某臨河二元結構邊坡變形破壞特征及穩(wěn)定性評價

摘 要：工程領域有較多的二元結構邊坡，因此也常面臨邊坡失穩(wěn)問題，特別是臨河區(qū)域的二元結構邊坡受水位升降影響，邊坡變形破壞特征較為復雜，水位變化會改變邊坡體內的水文地質條件，其中，水位驟降是導致邊坡失穩(wěn)的主要因素。本文以某臨河二元結構邊坡為研究項目，首先，對其破壞特征進行分析，其次，針對水位驟降工況的邊坡穩(wěn)定性進行定量計算，最后，對該邊坡進行1個水文年的周期變形監(jiān)測。結果表明，水位驟降時對臨河邊坡影響最大，此時邊坡的穩(wěn)定性系數最低，坡腳區(qū)域變形較大，分析邊坡破壞形式主要為坡腳區(qū)域失穩(wěn)后導致的牽引破壞模式。本研究結果可以為臨河邊坡穩(wěn)定性分析提供參考。

關鍵詞：臨河邊坡；水位驟降；穩(wěn)定性；牽引破壞

中圖分類號：TV 85 " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

二元結構邊坡指上覆較松散土層而下伏巖層的邊坡，邊坡在降雨條件下，沿巖土界面易產生滑動，導致邊坡失穩(wěn)。工程領域存在較多的臨水二元結構邊坡，例如濱河公路外側、河岸邊坡、水庫岸坡等，為揭露臨河二元結構邊坡在水位升降工況下邊坡穩(wěn)定性及其破壞特征，較多學者對此進行了研究。秦茂潔等[1-2]對水位變化對河道邊坡的穩(wěn)定性評價進行了一系列研究，張琳琳等[3]對落水條件下河道水庫岸坡穩(wěn)定性進行了分析，劉文月等[4]對庫水位變化對庫岸路基沉降的影響進行了研究。

上述研究為臨河邊坡的穩(wěn)定性評估及影響提供了一定的指導意義，但臨河二元結構邊坡具有復雜性，且地區(qū)間地質條件存在較大差異性，因此，仍須對其進行進一步研究。綜上所述，本文以某臨河二元結構邊坡為實例背景，先對其進行防治措施設計，再通過定性分析、定量計算等方法對臨河二元結構邊坡的破壞特征及穩(wěn)定性進行研究，以期為類似項目積累經驗。

1 工程概況

研究區(qū)邊坡為臨河二元結構邊坡，邊坡頂部為城市規(guī)劃的工業(yè)園區(qū)建設區(qū)，場地原始地形屬于構造剝蝕丘陵斜坡地貌，自然斜坡坡度為10°～35°，大多數地區(qū)較平緩，局部地區(qū)較陡，場地內原始地形標高為212.6m～235.0m。根據區(qū)域內城市規(guī)劃，擬對該地區(qū)進行工業(yè)園區(qū)建設，為對場地內土地進行整平，規(guī)劃的場地標高為230.0m，研究區(qū)東側存在現狀河流，為區(qū)域內地形最低點，該處經場平后將形成最高約20m左右的填方邊坡。場地典型剖面如圖1所示。

根據邊坡范圍地質資料，原始地表上覆土層為粉質黏土，表層主要為旱地，地形波動起伏不大，覆土厚度在0.5～2.5m，覆蓋層整體較薄。場地范圍內下伏基巖主要為砂巖及泥巖互層，中風化巖層完整性較好。對場地裸露基巖進行測定，巖層產狀為263°∠45°，區(qū)域內發(fā)育兩組構造裂隙，裂隙特征如下。J1：285°∠49°；J2：145°∠63°。該段邊坡傾向為90°，邊坡不受巖層層面及裂隙控制，邊坡不存在結構面控制的穩(wěn)定問題，研究區(qū)邊坡整體破壞模式為填方后邊坡易沿巖土界面產生滑移。

2 臨河邊坡破壞特征分析

臨河二元結構邊坡受水的影響，破壞特征較為復雜。河道水位變化后會導致邊坡內外形成水位差[5]，在土體內部容易引起滲流場，如圖2所示。水位驟降一般指邊坡范圍內水位下降速度緩于河道水位下降速度，導致邊坡范圍土體內部的超靜孔隙水壓力難以消散，在其降落過程中，邊坡范圍內沒有從坡面排出大量的水。此時邊坡滲流面上的AB段的土體顆粒會受到滲透力、重力等因素的影響，當滲透力較大時，邊坡坡面的土顆粒易沿邊坡坡面產生滑移，甚至導致邊坡失穩(wěn)。由圖2可知，邊坡坡腳區(qū)和坡肩區(qū)土體易出現飽和，坡腳區(qū)滲流密集，當河道水位下降時，坡腳區(qū)域產生變形破壞的可能性較大。

