呂城騰 王 蓓 紀 南

(河海大學 地球科學與工程學院， 南京 210098)

西部地區(qū)深卸荷邊坡穩(wěn)定性分析與評價

呂城騰 王 蓓 紀 南

(河海大學 地球科學與工程學院， 南京 210098)

為研究西部地區(qū)巖質邊坡的穩(wěn)定性，以青海浪加水庫庫區(qū)的一個庫岸為例，運用二維剛體極限平衡分析方法對庫岸邊坡進行穩(wěn)定性分析，并分析水位平均變化速率對岸坡穩(wěn)定的響應,以及進行平面滑動巖坡穩(wěn)定性分析，評價結果較為客觀地反映了工程實際情況，對該類地區(qū)巖質邊坡穩(wěn)定性進行分析預測具有一定的指導意義和參考實用價值．

西部地區(qū)； 深卸荷； 極限平衡； 水位變化速率； 平面滑動

邊坡穩(wěn)定性分析是巖土工程的一個重要的應用性研究課題，近年來已經取得重大發(fā)展，并形成了多種分析方法，可以概括為地質分析法、工程類比法、力學計算法以及不確定分析法等．其中極限平衡理論的主要思想是將滑動巖土體進行條分，根據極限狀態(tài)下土條受力和力矩的平衡來分析邊坡的穩(wěn)定性．而本文的研究區(qū)域，西部地區(qū)邊坡[1]的主要特點是邊坡穩(wěn)定性受巖體節(jié)理發(fā)育、土壤覆蓋層較薄、土質松散且遇水極易崩塌、邊坡所處的氣候環(huán)境多變且復雜等因素的影響很大．本文的重點研究在于，左岸自然邊坡較陡，屬于高邊坡、陡坡，由于巖體卸荷裂隙密集發(fā)育，且多為張開的大型裂隙，受巖體卸荷與裂隙影響，邊坡極有可能發(fā)生平移滑動，且自然邊坡局部發(fā)生變形破壞，山體底部分布有大量滑塌體．故左岸山體受巖體卸荷作用，對邊坡穩(wěn)定性有很大的影響．利用本文結果評價邊坡穩(wěn)定性狀況，最終提出深卸荷條件[2]下斜坡支護對策建議．

1 庫岸邊坡的工程地質特征

擬建的浪加水庫位于同仁縣雙朋西鄉(xiāng)境內的浪加河中游段．

本次計算以2號邊坡為例，位置如圖1所示．邊坡區(qū)基巖巖性主要為白堊系河口組(K1hk)紫紅色、暗紫紅色厚層礫巖．

圖1 邊坡位置圖

根據壩址區(qū)3#壩線左壩肩鉆孔鉆進發(fā)現(xiàn)，鉆孔18.2～19.6 m位置及40.0～44.5 m位置發(fā)現(xiàn)巖體卸荷裂縫，其中18.2～19.6 m段該卸荷裂隙發(fā)育寬度較大，延伸較長，該兩段卸荷裂隙中經現(xiàn)場鉆孔孔內大量注水發(fā)現(xiàn)，其滲漏量較大[3]，裂隙貫通性強，鉆孔無法注滿，且在坡底也無水流跡象，當靠近孔口時明顯感覺到有風向上吹的感覺．

此外，在壩址左岸山體中發(fā)現(xiàn)一強卸荷縫，該裂隙最大寬約1.5 m，張開30～40 cm，延伸度大于10 m，卸荷深度達幾十米深，呈陡傾角狀發(fā)育，該裂隙上游左壩肩山體處可明顯看出山體由于受巖體卸荷作用而發(fā)生滑動，并在滑動面形成小溝壑，寬度達5 m．左岸自然邊坡較陡，上部近直立，底部坡度約40～50°，屬于高邊坡、陡坡．

2 庫岸邊坡穩(wěn)定性計算

本次計算主要使用畢肖普法和摩根斯頓-普萊斯法．由于邊坡表面風化層與底部基巖性質差別較大，滑動破壞形式以風化層或者沿基巖面滑動為主，允許其出現(xiàn)平面滑動．在暴雨工況下，降雨強度為50 mm/d，通過滲流有限元計算，對邊坡穩(wěn)定時的暴雨歷程及其瞬態(tài)孔隙水壓力進行分析．

