傳遞系數(shù)法在某庫岸邊坡穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用

顧明如

（江蘇省水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 揚州 225000）

工程勘察

傳遞系數(shù)法在某庫岸邊坡穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用

顧明如

（江蘇省水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 揚州 225000）

通過對宜賓市金沙江沿岸邊坡的工程地質(zhì)情況進行考察，發(fā)現(xiàn)岸坡穩(wěn)定受金沙江水位升降影響很大。為了研究金沙江下游庫岸邊坡在各荷載組合工況下的穩(wěn)定性，以金沙江干流下游左岸兩個典型邊坡斷面為例，采用傳遞系數(shù)法計算了6種不同工況下庫岸邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。結(jié)果表明：A-A′斷面在6種工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)；B-B′斷面在工況1～工況4時均處于穩(wěn)定狀態(tài)，在工況5時處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，而在工況6時穩(wěn)定系數(shù)僅有1.008，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。計算成果可為后期有關(guān)部門設(shè)計合理的邊坡治理措施提供參考。

金沙江；邊坡；傳遞系數(shù)法；穩(wěn)定系數(shù)

1 研究背景

宜賓市安邊鎮(zhèn)金沙江干流下游的左岸邊坡，距上游的向家壩水電站壩址3.50km。由于地理位置的特殊，金沙江安邊鎮(zhèn)河段均為天然岸坡，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，庫岸邊坡不良地質(zhì)現(xiàn)象較為突出。主要表現(xiàn)為江水位變動及地下水作用造成了該地區(qū)岸坡坍塌后退進而產(chǎn)生岸坡再造。岸坡因水位消落和江水沖刷淘蝕容易造成局部滑坡，主要分布于松散堆積物的岸坡。坡腳基巖巖體在江水沖刷淘蝕作用下形成的沖刷槽，如圖1。

汛期1次洪峰后的江水位驟降，這種由特大暴雨和洪水造成的水位大幅度消落，在岸坡土體內(nèi)動水壓力作用下，不但容易引發(fā)部分穩(wěn)定性較差的邊坡滑體產(chǎn)生塌滑，同時也將加劇岸坡線的局部調(diào)整。另外，由于金沙江河流坡降較大，水流流速較大，更加劇了對岸坡的沖刷淘蝕作用，尤其河流拐彎的凹岸段，岸坡迎流頂沖對松散堆積物岸坡的破壞非常突出。由于汛期水位變幅較大，水位抬升較快，對岸坡的水文環(huán)境仍帶來較為復(fù)雜的變化。當(dāng)水位上升以后，岸坡地下水位逐漸抬升，岸坡巖、土體處于飽水狀態(tài)，巖土體原有結(jié)構(gòu)及其內(nèi)聚力減弱，抗剪強度降低，造成岸坡巖土體極易產(chǎn)生塌滑變形破壞。當(dāng)江水位消落時，巖土體受地下水動水壓力增加，岸坡穩(wěn)定性明顯降低，易產(chǎn)生滑移破壞［1，2］。

圖1 坡腳基巖沖刷槽

因此，有必要對此區(qū)域內(nèi)的不穩(wěn)定邊坡進行評估，以便后期有關(guān)部門采取合理的滑坡治理措施。

2 傳遞系數(shù)法

目前，常用的邊坡穩(wěn)定性計算主要有極限平衡法和有限元強度折減法［3-5］。有限元強度折減法是指通過不斷降低邊坡的安全系數(shù)F，折減后的抗剪參數(shù)（黏聚力和內(nèi)摩擦角）不斷代入模型進行重復(fù)計算，直到模型達到極限并發(fā)生貫通破壞，此時邊坡發(fā)生破壞前的折減值就是邊坡的安全系數(shù)F。但此法進行折減計算時是將坡體的黏聚力和內(nèi)摩擦角按同樣的系數(shù)進行折減，而這與實際情況不符，故在邊坡穩(wěn)定性計算時，強度折減法存在一定理論缺陷，目前大部分巖土有限元軟件仍采用此法計算邊坡的安全系數(shù)。