當水位驟降時，較高流速的地下水容易沖刷填方體內部的土顆粒，形成潛蝕作用，使填方體內部形成較大的空隙，土體陷落，加劇邊坡變形。同時，水位下降還容易使水壓力增加，沿坡體滲流方向的下滑力變大，導致邊坡失穩(wěn)。水位驟降時還容易降低邊坡內部及巖土界面的力學強度，再次加劇邊坡體變形。在水位下降過程中，若邊坡范圍內巖土層滲透系數較大，則地下水位隨河道水位下降速度較快，邊坡內外水位差相差不大，對庫岸邊坡的穩(wěn)定性影響相對較小。當河道水位驟降，巖土層的滲透系數較小時，由于臨河邊坡內部的超靜孔隙水壓力不能及時消散，因此與河道水位下降相比，邊坡范圍內地下水位下降過程呈現滯后現象，會形成超靜孔隙水壓力，不僅會使邊坡范圍內巖土體產生滲透變形，還會使邊坡范圍內的巖土在水-巖物理化學作用下，沿著水流沖蝕方向的裂紋、孔隙、顆粒間接觸面外滲，產生新的次生孔隙。因此，河道水位驟降對邊坡的影響是臨河二元結構邊坡的最大的問題。

3 邊坡治理設計

3.1 邊坡方案

根據研究區(qū)設計方案，為保證填方邊坡的整體穩(wěn)定，首先，要對原始地面線以下的粉質黏土進行清除，其次，對基巖面開挖反向大臺階，反向坡度4%，大臺階界面采用飽和抗壓強度不低于25MPa的塊片石進行分層填筑，可提高邊坡內透水能力，最后，在上方采用合格填料分層壓實，邊坡范圍壓實度不小于93%，填方邊坡坡率為1∶2，每8m設分級平臺，平臺寬度為3m。坡面防護采用網格植草護坡，靠近河道一級邊坡采用六棱塊護坡，棱塊內部植草。

為改善邊坡內排水條件，按照分層壓實填筑邊坡內填方體，同時在邊坡填方體內部每隔3m豎向高度設置盲溝排水層，厚度為80cm。盲溝排水系統(tǒng)與邊坡截排水溝及平臺水溝一起形成邊坡的截排水系統(tǒng)，保證邊坡內部排水通暢。

3.2 邊坡計算分析

根據研究區(qū)地質成果資料，邊坡穩(wěn)定主要分為2個方面，分別為填方體沿巖土界面滑移穩(wěn)定性及填方體土體內部圓弧滑移穩(wěn)定性。對研究區(qū)地質成果資料進行梳理，相關的巖土參數見表1。

邊坡的安全穩(wěn)定系數是指抗滑力與外部力及單位滑體的質量導致的下滑力之間的比值。填方體內巖土界面控制的邊坡安全穩(wěn)定性系數Fs的計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：W為滑體重度；c為巖土界面黏聚力；φ為巖土界面內摩擦角；θ為巖層層面傾角；l為滑面長度。

根據表1中的巖土參數，采用公式（1）計算該二元結構邊坡安全穩(wěn)定系數為1.62，大于1.35，根據安全穩(wěn)定系數對邊坡狀態(tài)進行分類，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，判定標準按照《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB 50330—2013）執(zhí)行，場地經填方后，巖土界面不易產生滑移。

當邊坡沿填方體內部產生圓弧滑移破壞時，要在土體內部多次劃分單元，并采用圓弧法對土體內部進行迭代計算，其分析模式如圖3所示。

土體內部圓弧滑動邊坡安全穩(wěn)定系數Fs的計算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：ci為第i個計算條塊滑面黏聚力；li為第i個計算條塊滑面長度；φi為第i個計算條塊滑面內摩擦角；θi為第i個計算條塊滑面傾角；Gi為第i個計算條塊單位寬度質量；Qi為第i個計算條塊單位寬度水平荷載，方向指向坡外時取正值；Gbi為第i個計算條塊單位寬度豎向附加荷載，方向向下取正；Ui為第i個計算條塊單位寬的總水壓力。