2.1 巖土體的透水性

2.1.1 覆蓋層的透水性

壩基砂礫石鉆孔揭露最大厚度7.5 m，根據對谷

底全新統(tǒng)沖洪積砂礫石層表層的12組雙環(huán)注水試驗，計算得知，滲透系數(shù)為1.02×10-2～6.3×10-2cm/s，平均值為2.5×10-2cm/s，屬強透水層．

2.1.2 巖體透水性

壩基巖性為白堊系礫巖，屬軟質巖，巖體透水性主要受節(jié)理裂隙發(fā)育程度的影響．根據壩線9個鉆孔，共56段壓水試驗，其巖體透水率與鉆孔揭露巖體風化程度基本一致．河谷左岸根據3個鉆孔的壓水試驗，11.2～19.5 m為中等透水層，19.5～52.3 m為弱透水層，52.3 m以下為微透水層；現(xiàn)代河床谷底中7.5～16.7 m為中等透水層，16.7～37.3 m為弱透水層；河床右岸臺地中11.5～29.9 m為中等透水層，29.9～45.2 m為弱透水層；古河床部位基巖段透水性較差，均為弱透水-微透水層；右壩肩10.4～16 m段位中等透水層，16.0～36.6 m為弱透水層．根據壩基巖體的透水性分析，其左岸巖體受周圍裂隙影響完整性稍差，故其透水性稍大，右岸巖體完整性較好，透水性較差．

2.2 左岸2號邊坡二維剛體極限平衡分析

2.2.1 計算剖面選定

對2號邊坡的兩個剖面，2-2，3-3，分別在5種工況下，使用畢肖普法和摩根斯坦-普萊斯法，由于邊坡前后緣高程已知，通過設置邊坡剪出口范圍搜索最可能的滑動面，計算其整體穩(wěn)定系數(shù)．

圖2 左岸2號邊坡計算剖面位置圖

2.2.2 不同工況下的穩(wěn)定性計算結果

1)2號邊坡2-2剖面

剖面2-2在不同工況下，最小穩(wěn)定系數(shù)滑動面位置如圖3所示．

圖3 剖面2-2穩(wěn)定性分析結果圖

針對浪加水庫壩址區(qū)地層分布及邊坡工程地質特征，青海省院通過大量勘探與試驗，提出了巖土物理力學指標的建議值．工作區(qū)地形起伏較大，海拔高度大，氣候帶也不同．該區(qū)多年平均降水量在400 mm左右．本次計算采用的降雨強度為50 mm/d作為暴雨狀況的計算依據．根據《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[GB18306-2015]，工程區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，

地震烈度為7度區(qū)．地震動參數(shù)計算標準選取對應的基巖峰值加速度0.15g，并按擬靜力法進行計算．在左岸邊坡穩(wěn)定分析中，考慮不同速率下庫水位驟降對邊坡穩(wěn)定性的影響，相應確定水庫最大驟降速率．

依據土工試驗，原位測試及野外鑒定綜合確定的邊坡巖體物理力學指標見表1．

表1 邊坡巖體物理力學指標

剖面2-2穩(wěn)定性計算結果見表2．天然工況下邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.27，暴雨工況下邊坡的整體穩(wěn)定系數(shù)為1.24；2 644 m蓄水位狀態(tài)下邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.23，2 644 m蓄水位下暴雨工況下邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.13，2 644 m蓄水位下地震工況下邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為0.96．計算表明，僅蓄水后地震工況邊坡不滿足《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》(SL 386-2007)的要求．

表2 剖面穩(wěn)定系數(shù)計算結果表

2)2號邊坡剖面3-3

剖面3-3穩(wěn)定系數(shù)計算結果見表3．在不同工況下，剖面3-3的最小穩(wěn)定系數(shù)滑動面所處位置如圖4所示．

表3 剖面穩(wěn)定系數(shù)計算結果表

圖4 剖面3-3穩(wěn)定性分析結果圖

剖面3-3天然工況下邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.25，暴雨工況下邊坡的整體穩(wěn)定系數(shù)為1.23；2 644 m蓄水位狀態(tài)下邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.20，2 644 m蓄水位下暴雨工況下邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.11，2 644 m蓄水位下地震工況下邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為0.93．計算結果表明，蓄水后地震工況邊坡不滿足《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》(SL 386-2007)的要求．