傳統(tǒng)極限平衡法是根據(jù)作用于巖土體中潛在破壞面上塊體沿破壞面的抗剪力與該塊體沿破壞面的剪切力之比，求該塊體的穩(wěn)定性系數(shù)，此法理論推導(dǎo)嚴格，國內(nèi)相關(guān)邊坡也采用極限平衡法計算邊坡安全系數(shù)。傳統(tǒng)的極限平衡法包括瑞典法 （亦稱作Fellenious法）、簡化Janbu法、Bishop簡化法、嚴格Janbu法等。

2.1 傳遞系數(shù)法基本概念

隨著極限平衡法的逐步發(fā)展，我國工程技術(shù)人員創(chuàng)造了一種實用滑坡穩(wěn)定分析方法——傳遞系數(shù)法［6-8］，亦稱為不平衡推力傳遞法。該法具有計算簡單的優(yōu)點，相比傳統(tǒng)的圓弧法，傳遞系數(shù)法適應(yīng)性更強，計算結(jié)果也更加準(zhǔn)確，并且能夠為滑坡治理提供設(shè)計推力。因此在水利部門、鐵路部門得到了廣泛應(yīng)用，在國家規(guī)范和行業(yè)規(guī)范中都將其列為推薦的計算方法［9-11］。當(dāng)滑動面為折線形時，滑坡穩(wěn)定性分析可采用折線滑動法，而不僅限于圓弧滑動。

2.2 傳遞系數(shù)法的基本假設(shè)

（1）將滑坡穩(wěn)定性問題視為二維平面應(yīng)變問題。（2）邊坡滑動力以平行于滑動面的剪應(yīng)力τ和垂直于滑動面的正應(yīng)力σ集中作用于滑動面上。

（3）整個加荷過程中，視滑坡體為理想剛體材料，認為其不會發(fā)生任何變形，一旦沿滑動面剪應(yīng)力達到其剪切強度，則滑坡體即開始沿滑動面產(chǎn)生剪切變形。

（4）滑動面破壞服從摩爾-庫倫準(zhǔn)則。

（5）條塊間的作用力合力（剩余下滑力）方向與滑動面傾角一致，剩余下滑力為負值時，則傳遞的剩余下滑力為零。

（6）沿整個滑動面滿足靜力的平衡條件，但不滿足力矩平衡條件。

2.3 傳遞系數(shù)法計算

計算簡圖如圖2。

圖2 傳遞系數(shù)法計算簡圖

2.3.1 第i條塊的下滑力

式中 Wi1為第i條塊水位線以上天然重量（kN/m）；Wi2為第i條塊水位線以下的浮重度（kN/m）；θi為第i計算條塊地面傾角（°），反傾時取負值；Di為滲透壓力；αi為第i計算條塊地下水流線平均傾角，一般情況下取侵潤線傾角與滑面傾角平均值（°），反傾時取負值。

2.3.2 第i塊的抗滑力

式中 φi為第i計算條塊滑帶i土的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值（°）；ci為第i計算條塊滑動面上巖土體的黏結(jié)強度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；Li為第i計算條塊滑動面長度 （m）；其他符號含義同上式。

其中，條塊的天然重量、浮重量分別為：

式中 γ為巖土體的天然容重 （kN/m3）；γ′為巖土體的浮容重（kN/m3）；Viu為第i計算條塊單位寬度巖土體的水位線以上的體積（m3/m）；Vid為第i計算條塊單位寬度巖土體的水位線以下的體積（m3/m）。

