基于簡(jiǎn)化Bishop法的船閘超高邊坡整體穩(wěn)定性計(jì)算分析

王彬諭 蘇平

文章以廣西某船閘工程超高邊坡為例，基于簡(jiǎn)化Bishop法對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，評(píng)估邊坡穩(wěn)定性，并研究對(duì)比不同地下水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，提出采用多種方式相結(jié)合的綜合排水方案降低邊坡地下水位，以保證邊坡安全，為工程實(shí)踐提供技術(shù)參考。

高邊坡;簡(jiǎn)化Bishop法;穩(wěn)定性計(jì)算;地下水位

U641.2-A-51-182-3

0?引言

高邊坡穩(wěn)定問(wèn)題是水利樞紐船閘工程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。高邊坡的設(shè)計(jì)方案直接決定著工程建設(shè)的可行性與合理性，也影響到工程的投資經(jīng)濟(jì)性以及建成后的運(yùn)行安全。高邊坡的地質(zhì)構(gòu)造往往較為復(fù)雜，影響邊坡穩(wěn)定的因素也很多，因此邊坡穩(wěn)定計(jì)算需選擇合理可靠的計(jì)算方法[1]。

極限平衡分析法是目前評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的主要方法，是一種基于平衡理論的數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析方法[2]。該方法是工程實(shí)踐中應(yīng)用最早、也是目前使用最普遍的一種定量分析方法。目前已有了多種極限平衡分析方法，如Fellenius法、Bishop法、Jaubu法、Morgenstern-Prince法、Sarma法、楔體極限平衡分析法等。該方法以安全系數(shù)作為度量邊坡穩(wěn)定的指標(biāo)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐證明是目前最成熟、應(yīng)用最廣泛、有效和實(shí)用的邊坡穩(wěn)定性分析方法[3]。

本文以廣西某船閘工程上游引航道右岸超高邊坡為例，運(yùn)用極限平衡分析法中的簡(jiǎn)化Bishop法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析。

1?工程概況

工程區(qū)域地貌為侵蝕～剝蝕低山丘陵地貌。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果揭示，地層主要為第四系地層大面積覆蓋，按其成因可分為人工堆積層（Qs）、沖積層（Qal）和殘積層（Qel），下伏基巖為燕山早期侵入的花崗巖（γ1?5）。丘陵頂面高程為120～210 m，山體坡度一般約20°～25°，地表大部分為第四系殘積層覆蓋，厚0～15 m，下伏花崗巖多呈全風(fēng)化狀出露。全風(fēng)化花崗巖廣泛分布于整個(gè)場(chǎng)地，厚度一般>25 m，且隨地形的增高風(fēng)化厚度明顯增大（最厚達(dá)55 m）。強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層厚度分布不均，一般為1.5～4 m，局部厚達(dá)20 m。弱風(fēng)化花崗巖層厚度分布不均，厚度一般為10～30 m。

本文以船閘上游引航道右岸高邊坡為研究對(duì)象，該邊坡最大高差接近120 m，因此其邊坡整體穩(wěn)定安全成為本項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注的主要工程地質(zhì)問(wèn)題。上游右岸邊坡自引航道設(shè)計(jì)底高程50.00 m往上基本以全風(fēng)化、弱風(fēng)化花崗巖為主，屬于巖土混合邊坡。主要開(kāi)挖地層部分為全風(fēng)化花崗巖，少量沖積黏性土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及弱風(fēng)化花崗巖。

以右岸高邊坡群中一典型斷面進(jìn)行具體分析。該段邊坡底高程為50.00 m，坡頂高程約為146 m，每級(jí)邊坡坡比均為1∶2。由于邊坡高差較大，考慮其穩(wěn)定安全，因此邊坡每隔10 m設(shè)一級(jí)馬道作為減載平臺(tái)。其中：50.00 ～80.00 m高程段馬道寬2 m;80.00 m高程處為一條寬12 m的船閘上游右岸對(duì)外交通公路，同時(shí)兼作為一級(jí)減載平臺(tái);80.00～140.00 m高程段間隔布置2 m和8 m寬?cǎi)R道。邊坡結(jié)構(gòu)斷面及地質(zhì)情況如圖1所示。

2?邊坡整體穩(wěn)定計(jì)算分析

該段邊坡高差達(dá)到96 m，對(duì)于這種開(kāi)挖高度及規(guī)模都較大的高邊坡來(lái)說(shuō)，需要對(duì)高邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行專門的研究，以保證工程的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠。根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL386-2007）第5.2.7條相關(guān)規(guī)定，本文選用簡(jiǎn)化Bishop極限平衡方法計(jì)算邊坡在不同控制工況下的整體穩(wěn)定性，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，為工程實(shí)踐提供參考。

邊坡整體穩(wěn)定采用有效應(yīng)力法計(jì)算最小安全系數(shù)，計(jì)算公式如下：

K=∑[c′?ib?i+（q?ib?i+W?i-u?ib?i）tgφ′?i]cosα?i+sinα?itgφ′?iK∑（q?ib?i+W?i）sinα?i（1）

其中：

K——安全系數(shù);

C′?i——第i個(gè)土條滑動(dòng)面上土的粘聚力（kPa）;

b?i——第i個(gè)土條的寬度（m）;

q?i——第i個(gè)土條頂面上作用的荷載（kN/m2）;

W?i——第i個(gè)土條的重度（kN/m），設(shè)計(jì)低水位以下用浮重度計(jì)算，設(shè)計(jì)低水位以上、浸潤(rùn)線以下用飽和重度計(jì)算;

