水位變化對(duì)滑移型庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性影響的分析

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 400074)

水位變化對(duì)滑移型庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性影響的分析

劉韻然

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院重慶400074)

基于極限平衡理論的傳遞系數(shù)法來(lái)評(píng)價(jià)岸坡的穩(wěn)定性及計(jì)算滑移型庫(kù)岸的推力，結(jié)合三峽庫(kù)水位運(yùn)行特點(diǎn)，按照三種不同的工況進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，分別計(jì)算了水位的變化情況下庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，分析了正常水位、洪水位、枯水位條件下的庫(kù)岸的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，岸坡在無(wú)庫(kù)水作用時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)較高，在有庫(kù)水位作用下，穩(wěn)定系數(shù)減小，穩(wěn)定性急劇下降，表明庫(kù)岸穩(wěn)定性對(duì)庫(kù)水變動(dòng)敏感，預(yù)測(cè)庫(kù)岸的破壞方式是以滑移型為主。

庫(kù)岸邊坡；滑移型；穩(wěn)定性分析；水位變化

一、工程地質(zhì)概況

某庫(kù)岸位于萬(wàn)州區(qū)大周鎮(zhèn)上游8km吊龍村，距萬(wàn)州區(qū)約16.5km，為長(zhǎng)江北岸(左岸)臨江岸坡。庫(kù)區(qū)交通便利，有水路及公路直達(dá)工程區(qū)。

該庫(kù)岸在水庫(kù)蓄水、大氣降雨等不利因素作用下，處于欠穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)，可能產(chǎn)生滑移型、剝蝕侵蝕型庫(kù)岸，產(chǎn)生庫(kù)岸破壞在所難免。因此，開(kāi)展該段庫(kù)岸的治理工作十分必要。

(一)地層巖性

地層主要為侏羅系砂、泥、砂質(zhì)泥巖構(gòu)成，庫(kù)岸表面分布有第四紀(jì)風(fēng)化物和沖積物。

(二)地質(zhì)構(gòu)造

該區(qū)域內(nèi)勘察結(jié)果為南側(cè)為反式單斜構(gòu)造，并且?guī)r層得傾向和傾角分別為335°、8°，區(qū)內(nèi)北側(cè)陡崖上分水嶺,山頂最高高程380m，本區(qū)后緣位于斜坡上，高程為235m，高出長(zhǎng)江現(xiàn)水位98.5m。區(qū)內(nèi)地層為單斜構(gòu)造，傾向335°，傾角8°。

根據(jù)鉆孔勘察結(jié)果顯示，在勘查區(qū)內(nèi)，尚沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有斷層構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)部分裂隙發(fā)育明顯，主要發(fā)育有2組裂隙：

Ⅰ組裂隙，傾向和傾角均為45°，裂隙面平直且閉合，間距約為1～2.0m之間，目測(cè)延伸長(zhǎng)度約1～3m；

Ⅱ組裂隙，傾向和傾角分別為115°，75°，裂隙面平直且閉合，間距約為0.3～1.6m，目測(cè)延伸長(zhǎng)度不小于2m。

(三)水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地表水充沛，并且岸坡坡體中發(fā)育有多條小沖溝，沖溝的流量為0.1～1L/s?？傮w上測(cè)區(qū)為一獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。

(四)人類(lèi)工程活動(dòng)

該段庫(kù)岸長(zhǎng)度大，人類(lèi)工程活動(dòng)分布不均，主要為城鎮(zhèn)建筑活動(dòng)，除移民復(fù)建碼頭為再建工程外，目前無(wú)較大的人類(lèi)工程活動(dòng)，人類(lèi)工程活動(dòng)不強(qiáng)烈。

二、庫(kù)岸基本特征及預(yù)測(cè)

(一)庫(kù)岸類(lèi)型

該段庫(kù)岸長(zhǎng)度約800m。地形起伏較大，最高處為岸坡后緣山坡等處，高程235m，最低點(diǎn)高程為136.50m，相對(duì)高差達(dá)98.5m。岸坡后陡中緩前陡，前緣至史家院子臺(tái)地處坡度約20～30°，中部臺(tái)地相對(duì)較緩，坡度約10～15°，后緣在圭蛋山坡度約25～35°。溝谷除龍王秋溝谷規(guī)模較大外，其它均為淺切溝，沖溝走向近垂直于長(zhǎng)江。主要地貌單元表現(xiàn)為侵蝕剝蝕斜坡地貌[1,2,6]。