臨河邊坡按照1∶2的坡率法進行分層碾壓回填后，采用autobank軟件分析最不利的邊坡范圍內滲流線，計算在水位驟降后各個時間段落邊坡內外的水位差分布情況，得到對應的滲流線。再按照得到的滲流線對水位驟降后的各個水位差工況進行驗算，根據表1中的巖土參數，采用公式（2）計算邊坡范圍邊坡安全穩(wěn)定系數，結果見表2。

由表2可知，隨著邊坡內部水位下降，內外水位差縮小，邊坡安全穩(wěn)定系數逐漸增加，在水位驟降過程中，臨河邊坡的安全穩(wěn)定系數最小值為1.39，大于1.35，由此可見，邊坡不會沿土體內部產生圓弧滑動。同時根據計算的邊坡安全穩(wěn)定系數對邊坡狀態(tài)進行分類，判定標準按照《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB 50330—2013）執(zhí)行。

4 邊坡監(jiān)測

4.1 監(jiān)測數據

監(jiān)測不僅是邊坡設計、施工中的重要一環(huán)，也是邊坡動態(tài)化設計的延續(xù)。為深入研究該臨河二元結構邊坡的變形規(guī)律，在本項目施工過程中，按照分級填筑的要求，從坡腳至坡頂區(qū)域，坡腳、將分級平臺、坡頂布置的監(jiān)測點分布命名為a、b……，在該斷面邊坡沿豎向填筑方向布置4組監(jiān)測點，為研究水位對邊坡變形的影響，需要對該邊坡前期施工完成后的位移進行清零?？紤]水位驟降對邊坡穩(wěn)定性影響較大，因此本次主要記錄填方體邊坡形成后第一個水文年雨季開始的1個月監(jiān)測數據，監(jiān)測結果見表3。

在監(jiān)測過程中，同時對場地內部區(qū)域的變形進行觀測，在場地內部未發(fā)現較為明顯的開裂，由此可見，場地整體趨于穩(wěn)定狀態(tài)，僅邊坡坡腳區(qū)域的變形稍大。結合《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB 50330—2013），研究區(qū)臨河邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，需要對變形稍大的區(qū)域采取結構措施加強處理，例如采用護腳擋墻加漿砌片石護坡，也可采取格賓石籠擋墻等加強措施。

4.2 監(jiān)測數據分析

由該臨河邊坡的監(jiān)測數據可知，邊坡坡腳區(qū)域產生的水平變形較大，在雨季來臨后，邊坡坡腳產生的水平位移相對較大（13.6mm）。在水位驟降后，來不及排除邊坡內的地下水，因此坡體內外會有較大的水位差，邊坡坡面形成暫態(tài)的滲流場。坡面土顆粒在滲流力的作用下，易產生沿坡面向下的位移。邊坡范圍分級平臺及坡頂區(qū)域產生的水平位移相當，因此初步判定邊坡在坡腳發(fā)生較大水平變形的前提下，會使邊坡上部坡面呈現牽引式的變形趨勢，坡頂及分級平臺產生的位移大致相當。

原始地面線上坡體巖層的傾角以及新填方體的滲透系數對暫態(tài)滲流場的影響較大[6-7]，為使因水位驟降坡體內外的水位差變小，填方體填筑時建議采用滲透性較強的材料。同時，坡腳區(qū)作為臨河二元結構邊坡的薄弱點，應遵循固腳強腰的原則，保證下部邊坡的穩(wěn)定，同時對填方體內部進行分層壓實，在分層碾壓過程中修筑分層排水盲溝，及時排除邊坡范圍內地下水，保證臨河二元結構邊坡的整體穩(wěn)定。

5 結論

本文通過研究某臨河二元結構的邊坡變形破壞特征及穩(wěn)定性評價，得到以下結論。1）水位驟降對臨河邊坡影響最大，在這種工況下，邊坡坡腳區(qū)受到的應力較大，產生變形較大，臨河的二元結構邊坡易因坡腳失穩(wěn)導致牽引破壞，因此應加強對坡腳的防護設計。2） 通過臨河二元結構邊坡破壞特征分析得知，邊坡穩(wěn)定性與坡體內滲流浸潤線的線形有關，在臨河二元結構邊坡的填筑過程中應采用透水性較強的材料，建立邊坡內外系統(tǒng)相連通的排水通道，減少滲流對臨河邊坡的影響。3）坡腳作為填方邊坡的薄弱點，在邊坡設計及施工過程中應加強措施設計、精細化施工，并對填方邊坡體設計進行固腳強腰，保證臨河二元結構邊坡整體穩(wěn)定。

參考文獻

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