降雨和地震對高填方邊坡穩定性的影響研究

2019-05-28 08:15:12韓文喜張日華

水力發電 2019年12期

韓文喜，張日華，王昊

(1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川成都 610059；2.成都理工大學環境與土木工程學院，四川成都 610059)

0 引言

隨著國家西部大開發戰略的實施，高原山區支線機場建設成為其中一個重大需求[1]。針對目前現有的高原機場，通過分析其工程地質條件、監測情況、施工狀況，總結出這些機場普遍具有以下4個特點[2]：①高填方。填方高度一般在30 m以上，最大達100 m。②場區地質條件復雜。高填方地基底部分布有一定厚度的軟弱層，且其厚度和分布不均勻。③氣候條件差。④高地震烈度。這些特點導致山區機場建設面對的最嚴重的一個問題就是如何保證高填方邊坡的穩定。本文以九寨黃龍機場為例，通過現場試驗和數值模擬，對九寨黃龍機場高填方邊坡在天然、降雨、降雨及地震等狀態進行動力分析，探討高填方邊坡的穩定性。

1 工程背景

九寨黃龍機場位于川西北高原松潘縣北的漳臘盆地，機場海拔3 445 m，北端頭斜坡一旦失穩，極有可能形成滑坡，威脅北端頭機場跑道內外100余人的生命財產安全，也直接或間接影響九黃機場北端頭高填方區正常運行。

工程區隸屬松潘縣，根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20g，地震分組為第二組。場地地貌較復雜，屬斜坡地段，坡體穩定性較差。該邊坡為不穩定邊坡，場地上部覆蓋層為較厚的素填土，基底石炭系巖體完整，強度較高，場地穩定性較差。綜上，擬建場地和地基穩定性較差，屬抗震不利地段。

2 天然狀態下高填方邊坡穩定性

2.1 計算模型和參數選取

根據機場地質地形條件，選擇不利于填方邊坡穩定的地段作為計算研究剖面。填筑邊坡坡比為1∶2，坡體底部含有1層厚約8～20 m的粉土層，底部地層為含卵礫石粉質粘土。計算模型見圖1。

圖1 計算模型

填筑體和粉土及含卵礫石粉質粘土均采用彈塑性模型，模型左、右側限定水平約束，底部水平及豎向約束，坡體頂部及臨空面采用自由邊界。各土層物理力學參數見表1。

表1 各土層物理力學參數

2.2 邊坡穩定性分析

填筑體邊坡在天然狀態下，應用Bishop法搜索最危險滑面，得到高填方邊坡的臨界滑動面(見圖2)。通過Janbu法得出，填筑體穩定系數為1.139。

圖2 高填方邊坡臨界滑面

由于填筑體底部有8～20 m厚的粉土層，坡體潛在滑裂面容易從此層中～高壓縮性土中切穿劃出。而在機場擴建施工時，在機場北部端頭局部出現沉降裂縫，穩定性較差，邊坡安全儲備較低。按Janbu法搜索臨界面得到，邊坡安全系數為1.064，與現場實際產生的裂縫相吻合。

通過不同計算方法得到的高填方邊坡安全系數見表2。從表2可知，Janbu法與Bishop法算出的穩定性系數相差0.075。Janbu法與Bishop法的區別在于，Janbu法假設土條間推力的作用點位置，以任意形狀滑動面上的安全系數不變來分析土體穩定，應用于滑動面為任意形狀的土坡，可計算任意形狀滑動面土坡穩定性；bishop法則是假定邊坡不穩定滑動面為圓弧滑動面，考慮土條之間的相互作用力，以整個滑動面上的平均抗剪強度與平均剪應力之比來定義穩定安全系數衡量邊坡穩定性[3]。

表2 高填方邊坡安全系數

3 降雨和地震條件下高填方邊坡穩定性

3.1 降雨條件下

機場工程區氣候為青藏高寒季風氣候區，年均降水量757 mm，降雨相對強度不大，設定降雨強度為50 mm/d，考慮降雨時長，設定降雨持續時間分別為12、24、48 h和72 h。

機場填筑體邊坡設定邊界條件：頂面為自由滲透邊界；邊坡底部及兩側豎直位置設定為0流量邊界；邊坡臨空面及坡腳平面設定為自由滲透面；坡體中的地下水位線下方設定為水頭邊界；水位線以上設定為0流量邊界。由于位于臺地后坡，區域地下水位埋藏深度大，缺乏補給來源，地下水貧乏，其初始地下水位線及水頭較低。

降雨為50 mm/d時，邊坡處于受大雨影響狀態，由于底部粘土層相對厚度較大，滲透系數相對較小，雨水入滲時，易在填筑體底部與粉土層上部的接觸帶區形成滲流面，這時粉土層受水浸泡而飽和形成相對隔水層；雨水在入滲至填筑體底部后，順粘土層向坡腳流動，軟化粉土，使接觸帶土的粘聚力和內摩擦角減小，接觸面區抗剪強度減低，降低坡體穩定性[4]。不同降雨持續時間高填方邊坡孔隙水壓力分布見圖3。從圖3可知：(1)降雨12 h后，邊坡表層土體飽和，雨水沿土體飽和區向非飽和區滲入，而隨著降雨的持續進行，雨水邊向邊坡土體中入滲邊在地表區形成地表徑流，沿坡體向坡腳處匯集，在坡腳處形成水頭區域，迫使坡腳雨水匯集區的水流向坡體內部入滲。

