劉震 李開強 賈靈慈 姚科

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046)

1 工程概況

1.1 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)位于丹江口水庫東側(cè),岸坡大致為東西走向。高程154m以下地形較為平緩,坡度約為5°～15°；高程154～170m段地形較陡,坡度約為35°～55°；高程168～171m以上地形平坦。工程區(qū)域在大地構(gòu)造上位于秦嶺處于褶皺系東南方向,工程區(qū)總體處于相對穩(wěn)定的地塊上,地震不易發(fā)。地處北大巴山加里東冒地槽褶皺帶和南秦嶺印支冒地槽褶皺帶處,東部處在南陽至襄樊地段。場地區(qū)巖層產(chǎn)狀平緩,傾角處在0°～6°,裂隙以垂直層面的短小裂隙為主。場地區(qū)地表水體主要為丹江水庫,場區(qū)內(nèi)最低排泄基準面為庫面。場地區(qū)地下水類型主要為松散砂巖孔隙水。根據(jù)勘察結(jié)果,宋崗碼頭坍岸段岸坡主要為軟質(zhì)巖,部分為巖土混合岸坡。巖土混合岸坡長170m,約占岸坡總長的16%,分布在岸坡西段,即海事局所在岸坡段。岸坡上部為厚度1～4.7m粘土；下部為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。巖質(zhì)岸坡長909m,約占岸坡總長的84%,主要分布在岸坡中段和東段。本次初步設(shè)計治理范圍僅包括海事局至老泵站段,治理長度約為400m,根據(jù)岸坡物質(zhì)組成的差異性及岸坡地形特征,自西向東,由宋崗碼頭至宋崗泵站將岸坡分為2段,其地勢大致特征如圖1所示。

圖1 宋崗碼頭庫岸圖

岸坡主要為巖土混合岸坡,縱長170m。高程154m以上,岸坡坡度35°～55°。坡頂覆蓋約有1～3m第四系中更新統(tǒng)沖積粘土,具有弱膨脹性；岸坡基巖產(chǎn)狀大約為水平,屬新近系,上部基巖為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖,具有中等膨脹性,中下部基巖為厚層疏松砂巖,疏松砂巖結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,容易產(chǎn)生塌陷。高程154m以下,岸坡平緩其坡度約為10°～15°,覆蓋0.5～3m第四系上更新統(tǒng)沖積粘土,岸坡基巖以新近系粉砂質(zhì)泥巖為主,具有中等膨脹性,產(chǎn)狀近水平。

由于目前岸坡已經(jīng)進行了部分治理,故下文模擬將主要以改性后自然狀態(tài)進行。其剖面圖如圖2所示。

圖2 岸坡剖面圖

1.2 岸坡膨脹土特性

作為一種高塑性粘性土,膨脹土常在天然狀態(tài)下處于非飽和狀態(tài),對岸坡的穩(wěn)定性有極大影響。膨脹土一般由比較親水的礦物組成,具有很強的脹縮性。

膨脹土主要成分包括蒙脫石、伊利石和高嶺石等親水類礦物,因此吸水膨脹和失水收縮2個變形特性就是其基本特性之一。膨脹土是一種擁有多裂隙性和強脹縮性的非飽和土,在天然狀態(tài)下一般較為堅硬。膨脹土在許多國家都有分布,而我國更是分布眾多。

自1938年的美國開墾局因一個基礎(chǔ)工程首次提出膨脹土問題[1],人們開始逐漸關(guān)注起膨脹土問題。由于膨脹土遇水反復(fù)變形的特性,深受膨脹土影響的工程包括公路、鐵路、岸坡和房屋地基等。由于膨脹土的強脹縮性和多裂隙性所帶來危害的長期性、潛在性和難以處理,導(dǎo)致的經(jīng)濟損失是難以估計的。有資料顯示,美國每年需要花費高達20億美元來彌補膨脹土帶來的損失,全世界每年由于膨脹土問題導(dǎo)致的經(jīng)濟損失則高達150億美元[2]。因此考慮膨脹土對于水庫岸坡影響成為不可忽視的工程考量。

我國膨脹土在長江流域和黃河流域分布比較集中,而在其分布廣闊地區(qū)又以水庫岸坡工程較多,由于膨脹土的顯著脹縮特性,故要根據(jù)膨脹土的力學(xué)及物理學(xué)性質(zhì)注意膨脹土對于工程的不良影響。在我國,膨脹土的分布面積廣泛,主要分布在湖北、河南、廣西、陜西、貴州等地[3],其中主要集中于中西區(qū)域。膨脹土具有很高的膨脹潛勢,這與其含水量的大小及變化有關(guān)。如果其含水量保持不變,則不會有體積變化。在工程施工中,建造在含水量保持不變的粘土上的構(gòu)造物不會遭受由膨脹而引起的破壞。當(dāng)黏土的含水量發(fā)生變化,就會立即產(chǎn)生垂直和水平2個方向的體積膨脹。所以對膨脹土岸坡的穩(wěn)定性分析對于膨脹土相關(guān)工程的應(yīng)用是有一定意義的。

