55°、45°、35°)、坡高(100 m、80 m、60 m)來分析該2種因素對庫區(qū)碎石土邊坡的穩(wěn)定性影響程度。其中，考慮坡高影響時，確定坡度為55°；考慮坡度影響時，確定坡高為100 m。

表1 地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表2 地基巖層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表3 挖方邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖3 數(shù)值模擬分析模型

計算過程種，巖土體本構(gòu)模型為M-C模型，計算邊界條件如文獻(xiàn)[12]所述建議如下：

(1)模型地面設(shè)定為固定條件；(2)側(cè)面為水平方向的位移約束，豎向方向為自由邊界；(3)頂部邊界為自由邊界

3.1 坡高對邊坡邊坡穩(wěn)定性影響

位移云圖、監(jiān)測點位移曲線見圖4所示。圖中所示模型分別為坡高100 m、80 m、60 m，坡度55°。圖中左側(cè)為位移云圖，右側(cè)為監(jiān)測點位移曲線圖

圖4 不同坡高位移云圖、監(jiān)測點位移曲線

從圖中可見，邊坡坡度55°，坡高100 m時，通過分析強(qiáng)度折減法計算，滑動面以上的滑體部分可產(chǎn)生較大變形，坡體易發(fā)生滑移破壞；據(jù)監(jiān)測點的位移曲線走勢可知，在重力加速度梯度隨時間的不斷發(fā)展到邊坡破壞的過程中，起初，坡肩位移量較坡中和坡腳的增長速率大，但隨著坡體應(yīng)力不斷調(diào)整，受坡度角的影響剪應(yīng)力集中部位不斷向平行于坡表的臨空面剪出，后期坡中位移量開始占據(jù)絕對優(yōu)勢并起主導(dǎo)作用，并逐漸向坡腳和坡頂位置貫通拉裂縫，最后在坡腳位置剪出形成滑坡。最終位移達(dá)到了4 cm，大于一般對邊坡設(shè)計的4cm水平位移要求。

計算得出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.1、1.35、1.44。根據(jù)規(guī)范《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范GB 50330-2013》[13]第5.3.2條規(guī)定對于一級的邊坡其安全系數(shù)需大于1.35。由此可見，坡高越大邊坡穩(wěn)定性越差。兩者關(guān)系見圖5所示。

3.2 坡度對邊坡穩(wěn)定性影響

位移云圖、監(jiān)測點位移曲線見圖6所示。圖中所示模型分別為坡高100 m，坡度55°、45°、35°。圖中左側(cè)為位移云圖，右側(cè)為監(jiān)測點位移曲線圖

圖5 坡高與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)關(guān)系曲線

圖6 不同坡高位移云圖、監(jiān)測點位移曲線

圖7 不同坡度-邊坡位移關(guān)系曲線

圖6(a)，當(dāng)坡度為55°，通過分析強(qiáng)度折減法計算，最終位移達(dá)到了4 cm，大于一般對邊坡設(shè)計的4 cm水平位移要求。

圖6(b)和(c)，45°坡度時，滑動面以上滑體部分可產(chǎn)生變形，坡體不易產(chǎn)生滑移破壞；據(jù)監(jiān)測點的位移曲線走勢可知，最終坡頂?shù)奈灰茷?.2 cm。35°坡度時，滑動面以上滑體部分可產(chǎn)生變形，但變形范圍小，坡體很難產(chǎn)生滑移破壞；據(jù)監(jiān)測點的位移曲線走勢可知，在重力不斷作用之下，最終坡頂?shù)奈灰茷?.5 mm。

兩者關(guān)系曲線見圖7所示。

得到不同坡度下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.1、1.39、1.50。兩者關(guān)系曲線見圖8所示。

圖8 坡度與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)關(guān)系曲線

4 結(jié)語

本文以某庫區(qū)碎石土邊坡為例，通過FLAC3D分析邊坡坡度、邊坡高度對邊坡致災(zāi)范圍和影響程度進(jìn)行分析。得出如下結(jié)論：

(1)坡度一定時，坡高于邊坡穩(wěn)定性系數(shù)成反比，坡體剪應(yīng)力和拉應(yīng)力分別集中在坡腳和坡肩位置。當(dāng)坡高高于80 m后，邊坡的安全系數(shù)驟降，從1.44變化降低至1.1，坡度對邊坡穩(wěn)定性的影響是較為突出的；

(2)坡高一定時，邊坡坡度越陡，邊坡位移越大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)越低，坡度在45°之下時邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；超過45°，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)則急劇降低。