(二)庫(kù)岸崩塌主要影響因素

1.內(nèi)因

坡體的中下部分較為發(fā)育，后部土體是由沖洪積作用形成的粘土和陡崖風(fēng)化形成的碎石土組成，對(duì)坡體有加載的作用。坡體下部碎石含量較少，而粉質(zhì)粘土得含量相對(duì)較高，粘土遇水容易發(fā)生軟化作用，從而形成軟弱滑面(帶)。庫(kù)岸段斜坡地形較陡，岸坡整體土層分布較厚，這種岸坡形態(tài)本身穩(wěn)定性較差。

2.外因

岸坡所在地區(qū)降雨量較為充沛，上部為粘土夾雜碎石體具有透水性，下部為基巖相對(duì)不透水，此時(shí)降雨就會(huì)沿著不透水面發(fā)生遷移，對(duì)坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。地下水主要有兩個(gè)方面的作用，一是地下水的物理化學(xué)作用，通過(guò)改變巖土體的物理力學(xué)指標(biāo)來(lái)危害工程實(shí)際，包括對(duì)土體的軟化作用和對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)：內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度的減小，特別是污水作用會(huì)使土體產(chǎn)生有機(jī)粘膜，強(qiáng)度降低更顯著，使坡體失穩(wěn)；二是水力學(xué)作用，靜水壓力會(huì)改變有效壓力的大小，動(dòng)水壓力會(huì)使得土體被帶出影響岸坡穩(wěn)定。

三、庫(kù)岸破壞方式預(yù)測(cè)

(一)預(yù)測(cè)方法

定量估計(jì)水庫(kù)建成后庫(kù)岸崩塌的范圍、寬度以及某一期限內(nèi)和最終的庫(kù)岸的寬度，是庫(kù)岸防治設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。本次所采用的預(yù)測(cè)方法為卡丘金預(yù)測(cè)庫(kù)岸圖寬度計(jì)算法[3-6]。

表1 各巖土水上、水下、動(dòng)水位作用下穩(wěn)定坡度角表

(二)庫(kù)岸預(yù)測(cè)結(jié)果及其分析

根據(jù)上述各土層庫(kù)岸岸坡坡角，利用卡丘金預(yù)測(cè)方法得出的庫(kù)岸預(yù)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表2。

表2 卡丘金預(yù)測(cè)方法得出的庫(kù)岸預(yù)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

綜合考慮得出175m以上的庫(kù)岸預(yù)測(cè)寬度13.25～66.13m，庫(kù)岸最高高程177.21～190.00m(吳淞高程)。

三、庫(kù)岸穩(wěn)定性分析

根據(jù)勘查報(bào)告，庫(kù)岸發(fā)生整體性滑移塌岸的可能性大，庫(kù)岸崩塌強(qiáng)烈。下面對(duì)滑移型再造岸坡穩(wěn)定性分析與計(jì)算。

(一)岸坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀分析

對(duì)庫(kù)岸進(jìn)行綜合定性判斷，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 岸坡穩(wěn)定性綜合定性判斷表

(二)滑移型岸坡穩(wěn)定性計(jì)算

1.假設(shè)滑動(dòng)面為折線連接而成，各條塊通過(guò)傳遞系數(shù)法傳遞推力，并采用極限平衡理論，分析岸坡的穩(wěn)定性和滑移型岸坡的推力。

其中傳遞系數(shù)法主要是指：第i塊土條傳遞給第i+1塊土條的推力Pi平行于第i塊土條底部滑動(dòng)面，且其計(jì)算方式為：

2.根據(jù)本庫(kù)岸結(jié)構(gòu)特征可以得出其發(fā)生整體坍塌的可能性比較大，結(jié)合三峽庫(kù)區(qū)水位變動(dòng)特點(diǎn)，按以下幾種工況進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