岸坡膨脹土由于其特殊的性質(zhì)極易造成滑坡,而滑坡作為一種危害程度高、規(guī)模大、次數(shù)頻繁且有規(guī)律可循的自然災(zāi)害。這種現(xiàn)象指的是研究區(qū)域的巖土體,在多種地質(zhì)條件的共同作用下,導(dǎo)致原有的穩(wěn)定狀態(tài)向不穩(wěn)定狀態(tài)進行轉(zhuǎn)化,在坡體自重或者坡體上方荷載的作用下,巖土體沿著軟弱面向下發(fā)生滑動導(dǎo)致失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。這種不良地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生,致使道路中斷、交通受阻、河道因山體滑落發(fā)生堵塞、多數(shù)村莊住宅被無情的摧毀,人們因此流離失所失去生命。所以在相關(guān)工程中應(yīng)極力避免滑坡的不良影響,保證人民的生命財產(chǎn)安全。

1.3 Geostudio極限平衡分析

對于庫岸邊坡失穩(wěn)的研究主要有數(shù)值仿真擬和模型試驗2種方法,數(shù)值模擬以低成本、單快速等特性而被廣泛運用,但需精確選擇計算邊界條件及土體物理力學(xué)特性等參數(shù)；模型試驗觀性強、可靠性高,且可與數(shù)值仿真相互驗證。膨脹土岸坡穩(wěn)定分析目前在理論上可分為2大類,常規(guī)的飽和土理論,根據(jù)水分對膨脹土邊坡失穩(wěn)的影響程度,人為地改變膨脹土強度來進行分析；運用非飽和土理論,利用膨脹土強度在吸水后的衰減特性來分析降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響。在分析計算方法上,研究岸坡穩(wěn)定性的傳統(tǒng)方法主要有極限平衡法、極限分析法、有限元法等[4]。

極限平衡法是工程分析領(lǐng)域常用的分析方法之一,其主要理論分析依據(jù)是莫爾-庫倫強度理論,主要思想是建立每個條塊力平衡方程和力矩平衡方程,從而求解邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)[5]。假定巖土體為剛體,不產(chǎn)生變形但傳遞力通過靜力(或力矩)平衡分析,獲取滑動面的反力,進而進行穩(wěn)定性分析。同時,極限平衡法包含了很多種方法,在進行穩(wěn)定性計算分析時,需要考慮工程的具體類型來選取適合的計算方法。為了更好地反映實際情況,本文選用了幾種方法進行對比分析,從而能夠得出比較適宜的極限平衡計算方法。20個世紀70年代,Fredlund教授等通過大量研究應(yīng)用,開發(fā)出了GeoStudio數(shù)值模擬軟件。軟件的應(yīng)用主要面向巖土、采礦、水利、地質(zhì)等領(lǐng)域。經(jīng)過多年的開發(fā),GeoStudio軟件已經(jīng)是解決巖土工程方面問題的專業(yè)軟件。目前的版本主要包含8大模塊,SLOPE/W、SEEP/W、SIGMA/W、QUAKE/W、TEMP/W、CTRAN/W、AIR/W、VADOSE/W。這 些模塊可以模擬幾乎所有的巖土問題,如常見的邊坡的穩(wěn)定性分析問題,地下水滲流問題等。其中SLOPE/W模塊是一種基于極限平衡理論用于對邊坡穩(wěn)定性的計算而開發(fā)的一種模擬分析軟件；SEEP/W模塊是基于有限元方法用于解決土體滲流方面問題的軟件。GeoStudio在模型建立方面優(yōu)勢突出,只需要建立一個模型就可以供所有模塊使用；高效的建模功能,支持快速建立模型,可以復(fù)制模型,而且還可以調(diào)用上級目錄的分析結(jié)果,用來實現(xiàn)一個模型多種工況下的分析；后處理功能也非常的豐富與強大,分析結(jié)果便于輸出和整理。

2 不同工況下岸坡穩(wěn)定性模擬

2.1 自重狀態(tài)下岸坡穩(wěn)定性分析

本節(jié)采用Geostudio軟件中SLOPE/W模塊對滑坡穩(wěn)定性進行分析,該模塊計算原理基于極限平衡法,包括瑞典條分法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法等。首先按照物探數(shù)據(jù)建立模型,后采用模擬計算對自然狀態(tài)下該岸坡進行穩(wěn)定性的分析,該模擬建立為高程130m以上的宋崗碼頭岸坡模型,從上至下土層主要分為膨脹土層、泥巖層、泥質(zhì)粉砂巖層,后將各個土層參數(shù)輸入,確定大致滑移面的滑動范圍,計算得出自然狀態(tài)下的岸坡穩(wěn)定性系數(shù)。以此系數(shù)分析自然狀態(tài)下宋崗碼頭岸坡是否處于穩(wěn)定狀態(tài),是否會產(chǎn)生滑坡。使用Geostudio的計算穩(wěn)定性系數(shù)功能進行穩(wěn)定性計算。計算參數(shù)選取見表1。

表1 巖土物理參數(shù)