α?i——第i個(gè)土條弧線中點(diǎn)與水平線的夾角（°）;

φ′?i——第i個(gè)土條滑動(dòng)面上內(nèi)摩擦角（°）;

u?i——第i個(gè)土條滑動(dòng)面上的孔隙水壓力（kPa）。

根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合本工程的特點(diǎn)，選取計(jì)算控制工況為：（1）工況1：正常運(yùn)用條件;（2）工況2：非常運(yùn)用條件Ⅱ（正常運(yùn)用+地震）。計(jì)算結(jié)果（詳見(jiàn)圖2和表1）表明，采用坡比為1∶2的斷面形式，邊坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，安全系數(shù)處于較合理的范圍內(nèi)，說(shuō)明該坡比選取是合適的。

3?不同地下水位對(duì)邊坡穩(wěn)定影響分析

影響邊坡穩(wěn)定的因素復(fù)雜多樣，但許多相關(guān)研究表明，地下水位的變化通過(guò)不同方式對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。例如地下水位升高會(huì)降低土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，影響土體重力、滑動(dòng)力和抗滑力等，因此在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算時(shí)需要重點(diǎn)分析地下水位變化情況[4-5]。

分析選取的邊坡段全風(fēng)化花崗巖層厚達(dá)55 m，邊坡開(kāi)挖后全風(fēng)化層呈松散礫狀結(jié)構(gòu)，遇水浸泡后強(qiáng)度指標(biāo)下降較多，在降雨（尤其是突發(fā)性大暴雨）的作用下，有可能產(chǎn)生滑動(dòng)變形。因此，本文以地質(zhì)勘察階段監(jiān)測(cè)所得正常地下水位線為基準(zhǔn)，通過(guò)設(shè)置不同高度的地下水位線（水位分別升高2 m、4 m和6 m）進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算，進(jìn)而研究其對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。不同地下水位情況下邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。

根據(jù)表2中不同地下水位情況下的邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可知，水位抬升2 m時(shí)，安全系數(shù)處于規(guī)范要求的安全范圍內(nèi)，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài);水位抬升4 m和6 m時(shí)，安全系數(shù)已經(jīng)不能滿足規(guī)范要求，邊坡存在失穩(wěn)與滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果推測(cè)，當(dāng)?shù)叵滤徊粩嗵龝r(shí)，邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)在不斷降低，兩者呈較顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4?邊坡排水措施

上述計(jì)算分析表明，高邊坡的整體穩(wěn)定性與地下水位的變化十分密切，具有非常大的關(guān)聯(lián)性。因此在進(jìn)行邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，要查明地下水位的變化情況，做好邊坡的截水和排水設(shè)計(jì)，減小地下水對(duì)邊坡的不利影響。結(jié)合相關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)，提出以下幾點(diǎn)提升邊坡排水性能的建議：

（1）深層排水管設(shè)置：右岸邊坡整體較高，全風(fēng)化層厚度較大，因此在邊坡穩(wěn)定性較差的區(qū)域設(shè)置深層排水管，用于降低地下水位。深層排水管采用軟式透水管，沿航道中心線長(zhǎng)度方向每10 m設(shè)置一根，處于全風(fēng)化層的邊坡每級(jí)馬道布置一排，根據(jù)地形變化現(xiàn)場(chǎng)布置。深層排水管能夠較好地將坡體深處的地下水導(dǎo)出至馬道排水溝后排走。

（2）護(hù)坡坡面截排水溝設(shè)置：在邊坡開(kāi)挖邊線外側(cè)5 m設(shè)置截水明溝，攔截后方更高山體的來(lái)水;在護(hù)坡平臺(tái)（馬道）坡腳處設(shè)置排水明溝，每級(jí)平臺(tái)排水溝末端設(shè)置1個(gè)集水坑;在護(hù)坡上相應(yīng)設(shè)置護(hù)坡急流槽，急流槽設(shè)跌水坎，最后匯入位于80.00 m高程處的道路排水邊溝。

（3）坡面排水突坎設(shè)置：本項(xiàng)目土質(zhì)邊坡采用混凝土網(wǎng)格+草皮的防護(hù)方式，在各個(gè)混凝土網(wǎng)格上沿坡面方向設(shè)置一個(gè)100 mm×50 mm（寬×高）的排水突坎，引導(dǎo)降水順坡面方向匯入各級(jí)馬道上的排水溝，可以在一定程度上減少雨水順坡面流入坡體內(nèi)。

高邊坡應(yīng)盡量采用地面截水、坡面排水與深層排水等多方面相結(jié)合的綜合排水方案[1]，最大程度減少雨水下滲，降低邊坡體地下水位，有利于提高邊坡穩(wěn)定性。

5?結(jié)語(yǔ)

本文以廣西某船閘工程上游引航道右岸超高邊坡為例，基于極限平衡分析法中的簡(jiǎn)化Bishop法對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，采用坡比1∶2的斷面形式下的邊坡穩(wěn)定能夠滿足規(guī)范要求，安全系數(shù)處于較合理的范圍內(nèi)，說(shuō)明該坡比選取是合適的，可為工程實(shí)踐提供一定的技術(shù)參考。

地下水位變化是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素，文中研究對(duì)比了不同地下水位情況對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。結(jié)果表明，地下水位越高邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)就越小。此外，建議采用多種方式相結(jié)合的綜合排水方案，降低突發(fā)暴雨時(shí)山體的地下水位，保證邊坡安全。

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