工況①：自重+建筑荷載+現(xiàn)狀水位(136.5m)；抗滑安全系數(shù)k=1.20。

工況②：自重+建筑荷載+回水位175.1m、156.6m、139.1m+20年一遇的暴雨天氣(非汛期)，安全系數(shù)取值k=1.20。

工況③：自重+建筑荷載+回水位162.4m、156.6m、145.1m+20年一遇的暴雨天氣(汛期)，安全系數(shù)取值k=1.20。

工況分析：

工況①：?jiǎn)渭兊闹豢紤]自重力作用的時(shí)候，滑面的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別取天然狀態(tài)下的c、φ值，沒(méi)被地下水侵泡的土體重度取天然容重，被水淹沒(méi)部分取土體的飽和容重。

工況②、工況③：用庫(kù)體的水位高度表征地下水的出露位置，根據(jù)大型滑坡形成條件和三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)岸邊坡的典型案例得出：當(dāng)岸坡前緣臨空或者臨近水面的情況下，地下水的臨界水力坡度取值為20～25%(10～130)，可根據(jù)類(lèi)比岸坡特征取水力梯度值，并進(jìn)行穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。利用大量的庫(kù)岸邊坡的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行歸納總結(jié)，得出的經(jīng)驗(yàn)方法，認(rèn)為地下水位線自高水位與滑面的交點(diǎn)延伸到地面與低水位的交點(diǎn)。

根據(jù)勘察報(bào)告和相關(guān)規(guī)范[7]，穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)如下：

表4 巖土計(jì)算參數(shù)表

天然狀態(tài)下，坡體重量采集原狀土樣室內(nèi)試驗(yàn)成果標(biāo)準(zhǔn)值γ=19.24kN/m3，在濕潤(rùn)的環(huán)境下土體的重度變化較大，而巖體的重度變化并沒(méi)有多大差別，所以在采用土體重度的時(shí)候采用平均重度，即采集原狀土樣室內(nèi)試驗(yàn)成果標(biāo)準(zhǔn)值γ飽=20.05kN/m3。

四、庫(kù)岸穩(wěn)定性分析

利用Slide軟件通過(guò)極限平衡法進(jìn)行庫(kù)岸穩(wěn)定性計(jì)算，Slide軟件可以進(jìn)行地層、滑面還有水位的識(shí)別功能，能夠自動(dòng)和手動(dòng)結(jié)合式的進(jìn)行條塊劃分，方便的進(jìn)行條塊間的物理力學(xué)參數(shù)的自動(dòng)提取的功能，還能考慮到荷載組合效應(yīng)的共同作用。

五、穩(wěn)定性結(jié)果分析

庫(kù)岸穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析評(píng)價(jià)如下：

(一)工況①

自重+建筑荷載+現(xiàn)狀水位

剖面1-1、剖面2-2、剖面6-6、剖面8-8所求穩(wěn)定系數(shù)為1.012～1.021，庫(kù)岸處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

剖面4-4、剖面5-5所求穩(wěn)定系數(shù)為1.053～1.087，庫(kù)岸處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

剖面3-3、剖面7-7所求穩(wěn)定系數(shù)為1.240～1.50，庫(kù)岸處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(二)工況②

1.工況②-Ⅰ

自重+建筑荷載+回水位175.1m+20年一遇的暴雨工況(非汛期)

剖面2-2、剖面5-5、剖面8-8所求穩(wěn)定系數(shù)為0.843～0.932，庫(kù)岸失穩(wěn)，發(fā)生滑移型破壞。

剖面1-1、剖面4-4所求穩(wěn)定系數(shù)為1.104～1.123，庫(kù)岸處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

剖面3-3、剖面6-6、剖面7-7所求穩(wěn)定系數(shù)為1.205～1.227，庫(kù)岸處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.工況②-Ⅱ

自重+建筑荷載+回水位156.6m+20年一遇暴雨(非汛期)

剖面2-2、剖面5-5、剖面8-8所求穩(wěn)定系數(shù)為0.811～0.93，庫(kù)岸失穩(wěn)，發(fā)生滑移型破壞。

剖面1-1、剖面4-4所求穩(wěn)定系數(shù)為1.013～1.033，庫(kù)岸處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

剖面6-6、剖面7-7所求穩(wěn)定系數(shù)為1.138～1.169，庫(kù)岸處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