2.3 水位平均變化速率對岸坡穩(wěn)定的響應

水庫蓄水后水對岸坡的作用主要指水對岸坡巖土的軟化與泥化作用、孔隙壓力與水的沖刷作用、波浪作用以及浮力減重作用等．由于水位升降的速率不同，在岸坡巖土體內形成的孔隙壓力不同、水對岸坡巖土體的軟化作用強度不同，因此，需要開展不同蓄水階段岸坡水動力條件的變化、岸坡巖土體強度變化、岸坡應力應變演化趨勢等內容的研究．

隨著水庫水位的驟升或驟降，形成一個較大的水頭差，水在土體中的滲流出現(xiàn)不穩(wěn)定性，引起滲透破壞，庫岸邊坡容易失穩(wěn)．所以，研究和分析由庫水位驟變時的滲流變化情況以及穩(wěn)定性的變化是必要的．

庫水位的驟降是發(fā)生岸坡失穩(wěn)的重要方面，其機理可歸納為以下兩方面：1)浮托力效應[4-5]．2)孔隙壓力效應．按照《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》(SL386-2007)，作為臨水邊坡要考慮水位驟降工況下邊坡穩(wěn)定性分析．針對2號邊坡，選取其穩(wěn)定系數(shù)最小的兩個剖面，分析不同水位驟降速率對其穩(wěn)定性的影響．

1)2號邊坡2-2剖面

根據二維極限平衡方法分析，水庫蓄水位驟降速率對岸坡穩(wěn)定性有較大影響，通過對不同水位驟降速率情況下的邊坡穩(wěn)定性的計算分析，可以得到剖面2-2不同水位驟降速率與穩(wěn)定系數(shù)的關系見表4．

表4 不同水位驟降速率剖面2-2穩(wěn)定系數(shù)表

根據計算得到剖面2-2在不同水位驟降速率條件下的穩(wěn)定系數(shù)，畢肖普法的穩(wěn)定系數(shù)和摩根斯頓-普賴斯法的穩(wěn)定系數(shù)與水位驟降速率的關系曲線(如圖5所示)．

2)2號邊坡3-3剖面

同理可以得到剖面3-3不同水位驟降速率與穩(wěn)定系數(shù)的關系(見表5)．根據計算得到剖面3-3在不同水位驟降速率條件下的穩(wěn)定系數(shù)，畢肖普法的穩(wěn)定系數(shù)和摩根斯頓-普賴斯法的穩(wěn)定系數(shù)與水位驟降速率的關系曲線(如圖6所示)．

圖5 剖面2-2穩(wěn)定系數(shù)-水位驟降速率曲線

計算方法速率/(m·d-1)0．51．01．52．02．53．03．5畢肖普1．211．211．191．181．171．161．15摩根斯頓?普賴斯法1．201．201．181．171．161．151．14

圖6 剖面3-3穩(wěn)定系數(shù)-水位驟降速率曲線

2.4 平面滑動巖坡穩(wěn)定性分析

對左岸邊坡中考慮含有卸荷裂隙的剖面進行平面滑動穩(wěn)定性分析．

1)2號邊坡剖面3-3

剖面3-3在不同工況下，最小穩(wěn)定系數(shù)滑動面位置如圖7所示．剖面3-3在不同工況下，使用摩根斯坦-普賴斯法計算得到的最小穩(wěn)定系數(shù)結果見表6．

圖7 剖面3-3坡穩(wěn)定性分析結果圖

邊坡名稱計算工況最小穩(wěn)定系數(shù)畢肖普法 摩根斯坦?普賴斯法剖面3?3天然狀態(tài)1．721．71暴雨工況1．681．672644m蓄水位狀態(tài)1．661．652644m蓄水位下暴雨工況1．601．592644m蓄水位下地震工況1．171．16

剖面3-3天然工況下邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.71，暴雨工況下邊坡的整體穩(wěn)定系數(shù)為1.67；2 644 m蓄水位狀態(tài)下邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.65，2 644 m蓄水位下暴雨工況下邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.59，2 644 m蓄水位下地震工況下邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.16，計算結果表明，邊坡滿足《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》(SL386-2007)要求．