滲透壓力Di的幾何意義：土條中飽浸水面積與水的重度及水力坡降i≈sinαi的乘積，其方向與水流方向一致，與水平向的夾角為αi。計算如式（4）：

式中 γW為水的容重（kN/m3）；hW為第i條塊在水位面以下、庫水位面以上范圍內(nèi)的高度（m）；其他符號含義同上式。

當(dāng)滑塊在水下時，不考慮滲透壓力，條塊的重量采用浮容重，如圖3。

圖3 水下條塊水壓力

第1條塊 P1=KT1-R1

第2條塊 P2=（KT2-R2）+（KT1-R1）ψ1

第3條塊 P3=（KT3-R3）+（KT2-R2）ψ2+（KT1-R1）ψ1ψ2

第4條塊 P4=（KT4-R4）+（KT3-R3）ψ1+（KT2-R2）ψ2ψ3+（KT1-R1）ψ1ψ2ψ3

…… ……

式中 K為防治工程的最小安全系數(shù)，對不同級別的防治工程，依據(jù)不同的荷載組合確定防治工程的最小安全系數(shù)。

當(dāng)最后條塊的滑坡推力Pn=0，K即為滑坡穩(wěn)定性系數(shù)，用Fs表示：

3 計算及分析過程

3.1 計算工況及荷載組合

本工程岸坡后緣有內(nèi)昆鐵路經(jīng)過，但對滑體基本無影響，且無人類工程活動等其他動荷載，故只考慮土體本身的靜止荷載。考慮到岸坡所處的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及金沙江水、暴雨對岸坡的影響，選取勘察期水位（即枯期水位）262.35m、歷史洪水位270.0m及設(shè)計20年一遇洪水位284.6m為控制水位；選取20年一遇暴雨條件，并且滑動面選取飽和參數(shù)計算。

根據(jù)國家地震局GB18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，工程區(qū)位于Ⅶ度區(qū)，地震動峰值加速度值0.1g，穩(wěn)定性計算時應(yīng)考慮地震荷載。根據(jù)上述條件選取6種典型工況進行穩(wěn)定性計算，典型工況荷載組合如表1。

表1 典型工況荷載組合

續(xù)表1

3.2 計算參數(shù)獲取

根據(jù)三峽庫區(qū)地災(zāi)治理勘察成果資料及同類工程巖土體經(jīng)驗，綜合確定滑體穩(wěn)定性計算參數(shù)。確定滑面抗剪強度參數(shù)值時，一般以滑體穩(wěn)定性的宏觀地質(zhì)判斷為前提。首先根據(jù)地質(zhì)勘查成果，進行地質(zhì)判斷潛在滑帶位置、形態(tài)、土質(zhì)、可能滑面；根據(jù)滑坡現(xiàn)狀進行反演得出的c，φ值驗證；并參考類似工程的經(jīng)驗數(shù)據(jù)等多方面對比，充分考慮滑坡目前所處的環(huán)境、狀態(tài)及地下水等誘發(fā)因素的影響。

因此，根據(jù)本工程特點，結(jié)合現(xiàn)場鉆孔巖芯（孔深5.0～13.3m）取樣和試驗，提出滑動面的抗剪強度指標(biāo)及滑體的重度等計算參數(shù)，如表2。

表2 岸坡穩(wěn)定性計算參數(shù)

3.3 岸坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

由于工程區(qū)處于金沙江左岸岸坡，江水位的漲落是直接影響岸坡再造的主要因素，受上游向家壩水電站運行調(diào)度影響，江水位漲落頻繁，但一般變幅不大，枯水期該江段最低江水位一般高程262.0m，向家壩水電站發(fā)電時，水位上漲一般小于1.0m；汛期該段水位上漲較明顯，通過對該段岸坡往年洪痕調(diào)查，一般汛期高水位高程在270.0m左右。故本次按枯期低水位和汛期高水位作為控制水位進行庫岸邊坡穩(wěn)定預(yù)測。

庫岸邊坡計算剖面選取典型且穩(wěn)定性較差的斷面A-A′和B-B′進行分析，斷面A-A′坡角22°，斷面BB′坡角27°。穩(wěn)定計算如圖4，圖5，各工況下庫岸邊坡的穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果如表3。