對滑坡進行穩(wěn)定性計算,強度準則選用Mohr-Coulomb準則,分別使用Morgenstern-Price法、Bishop法、Janbu法3種方法進行計算,得到自重狀態(tài)下計算結(jié)果見圖3～5和表2。

表2 滑坡穩(wěn)定性系數(shù)對比表

圖3 Bishop法穩(wěn)定性系數(shù)

在自然條件下Bishop計算岸坡穩(wěn)定性系數(shù)還是處于較高的水平,整體岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài),見圖3。可能出現(xiàn)的滑移面處于膨脹土層的斷層,符合組成斜坡的巖、土體只有被各種構(gòu)造面切割分離成不連續(xù)狀態(tài)時,才有可能向下滑動的條件。

由自然條件下Janbu法計算穩(wěn)定性系數(shù)可知,此岸坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài),見圖4。滑移面仍然是位于膨脹土層的斷層處,且滑移面較小。

圖4 Janbu法穩(wěn)定性系數(shù)

在自然條件下Morgenstern-Price法計算穩(wěn)定性系數(shù)與Bishop法計算結(jié)果十分相近,岸坡都處于穩(wěn)定狀態(tài),見圖5。

圖5 Morgenstern-Price法穩(wěn)定性系數(shù)

軟件采用系統(tǒng)自動搜索最危險滑面的方法確定滑面的位置,根據(jù)以上計算結(jié)果可以看出,計算出的穩(wěn)定性系數(shù)大小由于使用的方法不同有所差異。計算結(jié)果按數(shù)值大小排列為Bishop法＞Morgenstern-Price法＞Janbu法,使用3種不同計算方式計算出的滑動面形狀基本都為一較小的圓弧形,位于滑坡膨脹土層斷層處。對比表3數(shù)據(jù),可以得出結(jié)論此岸坡在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分

2.2 降雨工況下岸坡穩(wěn)定性分析

在降雨工況下,雨水滲入土體,使土體的飽和度增加,劣化了巖土體的抗剪強度,使得滑坡體自重增加,加大了滑坡體自重應(yīng)力沿滑移面的滑動力,水浸入土體,對滑動面起到了潤滑的作用,進一步增加了滑坡失穩(wěn)的可能性。模型兩側(cè)地下水位以上按零流量邊界處理,滑坡其他區(qū)域設(shè)為不透水的邊界條件。在滑坡表面設(shè)置降雨邊界,SEEP/W模塊會根據(jù)降雨強度和滲透系數(shù)的關(guān)系進行計算。在降雨強度大于滲透系數(shù)時,按水頭邊界處理；當(dāng)降雨強度小于滲透系數(shù)時,按流量邊界處理。

本節(jié)主要研究了滑坡在不同降雨強度條件下穩(wěn)定性系數(shù)變化的情況。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件,結(jié)合降雨強度等級劃分,設(shè)定了以下幾種降雨工況:小雨(10mm·24h-1)、中雨(25mm·24h-1)、大 雨(50mm·24h-1)、暴 雨(100mm·24h-1)、大暴雨(200mm·24h-1),見表4。

表4 降雨強度等級劃分

圖6 10mm降雨穩(wěn)定性系數(shù)

由降雨分析可知,在10mm降雨條件下,岸坡穩(wěn)定性系數(shù)有所下降,證明降雨對于岸坡穩(wěn)定性有負面影響,故以此為例可進行不同降雨條件下岸坡安全性系數(shù)模擬。

根據(jù)穩(wěn)定性計算可以知道,岸坡在降雨影響下安全性系數(shù)會降低,在100mm降雨下處于基本穩(wěn)定狀態(tài),而在200mm大暴雨下處于不穩(wěn)定狀態(tài),所以可知宋崗碼頭岸坡治理需要注意大暴雨情況。

表5 降雨工況穩(wěn)定性計算成果表

3 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場對岸坡的工程地質(zhì)勘察,建立了典型剖面的數(shù)值計算模型,利用Geostudio軟件分別使用Morgenstern-Price法、Bishop法、Janbu法3種方法進行在自重狀態(tài)、不同降雨強度工況下的穩(wěn)定性分析模擬計算,得到了穩(wěn)定性系數(shù)。獲得的主要結(jié)論如下。

天然狀態(tài)下宋崗碼頭岸坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.998,滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài),故在對于岸坡治理是有效的。

降雨對滑坡的穩(wěn)定性具有一定的削弱作用,暴雨會使滑坡出現(xiàn)失穩(wěn)情況。隨著降雨量的增加,滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)也在不斷的降低。具體影響作用表現(xiàn)為:在降雨過程中,隨著雨水的下滲,坡體內(nèi)體積含水量增加,使得坡體自重增加,滑動面的粘聚力和內(nèi)摩擦角都會降低,最終共同影響了滑坡的穩(wěn)定性。

目前宋崗碼頭岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài),但在分析時可看出對于穩(wěn)定性影響較大的是降雨影響。所以應(yīng)該加強降雨情況下對于岸坡穩(wěn)定性影響的控制。