2.5 討論分析

1)2號邊坡計算表明：蓄水前天然工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.26，暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.24；2 644 m蓄水位狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為1.22，2 644 m蓄水位下暴雨工況為1.13，2 644 m蓄水位下地震工況的穩(wěn)定系數(shù)為0.97．蓄水后除地震工況不滿足規(guī)范要求外，其余工況均滿足《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》(SL 386-2007)的要求．

2)對2號邊坡，選取了其穩(wěn)定系數(shù)最小的兩個剖面，按0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0及3.5 m/d等7個驟降速率分析了不同水位驟降速率對其穩(wěn)定性的影響．由計算分析可知，2號邊坡水位驟降速率為1 m/d時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)突降，當驟降速率超過3 m/d時，邊坡有可能失穩(wěn)．

3 結論與建議

3.1 基本結論

浪加水庫左岸分布有卸荷拉張裂隙，其發(fā)育程度對岸坡穩(wěn)定性有極其重要的影響，尤其在水庫蓄水后，巖體強度的弱化、卸荷裂隙充水等不利因素對邊坡穩(wěn)定造成不利．通過采用極限平衡法對浪加水庫壩前邊坡穩(wěn)定性分析，可以得出以下基本結論．

1)根據《水電水利工程邊坡設計規(guī)范》(DL/T5353-2006)，由于本次研究的邊坡緊鄰大壩，將該類壩前邊坡歸屬于水電水利工程邊坡中的A類樞紐工程區(qū)邊坡，為了保證該邊坡的穩(wěn)定性，提高該邊坡的安全等級，根據《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》(SL 386-2007)確定邊坡等級為2級．

2)運用二維極限平衡法分別對左岸2號邊坡進行了二維極限平衡穩(wěn)定性下限解法穩(wěn)定分析，分析結果表明:2號邊坡蓄水前天然工況、暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)均大于1.20，2 644 m蓄水位下暴雨工況為1.13，2 644 m蓄水位下地震工況的穩(wěn)定系數(shù)為0.97．表明水庫蓄水后暴雨及地震工況邊坡局部穩(wěn)定性不滿足《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》(SL 386-2007)對2級邊坡的要求，建議采取必要的工程加固措施．

3.2 主要建議

1)為確保施工安全，并對施工期和運行期邊坡變形情況及時掌握以便采取相應的加固措施，建議盡快開展變形監(jiān)測．

2)對2號邊坡處理后，應進行邊坡穩(wěn)定性復核．

3)在邊坡治理后，應在邊坡適當部位開展變形監(jiān)測．

4)對坡頂卸荷張拉裂縫，應采用適當?shù)墓こ檀胧┯枰猿涮?，防治地表水入滲[6]，導致巖體強度參數(shù)的變化．

[1] 李建峰，萬 臣，趙 勇．高寒高海拔地區(qū)巖質邊坡穩(wěn)定性評價研究[J]．重慶交通大學學報：自然科學版，2015，34(2)：45-48．

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[6] 黃 濤，羅喜元．地表水入滲環(huán)境下邊坡穩(wěn)定性的模型試驗研究[J]．巖石力學與工程學報，2004，23(16)：2671-2672．

StabilityAnalysisandEvaluationofDeepUnloadingSlopesinWesternRegionofChina

Lv Chengteng Wang Bei Ji Nan

(College of Earth Sciences & Engineering， Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

In order to study the stability of rock slopes in the western region, this paper uses two-dimensional limit equilibrium method to analyze the stability of a bank slope in Qinghai Langjia reservoir area, as an example. What's more, the responses of the average rate of water-level changes to the bank stability are analyzed, as well as the stability of the plane sliding rock slopes. The analysis results reflect the engineering practice objectively. To analyze and predict the stability of rock slope in this region have certain guiding significance and reference practical value.

western region; deep unloading; limit equilibrium; water level change rate; plane sliding

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.05.011

2016-11-21

“十一五”國家科技支撐計劃項目(2008BA29B03-2)；中國水利水電科學院開放基金項目(IWHRO2009011)

呂城騰(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為巖體結構與工程穩(wěn)定．E-mail：1353778795@qq.com

TU43

A

1672-948X(2017)05-0053-06

[責任編輯王迎春]