圖4 A-A′斷面穩(wěn)定計算

圖5 B-B′斷面穩(wěn)定計算

表3 各工況穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)表3計算結(jié)果，結(jié)合《三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治工程地質(zhì)勘察技術(shù)要求》，岸坡穩(wěn)定性狀態(tài)按穩(wěn)定系數(shù)分為4級（如表4）。

表4 岸坡穩(wěn)定狀態(tài)分級

穩(wěn)定性計算結(jié)果表明：

（1）岸坡A-A′斷面在工況1枯期水位時穩(wěn)定性最好，穩(wěn)定系數(shù)達1.616，在考慮地震和暴雨洪水的工況6時，邊坡穩(wěn)定性最差，但穩(wěn)定系數(shù)為1.262。各種工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)；

（2）B-B′斷面工況1～工況4均處于穩(wěn)定狀態(tài)，工況5處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，工況6則處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。故岸坡產(chǎn)生整體滑移性破壞的可能性小，但在進行防洪護岸治理設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合設(shè)計方案復(fù)核岸坡的穩(wěn)定并選擇合適的治理方案。

總的來看，本區(qū)域內(nèi)岸坡產(chǎn)生滑移型滑坡的可能性較小。

4 結(jié)語

以金沙江干流下游左岸邊坡A-A′和B-B′斷面為例，采用傳遞系數(shù)法計算了在6種不同荷載組合工況下該庫岸邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)合《三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治工程地質(zhì)勘察技術(shù)要求》，對6種工況下兩個邊坡斷面的穩(wěn)定性進行分級，最終確定：A-A′斷面在6種工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)；B-B′斷面在工況1～工況4時均處于穩(wěn)定狀態(tài)，在工況5時處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，而在工況6時處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。綜合分析，本研究區(qū)域內(nèi)的岸坡發(fā)生整體滑移型滑坡的可能性較小。

［1］鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］徐邦棟.滑坡分析與防治［M］.北京：中國鐵道出版社，2001.

［3］皺麗春，王國進，湯獻良，等.復(fù)雜高邊坡整治理論與工程實踐［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［4］時衛(wèi)民，鄭穎人，唐伯明.滑坡穩(wěn)定性評價方法的探討［J］.巖土力學(xué)，2003，24（4）：545-548.

［5］鄭穎人，趙尚毅，張魯渝.用有限元強度折減法進行邊坡穩(wěn)定分析［J］.中國工程科學(xué)，2002，4（10）：57-62.

［6］周海清，劉東升，陳正漢，等.基于傳遞系數(shù)法的滑面指標(biāo)反算方法的研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2010，6（6）：1161-1167.

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［8］袁興平，李珂，張順斌.差別定義下邊坡傳遞系數(shù)法計算差異分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2014，10（2）：347-350.

［9］SL274—2001，碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［10］GB50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［11］GB50330—2002，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.

（責(zé)任編輯：尹健婷）

App lication of transfer coefficientmethod on stability research of a bank slope

GU Ming-ru
（Jiangsu Water Conservancy Construction Engineering Co.Ltd.，Yangzhou 225000，China）

Through the investigation of engineering geology of Yibin city Jinsha River along the slope.The slope stability found thathas great influenced by Jinsha Riverwater level fluctuation.In order to study the stability of the lower reaches of the Jinsha River bank slope in the load combination，taking two typical slope section of Jinsha river downstream on the left bank as example，transfer coefficientmethod was used to calculate six different operating conditions of the bank slope stability coefficient.The results show that the A-A′section is in stable state of the six conditions；the B-B′section in no.1～ no.4 working conditions is in stable state，and in stable state at no.5 case，but in no.6 condition with stability coefficient is only 1.008，which is in less stable state.The results can provide a reference for the relevant departments in the design of reasonable slope treatmentmeasures.

Jinsha River；slope；transfer coefficientmethod；stability coefficient

TU457

：A

：1672-9900（2017）04-0012-05

2017-05-15

顧明如（1975-），男（漢族），江蘇揚州人，高級工程師，主要從事水利工程施工工作，（Tel）15852990000。