旬陽水電站魚類增殖放流站土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析

師志剛，張 萌，譚紅強(qiáng)，盧軍民，李 鞏，何竹葉

(中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

1 引言

邊坡穩(wěn)定是巖土工程中的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，邊坡土體失穩(wěn)下滑引起的坍塌破壞，將極大的威脅施工及周邊建筑物的安全[1]。在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算時(shí)，常用的粘性土、混合土和均質(zhì)堆積體的計(jì)算方法有瑞典圓弧法、簡(jiǎn)化畢肖普法等，瑞典條分法由于計(jì)算簡(jiǎn)單且計(jì)算結(jié)果偏于保守，因此多用于工程實(shí)踐。本文就邊坡實(shí)例，利用計(jì)算圓弧滑面，采用下限解法做穩(wěn)定分析，采用簡(jiǎn)化畢肖普法求解最危險(xiǎn)滑面及相應(yīng)安全系數(shù)[2-4]。

2 工程概況

旬陽水電站，該水電站工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型，永久性主要建筑物為2級(jí)，次要建筑物為3級(jí)，臨時(shí)建筑物為4級(jí)。旬陽水電站壩址處地震烈度為Ⅵ度，地震設(shè)計(jì)烈度采用6度。工程區(qū)位于漢江Ⅱ級(jí)基座階地上，勘察深度范圍內(nèi)揭示的地層主要為第四系上更新統(tǒng)(Q3)堆積物，主要分為4層：①人工堆積物；②粉質(zhì)黏土；③粉砂；④砂礫石。下伏基巖為志留系下統(tǒng)(S1)炭質(zhì)石英絹云母千枚巖。旬陽水電站業(yè)主營(yíng)地現(xiàn)狀土質(zhì)邊坡由于改變使用功能，由業(yè)主營(yíng)地變?yōu)轸~類增殖放流站，邊坡等級(jí)變更為A類Ⅱ級(jí)，需對(duì)邊坡各部位(圖1)現(xiàn)有開挖形象下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算[5]。

圖1 魚類增殖放流站330 m及308 m平臺(tái)相關(guān)邊坡地形圖及1-1～4-4各剖面位置圖

圖1中：1-1剖面主要涉及330 m平臺(tái)后坡，293 m～330 m之間的開挖邊坡；2-2剖面主要涉及308 m平臺(tái)以上邊坡，308 m平臺(tái)以下邊坡；3-3剖面主要涉及293 m平臺(tái)下伏邊坡；4-4剖面主要涉及330平臺(tái)后坡，293 m～330 m之間的開挖邊坡。

3 理論與方法

3.1 理論方法

所選分析斷面土層材質(zhì)接近粘土層和粉質(zhì)粘土層，可認(rèn)為滑動(dòng)破壞按弧面型滑動(dòng)，由于該地夏季多雷暴雨，在采用有效應(yīng)力法進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)考慮強(qiáng)降水因素[6]。邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算采用有效應(yīng)力法，滑面上的抗剪強(qiáng)度應(yīng)力按下式確定[2]：

τf=c′+σ′tanφ′

(1)

式中：σ′為滑面上的有效法向應(yīng)力；c′、φ′為土體的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

采用簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算：

(2)

式中：Wi為第i滑動(dòng)條塊自重；Qi、Vi為分別作用在第i滑動(dòng)條塊上的外力(包括地震力、錨索和錨樁的加固力和表面荷載)在水平向和垂直向分力；ui為第i滑動(dòng)條塊底面的孔隙壓力；αi為第i滑動(dòng)條塊底滑面的傾角；bi為第i滑動(dòng)條塊寬度；c′、φ′為第i滑動(dòng)條塊底面的有效凝聚力和內(nèi)摩擦角；MQi為第i滑動(dòng)條塊水平向外力Qi對(duì)圓心的力矩；R為圓弧半徑；K為安全系數(shù)。

3.2 計(jì)算工況

在研究中，邊坡所受外部荷載主要為岸邊外水壓力、地下水壓力及地震應(yīng)力，主要考慮以下兩類作用力組合[2]：

(1)基本組合：自重+岸邊外水壓力+地下水壓力+加固力。

(2)偶然組合：基本組合+地震作用。

本工程所處地區(qū)建筑抗震設(shè)防烈度為6度，可不考慮地震偶然設(shè)計(jì)工況，主要按照以下兩種設(shè)計(jì)工況進(jìn)行計(jì)算[2]：

(1)持久設(shè)計(jì)工況：主要為邊坡正常運(yùn)行工況，此時(shí)采用基本組合設(shè)計(jì)。

(2)短暫設(shè)計(jì)工況：本工程主要考慮施工期暴雨或久雨工況，采用孔壓系數(shù)法，孔壓系數(shù)按0.1考慮。

對(duì)于降雨的計(jì)算工況，本研究區(qū)域位置均在天然地下水位以上，采用孔壓系數(shù)來考慮降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響[6-7]?？紫端畨毫Ω鶕?jù)浸潤(rùn)線的位置按簡(jiǎn)化原則確定，假定流場(chǎng)的等勢(shì)線鉛直，則A點(diǎn)承受的孔隙水壓力為u=rwh(圖2)。則A點(diǎn)的孔隙水壓力系數(shù)定義為該點(diǎn)的孔隙水壓力與相應(yīng)該點(diǎn)滑裂面以上巖柱重量(rH)的比值。具體公式見式(3)和式(4)：

