深挖方渠道邊坡穩(wěn)定分析

于 奇

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

深挖方渠道邊坡穩(wěn)定分析

于 奇

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

以南水北調(diào)中線京石段工程渠道邊坡為典型案例，通過對邊坡破壞機理的分析，確定了其破壞原因和破壞類型，并有針對性地提出了邊坡處理方案，為其他段工程邊坡的治理提供了實踐依據(jù)。

邊坡穩(wěn)定性；破壞模式；有限元；邊坡系數(shù)

1 工程概況

1.1 渠段概況

第S48標(biāo)段位于河北省易縣縣城以北，石渠段位于大型建筑物七里莊溝渠道倒虹吸下游1.25km，該段樁號為194+425.44～194+884.29，總長458.85m，這段渠道挖方最大深度18.0m，屬于深挖方段，渠道底寬11.0m，過水?dāng)嗝孢吰?∶1.0，一級馬道以上邊坡1∶1.5，渠底高程 58.195m 至 58.174m。

1.2 地質(zhì)條件

渠道左側(cè)邊坡開挖后發(fā)育較大裂縫多條，部分邊坡發(fā)生了塌滑，工程安全受到影響，必須采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?。這段石質(zhì)渠道地面出露和開挖揭示出的地層比較單一，以徐莊組地層（古生界寒武系）為主，上部松散地層（第四系）揭露厚度較淺。

一級馬道以下以弱風(fēng)化和強風(fēng)化泥灰?guī)r為主，為地下水集中地帶，受沖溝影響，邊坡巖石風(fēng)化嚴(yán)重，部分巖石成泥狀，邊坡穩(wěn)定性差。由于開挖后受地下水浸泡，樁號194+625～194+640段左側(cè)邊坡開挖10d后發(fā)生小規(guī)?；?。

一級馬道以上渠坡以強風(fēng)化泥灰?guī)r為主，左側(cè)坡巖層傾向渠內(nèi)。局部渠坡為破碎頁巖和黃土狀壤土，發(fā)育兩組節(jié)理。在樁號194+520～194+570段一級馬道以上，左、右側(cè)邊坡陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多條裂縫。左側(cè)邊坡甚至出現(xiàn)滑坡，一級馬道及其下部的巖體穩(wěn)定受到影響。

2 邊坡塌滑機理分析

本次滑坡為淺層中等牽引式順巖層滑坡。裂縫橫向發(fā)育，排列有序，呈階梯狀，張開明顯，表明滑坡體底部先發(fā)生滑動，上部后發(fā)生滑動。

這段滑坡體控制面主要是層面構(gòu)造面。當(dāng)渠道與巖層層面的走向接近，巖層面向渠道里側(cè)傾，渠坡角度稍大于巖層傾角，抗滑力小于上面巖體自重的下滑力時，塌滑就發(fā)生了。薄層泥膜發(fā)育在大部分的構(gòu)造面上，早期滑痕可在局部發(fā)現(xiàn)，從整體看巖體完整性還較好。強風(fēng)化巖體多數(shù)為塊狀，有一定強度，具明顯的層間構(gòu)造，夾少量軟弱頁巖。根據(jù)巖體分類，這段巖體穩(wěn)定性類別定為Ⅲ類至Ⅳ類之間，因此滑坡體的控制因素不是巖體強度。地下水位引起的裂隙中水壓力增高加速了裂隙的擴大，軟弱夾層的泥化和軟化進一步發(fā)展降低了巖體的力學(xué)性能。坡體內(nèi)應(yīng)力平衡在邊坡開挖后遭到破壞，引起邊坡巖體失穩(wěn)滑動。

3 有限元模擬及處理方案

3.1 典型斷面有限元模擬分析

選用國際巖土工程界公認的分析處理能力最強的有限元模擬軟件之一的ABAQUS軟件，根據(jù)京石段邊坡土層的地質(zhì)狀況、物理參數(shù)等建立有限元模型，分析其計算結(jié)果與實際結(jié)果的吻合程度。

3.1.1 有限元模型的建立

為了確定合理的渠道開挖邊坡系數(shù)，選取了多個邊坡典型斷面，在此給出2組具有代表性的渠道斷面的分析成果。模擬斷面如圖1。

圖1 模擬橫斷面

3.1.2 模擬斷面的物理力學(xué)參數(shù)

模擬橫斷面的各物理力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 橫斷面物理力學(xué)參數(shù)

3.2 有限元模擬分析結(jié)果

3.2.1 剪應(yīng)力對比

邊坡系數(shù)小于允許值的斷面剪應(yīng)力如圖2，邊坡系數(shù)在允許范圍內(nèi)的斷面剪應(yīng)力如圖3。

圖2 邊坡系數(shù)小于允許值的斷面剪應(yīng)力

圖3 邊坡系數(shù)在允許區(qū)間內(nèi)的斷面剪應(yīng)力

通過邊坡剪應(yīng)力圖分析，此邊坡斷面右側(cè)邊坡相對較陡，剪應(yīng)力最集中，最容易發(fā)生滑坡破壞。右側(cè)邊坡上部土體區(qū)域，圖2剪應(yīng)力較圖3集中，該部位具有產(chǎn)生滑坡的可能性。