圖3 不同降雨持續時間高填方邊坡孔隙水壓力分布(單位：kPa)

(2)降雨24 h時，雨水在坡腳處在填筑體與粉土接觸區形成入滲雨水飽和區，并進一步向坡體內部擴大。

(3)降雨持續到36、48 h時，降雨入滲在坡腳處的飽和區沿粘土層表層區域及接觸帶向坡體內部擴展，由于粉土的飽和入滲系數低，雨水入滲對坡體底部的地下水影響不大。

(4)降雨持續到72 h時，坡體在坡腳處的飽和區除進一步擴大以外，在坡體表面其他區域，由于降雨入滲的進一步發展，土體淺層飽和區逐漸向坡體內部擴展，內部的非飽和區逐漸由入滲而飽和，土體邊坡由坡腳處先期浸泡形成易破壞帶。隨著頂部土體飽和深度的逐漸增大，在坡體表面易形成裂隙，坡腳處破壞軟化。隨雨水入滲沖蝕，在坡腳處土體形成浸泡軟化帶，在邊坡重力作用下，坡體向坡腳發生位移，進一步使坡體頂部形成張拉裂隙，最終導致坡體破壞。

3.2 地震條件下

機場處于川西北高原區，工程場區位于揚子準地臺大地構造區，小區域構造為川西北高原岷江斷裂、虎牙斷裂、雪山斷裂環繞的三角斷塊區，這些斷裂和塔藏斷裂共同影響控制著工程區域的構造穩定性，最主要的岷江斷裂在第四紀以來仍有新活動跡象，控制著盆地的發展和演化。

由四川省地震局編制的《九寨黃龍民用機場地震安全性評價報告》及采用國家地震局地震危險性分析程序，計算得出機場工程地震危險性分析結果，見表3。

表3 工程區地震危險性分析結果

按計算模型設計并取參數，輸入的地震波為原波修正后的EI-Centro地震波，輸入時長持續10 s。0.2g地震作用下坡體峰值見圖4。從圖4可知：

圖4 0.2g地震作用下邊坡峰值

(1)在0.2g地震加速度荷載動力作用下，填筑體邊坡的峰值動力加速度在坡頂處達到最大，在坡體臨空面處由坡腳向坡頂呈總體增大趨勢，而在坡體中間處有加速度小值區域；而對于粉土層，其地震加速度響應不明顯，不論地震加速度還是速度響應，在粉土層均有減弱趨勢[5]。

(2)對于剪應力，在粉土層中剪應力形成折角剪應區，特別是在粉土層頂部與填筑體接觸帶區，形成沿順坡向的剪應力延伸帶；在地震動力作用下，坡體震動剪應變在粉土層中最大，并主要集中在粉土層中。在動力作用下，在粉土層形成動力剪切破壞，導致坡體很容易在震動作用下沿粉土層破裂滑動。

(3)峰值動力位移最大區位于坡頂區，向坡體內部的滲出逐漸減小，而在粉土層形成動力位移折減區，使粉土層下部的土層地震效應減弱，而粉土層上部的填筑體則形成增大趨勢，而且使應力應變在填筑體下部與軟弱土層接觸區形成集中帶，在外應力作用下易形成易破壞帶。

根據地震動力作用下邊坡安全系數計算的選取[6]，按低于邊坡靜力穩定性值的所有瞬時地震邊坡安全系數平均值評價邊坡的地震穩定性，結果見圖5。從圖5可知，邊坡瞬時最小動力安全系數為0.856，按平均值取此時邊坡安全系數為1.052，小于1.1，達不到國內許多機場的設計動力安全系數大于1.1的要求。。按設計加速度0.2g計算坡體永久變形，結果見圖6。從圖6可知，坡體永久變形為53.9 mm。

圖5 0.2g地震作用下邊坡安全系數

圖6 0.2g地震作用下邊坡位移

分別考慮機場高填方邊坡在不同強度地震峰值加速度影響下的邊坡安全系數，對邊坡分別輸入0.1g、0.2g、0.3g、0.4g地震峰值加速度，得到邊坡動力安全系數(見圖7)。對應地震條件下邊坡安全臨界系數為1.1時，邊坡能承受的臨界地震加速度峰值為0.085g，地震安全性不良，安全儲備太低。在0.3g與0.4g地震加速度條件下，填筑體邊坡永久位移見圖8。從圖8可知，填筑體邊坡永久位移分別為179.53 mm和289.04 mm。

圖7 不同地震加速度下邊坡安全系數

圖8 不同地震加速度下邊坡永久位移

3.3 地震及降雨條件下

機場北端頭邊坡底部有較厚的粉土層，地震時往往伴隨著大氣降雨等其他不利條件，降雨與地震的耦合作用，更加不利于高填方邊坡的穩定。在降雨及地震條件下分別對邊坡進行穩定性分析的基礎上，模擬在降大雨時發生不同強度地震情況下的邊坡的穩定性。設定在50 mm/d的降雨條件下，降雨持續24 h、72 h后，發生0.1g、0.2g、0.3g、0.4g地震，邊坡穩定性分析結果見圖9、10。從圖9可知，隨地震加速度的增加、降雨時間的增長，邊坡安全系數有明顯的下降。降雨24 h與72 h的邊坡安全系數有明顯的差別，可能是由于邊坡在降雨72 h后土體強度發生明顯的下降，導致安全系數急速下降；從圖10可知，相同降雨時間隨地震加速度增大，邊坡變形量急速增大[7]。