水利工程邊坡穩定性研究

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邊坡形態規模與變形機理分析

1邊坡的形態規模

根據層面、坡面及節理裂隙赤平投影分析(圖2)，J1、J2對左岸邊坡穩定性不起控制作用，其穩定性主要受J3控制，受卸荷作用的影響，在左岸J3以傾北東方向(產狀為NW290°～335°/NE∠70°～80°)為主。受此外傾結構面的控制，邊坡前緣的強風化、強卸荷巖體屬潛在不穩定塊體，在暴雨、地震等作用下，可能失穩而發生崩塌、掉塊。

2邊坡變形機理分析

從巖體力學的觀點來看，巖體邊坡的破壞不外乎剪切和拉斷兩種形式。大量的野外調查資料及理論研究表明，絕大部分巖體邊坡的破壞均為剪切滑動破壞。研究滑動破壞問題的關鍵在于研究滑動面的形態、性質及其受力平衡關系［1］。同時，滑動面的形態及其組合特征不同，決定著要采用的具體分析方法的不同。金佛山左岸巖質邊坡的變形發育主要在坡腳平緩結構面，向坡前臨空方向產生緩慢的蠕變性的滑移。上部巖性為塊狀灰巖，巖體堅硬，厚度大，底部為粉砂巖夾頁巖，巖性相對軟弱，存在易壓縮變形的特點。針對相對較軟弱的粉砂巖層，增加了鉆孔，采用孔內全斷面成像方法，查明對應層位深度分別為57．8～62．8m和93．5～98．5m，確實存在相對軟弱、破碎的粉砂質頁巖層，為軟弱夾層，屬滑坡體深部潛在軟弱面，目前尚未完全貫通形成滑動面。上部為崩坡積土層和強風化巖塊等，中、下部以弱風化粉砂巖、頁巖巖體為主，摻雜有強風化、強卸荷巖體，部分巖體看似完整，但產狀凌亂，局部還有架空現象。因此，認為左岸巖質高邊坡是潛在滑坡，是一個深層、順層、復合機制成因的滑坡，下部為順層牽引-塑流性質、上部為壓致拉裂推移式。

穩定性分析

1邊坡計算模型

對重慶市金佛山水利工程壩址區左岸巖質高邊坡穩定性采用有限元強度折減法，分析天然、開挖、加固狀態的邊坡穩定性。飽和狀態模擬開挖前后遇強降雨的土體飽和情況，加固之后考慮竣工期和蓄水期兩種情況。據王俊杰，等［2］提出的邊坡簡化計算方法和陳錦璐，等［3］在網格、邊界條件對有限元計算結果的影響分析研究，將邊坡剖面簡化并劃分網格，如圖3。

2計算參數

結構模型采用摩爾庫倫屈服準則，采用非關聯流動法則(剪脹角φ=0)。屈服準則假定:作用在某一點的剪應力等于該點的抗剪強度時，該點發生破壞，剪切強度與正應力呈線性關系。摩爾庫倫模型是基于材料破壞時應力狀態的莫爾圓提出的，破壞線是與莫爾圓相切的直線，強度準則為:τ=c－σtanφ(1)式中:τ為剪切強度;σ為正應力;c為材料黏聚力;φ為材料內摩擦角。相應的計算參數見表1。

3失穩破壞判定準則

目前，判斷邊坡失穩破壞的標準通常包括:有限元數值計算的不收斂、塑性區的貫通、廣義剪應變的貫通等［4］。呂慶，等［5］認為在小應變假設中用數值計算不收斂作為判據，但是，計算不收斂的原因比較多，如荷載過大，計算單元有奇異等。因此，以此為判據適用范圍有一定的限制。欒茂田，等［6］建議采用塑性應變貫通作為判據，以此作為判據時主觀因素占很大成分，未排除彈性塑性應變的影響，破壞界限比較模糊。分析邊坡失穩破壞的主要特征可知，不管其內部的變形機理是廣義剪應變還是塑性應變，其最終結果是產生位移，位移是邊坡內部作用的外在表現。滑動主要是由剪應變和位移造成的。隨著強度參數的不斷折減，邊坡上的位移矢量和剪應變不斷向坡腳處增大，因此，以坡頂特征點位移突變為失穩判據，意義明確，界限清晰。