3.2.2 剪應(yīng)變對比

邊坡系數(shù)小于允許值的斷面剪應(yīng)變分析成果如圖4，邊坡系數(shù)在允許范圍內(nèi)的斷面分析成果如圖5。

圖4 邊坡系數(shù)小于允許值的斷面

圖5 邊坡系數(shù)在允許區(qū)間內(nèi)的斷面

通過對比邊坡斷面剪應(yīng)變可知，右側(cè)邊坡較陡處的斷面剪應(yīng)變在土體分層處界面變化明顯，顏色較深的滑動面處剪應(yīng)變較大。

3.2.3 水平位移對比

邊坡系數(shù)小于允許值的斷面水平位移見圖6，邊坡系數(shù)在允許范圍內(nèi)的斷面水平位移見圖7。

圖6 邊坡系數(shù)小于允許值的斷面水平位移

圖7 邊坡系數(shù)在允許區(qū)間內(nèi)的斷面水平位移

由圖6與圖7對比分析得出，圖6邊坡斷面滑動界面明顯，順著土層界面處存在土體抗剪強度不足的連續(xù)面，存在失穩(wěn)的可能。

3.3 邊坡處理方案

經(jīng)過對京石段S48標(biāo)渠段工程邊坡地質(zhì)調(diào)查研究，破壞原因及對邊坡穩(wěn)定性的分析，以及有限元模擬分析表明，為了使邊坡不出現(xiàn)整體滑動破壞失穩(wěn)或局部滑塌，設(shè)計合理的坡度系數(shù)是關(guān)鍵，應(yīng)確定一個合理的坡型。在此基礎(chǔ)上，再經(jīng)對土層結(jié)構(gòu)和坡面土的現(xiàn)狀分析，邊坡抗滑穩(wěn)定驗算，來采取相應(yīng)的處理措施，如削坡，布置錨桿、砌混凝土框格護坡等等。

對樁號194+530～194+614渠段左側(cè)邊坡出現(xiàn)的多條裂縫及塌滑，采取如下處理措施：①對邊坡上部進行削坡減載；②對平臺進行防護，對73m高程的截流溝以及平臺鋪設(shè)復(fù)合土工膜進行防滲，阻止坡上部地表水滲入巖體，用混凝土對平臺上部及左側(cè)截流溝進行襯砌；③對邊坡坡面進行防護，在穩(wěn)定的巖面上梅花狀布置錨桿，并用噴射混凝土護坡，排水孔布設(shè)在巖石坡面；④過水?dāng)嗝媲宄阉蓜拥膸r石，在相對穩(wěn)定的坡面上打錨桿與漿砌石連為一體。

過水?dāng)嗝孢吰绿幚砣鐖D8。

圖8 過水?dāng)嗝孢吰绿幚?/p>

4 結(jié)語

（1）影響邊坡工程的穩(wěn)定性因素很多，其中很多因素不能預(yù)測，又難以確定。影響邊坡穩(wěn)定性的因素既具有隨機性，又具有模糊性。所以分析邊坡破壞原因需抓住主要影響因素。

（2）通過邊坡有限元模擬的分析，確定了合理的邊坡型式，其成果對邊坡的防護治理具有指導(dǎo)作用。

（3）確定合理的渠道邊坡型式是保證邊坡安全和工程經(jīng)濟性的重要方面。

［1］河北省水利水電勘測設(shè)計研究院.南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程總干渠第S48標(biāo)石渠段處理專題報告［R］.2007.

［2］王樹仁，何滿潮，王健，等.復(fù)雜工程條件下邊坡工程穩(wěn)定性研究［M］.北京:科學(xué)出版社， 2007.

［3］張有天.巖石高邊坡的變形與穩(wěn)定［M］.北京：中國水利水電出版社，1999.

［4］胡柳青.邊坡穩(wěn)定性研究及其發(fā)展趨勢［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)， 2000，20（5）：7-27.

［5］張麗，黃英，任磊，等.邊坡穩(wěn)定影響因素及穩(wěn)定分析方法探討［J］.云南水利發(fā)電，2007，23（4）：22-26.

［6］謝康和，周健.巖土工程有限元分析理論與分析［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

［7］劉柞秋，周翠英，董立國，等.邊坡穩(wěn)定及加固分析的有限元強度折減法［J］.巖土力學(xué)， 2005， 26（4）：558-561.

The Stability Analyses of The Slope Sides of The Channel With Deep Excavation

YU Qi
（Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower,Tianjin 300250，China）

Taking Beijing to Shijiazhuang section of mid-route in North Water Diversion as a typical sample，to confirm the type of slope failure and the reason of the slope destruction after analyzing the slope failure theory,and a targeted slope treatment scheme is proposed in order to provide a standard for further demand.

slope stability;destruction mode;finite element;slope coefficient

TV223

B

1672-9900（2014）04-0094-03

2014-05-12

于 奇（1971-），男 （漢族），遼寧普蘭店人，高級工程師，主要從事水利工程勘測設(shè)計工作，（Tel）022-26786257。