圖2 孔隙水壓力計(jì)算示意圖

u=rwh

(3)

(4)

式中：u為A點(diǎn)所承受的孔隙水壓力；rw為水容重；r為巖石容重；h為A點(diǎn)的水頭高度；H為A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的巖石條塊高度；ru為孔隙水壓力系數(shù)。

若設(shè)定孔隙水壓力系數(shù)為0.05，且土的容重一般為2.0 g/cm3，則根據(jù)式(4)，與的比值為0.1，也即假定在連續(xù)降雨的條件下，邊坡內(nèi)的水不能及時(shí)排出，潛在滑裂面以上浸潤(rùn)線的高度約為相應(yīng)土柱高度的10%。若設(shè)定孔隙水壓力系數(shù)為0.1，則潛在滑裂面以上浸潤(rùn)線的高度約為相應(yīng)土柱高度的20%[1，8]。

3.3 計(jì)算參數(shù)

該魚類增殖放流站308 m及330 m平臺(tái)后邊坡當(dāng)前處于穩(wěn)定狀態(tài)，場(chǎng)地穩(wěn)定性較好，但在降水或地下水作用下，可能使其成為潛在的滑動(dòng)面。根據(jù)地質(zhì)專業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)查勘分析，剖面1-1～4-4各巖(土)層用于計(jì)算的地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 巖(土)層材料參數(shù)表

4 計(jì)算結(jié)果

采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院巖土工程研究所陳祖煜等研發(fā)的“土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析STAB Version2018”軟件對(duì)典型剖面1-1～4-4進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，分析結(jié)果見圖3～圖6；各工況條件下，旬陽水電站魚類增殖放流站330 m平臺(tái)及308 m平臺(tái)相關(guān)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算得出的結(jié)果見表2。

表2 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖3 1-1剖面持久工況、短暫工況邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果示意圖

圖4 2-2剖面持久工況、短暫工況邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果示意圖

圖5 3-3剖面持久工況、短暫工況邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果示意圖

圖6 4-4剖面持久工況、短暫工況邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果示意圖

由于1-1剖面主要涉及330 m平臺(tái)后坡、293 m～330 m之間的邊坡，因此，圖3分別給出了330 m平臺(tái)后坡、293 m～330 m之間的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果。持久工況下，1-1剖面330 m平臺(tái)后坡、293 m～330 m之間的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值分別是1.369、1.407，將最危險(xiǎn)滑面的計(jì)算值1.369作為1-1剖面的邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果列入表2；短暫工況下，1-1剖面330 m平臺(tái)后坡、293 m～330 m之間的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值分別是1.236、1.388，將最危險(xiǎn)滑面的計(jì)算值1.236作為1-1剖面的邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果列入表2。同理，分別結(jié)合圖4、圖6計(jì)算結(jié)果，將最危險(xiǎn)滑面的計(jì)算值作為2-2、4-4剖面的邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果列入表2。3-3剖面主要僅涉及293 m平臺(tái)下伏邊坡，故可直接計(jì)算293 m平臺(tái)下伏邊坡最危險(xiǎn)滑面的邊坡安全系數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果列入表2。

5 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研情況和計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：(1)持久工況和短暫工況條件下， 魚類增殖放流站330 m平臺(tái)

及308 m平臺(tái)相關(guān)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足A類Ⅱ級(jí)邊坡允許最小安全系數(shù)的要求[2]。(2)剖面4-4邊坡安全系數(shù)計(jì)算值最小，穩(wěn)定性最差，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)該剖面所在邊坡坡度較大，日常管理中應(yīng)盡量削坡，以增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，并及時(shí)進(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè)，對(duì)于有安全隱患的部位做到早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早處理。(3)為增強(qiáng)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性，建議采取一定的工程防護(hù)措施，如植物防護(hù)、干砌石護(hù)坡、漿砌石護(hù)坡、修建擋土墻等[9-10]。(4)建議合理設(shè)置邊坡各級(jí)排水溝，特別是雨季應(yīng)增加監(jiān)測(cè)頻率，疏通各級(jí)排水溝，以免邊坡因排水措施不力導(dǎo)致雨水滲流至邊坡土層中，使土體濕化，土體自重加大，增加土體中的剪應(yīng)力，造成土質(zhì)疏松、水土流失等，影響其穩(wěn)定性[11-12]。(5)該魚類增殖站土質(zhì)邊坡若進(jìn)行削坡處理，建議合理安排開挖進(jìn)度，避免開挖后暴露時(shí)間過長(zhǎng)，風(fēng)化導(dǎo)致土體松散，影響邊坡穩(wěn)定[11]。(6)STAB軟件是以極限平衡理論為基礎(chǔ)的，并未考慮材料本身應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，有待進(jìn)一步研究[13]。