剖面3-3所求穩(wěn)定系數(shù)為1.325，庫(kù)岸處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.工況②-Ⅲ

自重+建筑荷載+回水位139.1m+20年一遇暴雨(非汛期)

剖面2-2、剖面8-8所求穩(wěn)定系數(shù)為0.908～0.942，庫(kù)岸失穩(wěn)，發(fā)生滑移型破壞。

剖面1-1、剖面4-4、剖面5-5所求穩(wěn)定系數(shù)為1.002～1.069，庫(kù)岸處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

剖面3-3、剖面6-6、剖面7-7所求穩(wěn)定系數(shù)為1.211～1505，庫(kù)岸處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(三)工況③

1.工況③-Ⅰ

自重+建筑荷載+回水位162.4m+20年一遇暴雨(汛期)

剖面2-2、剖面5-5、剖面8-8所求穩(wěn)定系數(shù)為0.836～0.982，庫(kù)岸失穩(wěn)，發(fā)生滑移型破壞。

剖面4-4所求穩(wěn)定系數(shù)為0.011，庫(kù)岸處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

剖面1-1所求穩(wěn)定系數(shù)為1.126，庫(kù)岸處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

剖面3-3、剖面6-6、剖面7-7所求穩(wěn)定系數(shù)為1.205～1.272，庫(kù)岸處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.工況③-Ⅱ

自重+建筑荷載+回水位156.6m+20年一遇的暴雨工況(汛期)

剖面2-2、剖面5-5、剖面8-8所求穩(wěn)定系數(shù)為0.811～0.93，庫(kù)岸失穩(wěn)，發(fā)生滑移型破壞。

剖面1-1、剖面4-4所求穩(wěn)定系數(shù)為1.013～1.033，庫(kù)岸處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

剖面6-6、剖面7-7所求穩(wěn)定系數(shù)為1.138～1.169，庫(kù)岸處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

剖面3-3所求穩(wěn)定系數(shù)為1.325，庫(kù)岸處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.工況③-Ⅲ

自重+建筑荷載+回水位145.1m+20年一遇暴雨(汛期)

剖面2-2、剖面5-5、剖面8-8所求穩(wěn)定系數(shù)為0.895～0.973，庫(kù)岸失穩(wěn)，發(fā)生滑移型破壞。

剖面1-1、剖面4-4所求穩(wěn)定系數(shù)為1.037～1.047，庫(kù)岸處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

剖面3-3、剖面6-6、剖面7-7所求穩(wěn)定系數(shù)為1.257～1.475，庫(kù)岸處于穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)上述計(jì)算，該段岸坡在無(wú)庫(kù)水作用時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)較高。在有庫(kù)水位作用下，穩(wěn)定系數(shù)減小，穩(wěn)定性急劇下降，表明庫(kù)岸穩(wěn)定性對(duì)庫(kù)水變動(dòng)敏感。該段庫(kù)岸長(zhǎng)度約800m，坡體由粉質(zhì)粘土夾碎塊石構(gòu)成；目前岸坡已出現(xiàn)變形破壞現(xiàn)象。為土質(zhì)岸坡。庫(kù)岸在三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行時(shí)，處于欠穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)，可能產(chǎn)生塌岸危害。預(yù)測(cè)庫(kù)岸破壞方式以滑移型為主。

六、結(jié)論

采用極限平衡理論，滑動(dòng)面采用折線傳力系數(shù)的方法進(jìn)行庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性和坡體推力計(jì)算，并結(jié)合三峽水位變化情況，利用三種不同的組合工況形式進(jìn)行庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性驗(yàn)算。

岸坡在無(wú)庫(kù)水作用時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)較高，在有庫(kù)水位作用下，穩(wěn)定系數(shù)減小，隨著庫(kù)水位的增加，庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性急劇下降，表明庫(kù)岸穩(wěn)定性對(duì)庫(kù)水變動(dòng)敏感，預(yù)測(cè)庫(kù)岸的破壞方式是以滑移型為主。

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[7]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組.建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范(GB50330-2001).重慶：重慶建設(shè)委員會(huì)，2002.

劉韻然(1993.3-)，女，漢族，四川綿陽(yáng)市人，學(xué)生，碩士，重慶交通大學(xué)，研究方向：邊坡穩(wěn)定。