湖北房縣變電站邊坡穩定性分析

韓利光 周攀峰

0 引言

20世紀80年代以來,中國經濟進入了高速發展時期,長期的工程活動,對環境問題的忽視,加之自然因素的影響,滑坡災害呈逐年加重趨勢。目前,全國范圍內除山東省沒有發現嚴重的滑坡災害外,其余各地均有發生。迄今為止,滑坡的研究已經有200多年的歷史,邊坡穩定性分析方法也不斷地發展和完善,邊坡穩定分析是經典土力學最早試圖解決而至今仍未圓滿解決的課題,各種穩定分析方法在國外水平大致相當。總的說來可以分為兩大類,即極限平衡理論和數值計算理論。前者如 Fellenius法、Bishop法、Jaubu法、Mor-genstern-prince法、剩余推力法、Sarma法、Spencer法等;后者如有限元法、邊界元法、快速 Lagrangian分析、離散元法、非連續變形分析方法等。本文根據場地的工程地質條件分析了該邊坡失穩的機理,并在介紹Spencer法的前提下,以此方法對該邊坡的穩定性進行了評價。

1 工程概況

房縣地勢南北高,中部低,四周高山環繞,由兩側向中部傾斜,略呈盆地形勢。北部為變質巖區,位于武當山地塊的南部,屬武當山脈,大部分海拔在800 m～1 000 m之間;西南為秦嶺地槽;南部是漢南凹陷帶。由于強烈的地質構造運動,南北以斷層接觸,具有明顯的二分性。

邊坡在平面呈貝殼狀,坡向正南,縱長約 230 m,橫寬約140 m,總面積3.22×104m2,邊坡坡度稍緩,自然坡度20°～ 40°,植被不發育,有少量經濟作物和灌木,坡面基巖出露,陡坎較多,坡體左下腳有一小沖溝,邊坡體表層為泥質粉砂巖風化后的松散物質,部分覆蓋層為殘坡積亞黏土,松散～硬塑狀,范圍較小,鉆探揭露厚度最大5.10 m,屬巖質邊坡。下伏基巖為龍脈溝組(E2l)泥質粉砂巖,巖層產狀 85°∠8°,層面近水平,巖層傾向與坡向近似,自然山坡為順向坡。邊坡坡腳發現部分變形巖體,多是由于坡腳處有一陡坎,形成臨空面,淺部巖體在自然狀態下風化強烈,裂隙面逐漸貫通后形成軟弱帶,表層巖土體在重力作用下順著坡向產生局部變形破壞。第二級臺地前緣斜坡中上部產生多條弧形裂縫,裂縫寬 0.3 m～1.10 m,并形成錯坎,最高達1.5 m,裂縫貫通。邊坡東側裂縫張開較大,平均20 cm,最大達50 cm,深度最大大于1 m,并呈羽狀展開,與后緣相貫通。

2 邊坡失穩機理分析

1)該區地貌形態為貝殼形臺坎狀斜坡,高差近30 m,前緣臺坎窄,后緣斜坡長,坡度 20°～40°,地貌形態有利于滑坡的形成。2)邊坡表層的殘坡積亞黏土層分布很少,對邊坡整體穩定影響微弱;此處的泥質粉砂巖巖質較軟,含泥化夾層,從試驗數據上看,巖體為極軟巖～軟巖,其中強風化泥質粉砂巖層在該區分布較廣,結構較松散,稍濕,強度低。巖層走向與邊坡走向大體一致,傾向于邊坡傾向夾角較小,屬于外傾結構面,極不利于邊坡的穩定。3)坡體表層為松散的殘坡積物,有利于地下水下滲到軟弱巖層,從而導致巖層的軟化,降低抗剪強度,促進滑動產生。

綜上所述,該滑坡的形成是在一個不良的地質環境條件下,經地表水的下滲,軟化軟弱土層,降低了軟弱巖層的抗剪強度,最終致使滑動產生。

3 滑坡穩定性分析

3.1 Spencer法的基本理論

Spencer法直接假設條塊間的推力平行,即推力傾角為常數,即:

建立滿足所有力與力矩平衡的方程組如式(2),式(3),然后迭代求解安全系數:

3.2 計算剖面的選擇

根據鉆探資料,并結合現場情況,考慮邊坡在變電站施工場地開挖后沿著不利結構面破壞的情形共分析計算了三個剖面,本文選取開挖臨空面最大的有代表性的剖面進行了計算,其中邊坡切坡后高差最大的近30 m,計算剖面如圖1所示。

3.3 計算方案

滑坡穩定性與外界各種荷載作用方式、強度有關。影響滑坡穩定性系數的最主要因素是降雨引起的滑體中地下水位的抬升以及可能的地震荷載。該滑坡的滑動帶及下伏基巖為相對隔水層,滑坡體物質破碎,地表降雨易入滲,降雨發生時會造成滑坡體中地下水位的上升。因此,本次計算對地下水位的考慮分兩種形態:在天然狀態,以鉆孔和探井查明的地下水位為依據;降雨條件下,鉆孔和探井查明的地下水位。

該滑坡所在地區的地震烈度為6度,故計算方案采用6度地震的水平地震系數KC=0.05考慮。地震力引起的水平地震荷載是瞬態的,而且方向也在不斷變化,國內外的計算都是將水平地震力的方向設定為水平指向坡外,這對所有工程而言是偏安全的。

3.4 計算參數的選取

滑動面抗剪強度參數的選取關系到滑坡穩定性預測和滑坡推力計算的科學性和可靠性,是滑坡防治工程中最重要的參數。在這里,根據土體物理力學性質測試指標,確定了各地層的物理力學參數如表1所示。

表1 地層物理力學參數表

3.5 計算結果分析

本文分為兩種工況對該滑坡的穩定性進行了計算,結果見表1。可以看出,當條件由正常水位、降雨條件下水位變化時,滑坡穩定性系數逐漸降低,如圖2,圖 3所示。

4 結語

1)從計算結果可以看出,該邊坡在天然狀態時處于自穩定狀態。而在降水誘發下,由于降雨入滲,導致巖層軟化,抗剪強度降低。邊坡將逐漸失穩,此時將危及坡頂變電站的安全。2)建議對該滑坡進行削坡減載和支擋錨固等聯合抗滑措施,并利用開挖余土對前緣回填反壓,以增大抗滑段的阻滑力,但回填土必須分層壓密。對周邊邊緣裂縫進行堵塞。

[1]潘家錚.建筑物的抗滑穩定和滑坡分析[M].北京:水利出版社,1980:7-58.

[2]李功伯,謝建清.滑動穩定性分析與工程治理[M].北京:地震出版社,1997.

[3]陳祖煜.土質邊坡穩定分析——原理、方法、程序[M].南京:河海大學出版社,2003.

[4]楊 軍.邊坡穩定性分析方法綜述[J].山西建筑,2009,35(4):144-145.

[5]趙貴芳,姚前元.運用剩余推力法評價滑坡穩定性[J].湖北地礦,2002,16(3):76-77.

[6]黃昌乾,丁恩保.邊坡工程常用穩定性分析方法[J].水電站設計,1999,15(1):53-58.