4計算結果分析

各工況有限元強度折減法計算得到的安全系數見表2。鑒于方案1的安全系數最小，筆者給出了該方案的強度折減系數與坡頂位移的變化曲線(圖4)，塑性應變云圖、位移等值線云圖(圖5)。圖6為邊坡開挖后天然含水與飽和狀態時的塑性應變云圖。圖4表明，折減系數在1．42時發生坡頂的位移矢量的突變，此后，位移陡增，表明此時塑性區已經貫通，開始滑動，當安全系數為1．42時處于臨界狀態。因此，以此作為安全系數，概念、意義明確。圖5顯示，金佛山左岸巖質高邊坡具有圓弧-折線的潛在滑動面，形態由底部的條狀帶頁巖控制，滑坡體前緣及淺層巖體變形強烈。下部為順層牽引-塑流性質、上部為壓致拉裂推移式，是一個深層、順層、復合機制成因的潛在滑坡。邊坡巖體隨變形發展，平行臨空面的裂隙容易被拉開［7］，在遇到沉積巖的巖層分界面時，裂隙被巖層結構面分割。在薄弱、結構有突起的部位，形成應力集中區和近似平行于坡面的臺階狀裂隙。最終，薄弱裂隙連通、巖體滑動。以1∶0．3的坡比折線形開挖巖體表面強風化和弱風化的部分巖體。開挖后天然和飽和狀態的安全系數分別為1．73和1．62。圖6顯示，飽和后土體軟化［8］，整個塑性區包圍的巖體增大，潛在下滑巖體增大。天然狀態時潛在滑弧在前部形成直線段，塑性區離開挖后的臨空面較近，表部卸荷巖體容易形成裂隙而最終達到整體的塑性區貫通。臨空面上巖體卸荷回彈，坡頂的后部產生張拉裂縫，在雨水入滲作用下，由于裂隙底部的巖體滲透系數小，排水不暢，靜水壓力作用于裂隙面，增大了下滑力，這往往是暴雨后巖質邊坡容易產生破壞的重要原因［9］。

鑒于上述分析，建議清除表層強風化、強卸荷巖體，開挖坡度應小于外傾結構面的最小傾角并保護好開挖面，及時錨噴支護。巖質高邊坡的上部還存在韓家店組(S2h)的頁巖，以黏土礦物為主，抗風化能力差。在天然含水量的情況下新鮮巖石層面結合尚牢，遇水軟化，濕水后易崩解。因此，建議上部采用10cm厚混凝土噴錨支護，下部有寬張裂隙帶J2，是巖體風化和卸荷的產物，有方解石填充，采用錨桿錨固，并用自密實混凝土填充，保證巖體的完整性，防止此卸荷裂隙擴張。加固后邊坡采用簡化計算方法，在加固區域分別采用提高巖體強度指標以代替加固區域的強度參數，根據工程經驗，加固區巖體強度參數提高20%。加固后邊坡天然和飽和含水狀態安全系數分別為1．85和1．78，均比未加固時有明顯提高，加固效果顯著。

結論

從邊坡形態規模、變形機理及安全性方面，對金佛山左岸巖質高邊坡進行了分析評價，得出以下結論。1)邊坡前緣的強風化、強卸荷巖體屬潛在不穩定塊體，建議清除表層強風化、強卸荷巖體，開挖坡度小于外傾結構面最小傾角并保護好開挖面、及時錨噴支護;弱卸荷帶以內巖體受卸荷作用影響小，完整性和穩定性較好，邊坡現狀整體穩定，發生大規模破壞可能性極小。2)左岸巖質高邊坡是一個深層、順層、復合機制成因的潛在滑坡，下部為順層牽引-塑流性質、上部為壓致拉裂推移式。（本文作者：王俊杰、邱珍鋒 單位：重慶交通大學）