基于極限分析上限理論的韓江大麻防護工程邊坡穩定性分析

劉淼新

(梅州市大埔縣移民工作局，廣東 梅州 514299)

膨脹土是一種特殊的黏土，具有多種裂縫、強膨脹性和超固結特性[1]。裂縫對膨脹土的性質有很強的影響，如強度、變形和滲流。一旦膨脹土暴露在大氣中，土壤水分反復變化，土壤結構迅速瓦解，其透水性隨裂縫發展不斷增加，強度迅速下降直至達到零，導致邊坡失穩等工程問題[2]。

由于其強烈的膨脹和收縮特性，膨脹土在干濕循環中很容易形成裂縫。迄今為止，大量研究發現裂縫在膨脹土邊坡的穩定性中起著重要作用[3]。一些學者認為，多裂縫是影響膨脹土坡不穩定性的關鍵因素[4]。對膨脹土強度指數進行了實驗研究，通過探討裂縫在膨脹土邊坡失穩中的作用，可以解釋裂縫萌生與膨脹土邊坡失穩特征之間的關系。此外，邊坡穩定性分析方法，考慮到裂縫的影響和土工膜限制裂縫發展的加固方法已被提出[5]。何鵬[6]也認為裂縫發育深度是膨脹土邊坡穩定性的關鍵問題，并建立了考慮失水率和累積損傷的裂縫發展深度計算模型。陳恕等[7]通過實例分析表明，膨脹土中存在裂隙坡度對降雨入滲和孔隙水壓力分布有顯著影響。梅嶺[8]和楊智強[9]試圖使用線彈性力學，線彈性斷裂力學和剪切破壞等方法來研究土壤裂縫長度。通過數值分析考慮了裂縫和耦合效應，研究了膨脹土邊坡穩定性，證明了耦合行為和裂縫對膨脹土邊坡穩定性的不利影響，因此在傳統工程實踐中應予以考慮[10]。相關文獻[11- 13]分析了膨脹土邊坡對裂縫和降雨入滲影響的穩定性，并通過工程實例比較了考慮或不考慮裂縫的差異。結果表明，考慮裂縫影響的邊坡入滲和穩定性分析更為合理和實用。一般來說，現有的研究主要集中在影響膨脹土邊坡穩定性的裂縫的存在和分布上。

因此，本研究的目的是建立一個基于上限理論和變形力的韓江高陂水利樞紐大麻防護工程兩級膨脹土邊坡穩定性計算方法。考慮裂縫對膨脹土邊坡穩定性的影響，研究了膨脹土邊坡的穩定性分析。并根據影響因素，探討了裂縫深度和傾角對膨脹土邊坡穩定性的影響。

1 材料與方法

1.1 工程概述

韓江高陂水利樞紐位于廣東省大埔縣境內，是韓江干流的潮州供水樞紐上游又一座大型水利樞紐。壩址在大埔縣高陂鎮上游約5km處，距大埔縣城、梅州市、潮州市的直線距離分別約為15km、50km、60km。大麻鎮鎮區是大埔縣重要的中心鎮之一，位于韓江右岸。大麻鎮堤防建筑物等級為Ⅳ級，防洪標準為20年一遇。排澇泵站為10年一遇，24h暴雨3d排干。當堤內水位高于外江水位時由自流涵閘排出，自流排水涵排澇面積4.3km2；當堤內水位低于外江水位(以三河壩40m水位參考)時由電排站排出，電排站排澇面積4.3km2。

1.2 考慮裂縫影響的邊坡模型

多裂縫是膨脹土的典型特征，裂縫是邊坡穩定性分析的重要因素[11]。膨脹土的滲透性小，降雨入滲量有限，裂縫的存在為雨水滲透提供了良好的通道；這些特征進一步導致膨脹土坡的滑坡。如圖1所示，考慮與滑動面連接的裂縫，其中裂縫的深度和靜水壓力分別用hw和Pw表示。

hw=nH(0≤n≤1)

(1)

(2)

根據式(1)，當n=0時，裂縫深度為0；當n=1時，裂縫深度為坡高。

圖1 裂縫對邊坡的影響

1.3 坡度的幾何關系

大麻防護工程存在部分兩級膨脹土斜坡。基于上限理論分析，研究兩級邊坡的穩定性。在膨脹坡的兩級高邊坡段，從上到下的平臺寬度為d0=L，d1，d2=0；從頂部到底部坡度的坡度級別為β1和β2，從上到下的高度為α1H和α2H，其中α1和α2是高度系數。滑動體ABC圍繞旋轉中心O和相對螺旋平面AC下方的穩定體進行旋轉運動。因此，AC面是速度不連續的薄層，OA的長度是r0，OA和OC的斜率分別為θ0和θh。斜坡的高度為H。斜率的破壞機理是由3個變量構成，H、θ0、θh與方形框架梁間距DL。斜坡高度H1和H2為8m，斜率是33.5°(坡度1∶1.5)。

圖2 兩級斜坡的對數螺旋滑動面

如圖2所示，坐標變換后，幾何關系H/r0和L/r0可以用來表示θ0和θh，計算方法如下所示：

(3)

(4)

式中，θh—OG和水平線之間的夾角；βi—裂紋的水平傾斜角度，當裂縫是垂直的時，βi=90°，水平的時，βi=0°；LAF—線段AF的長度。

1.4 斜坡的外力

由于裂縫的存在，滑動面不能通過A，膨脹土滑動面積用FBCG表示(如圖1所示)。疊加方法可用于計算FBCG區域的所受外力。FBCG=ABC-AFG，ABC和AFG區域更容易計算。因此，重力可以表示為：

WFBCG=WABC-WAFG

(5)

環境變化引起的外部動力的膨脹和變形同樣，水平變形力可表示為：

FFBCG=FABC-FAFG

(6)

流體靜壓力來自hw/3位置的高度的點G。因此，靜水壓力功率可如下所示：

(7)

內部載荷：

(8)

孔隙水壓力：

Wwater=Sx·γwΩsinφw

(9)

地震載荷：

Wk=Wkh+Wkv

(10)

2 結果與討論

2.1 邊坡安全系數分析

本文選擇βi=90°，n1=0.1的裂紋角。其他相關參數見表1。考慮孔隙水壓力影響的斜率安全系數計算結果見表2。在三種情況下自動輸出斜坡滑動面圖，如圖3所示。

表1 兩級膨脹土坡度參數

由表2可知，考慮自重的影響時，斜率的安全系數為0.903；考慮自重和裂縫時，斜率的安全系數為0.828，由于裂縫，安全系數降低了8.31%。考慮裂縫的自重、裂縫和靜水壓力時，邊坡安全系數為0.825，表明裂縫的靜水壓力略微影響邊坡的安全系數。考慮自重、變形力和裂縫時，邊坡的安全系數為0.757。考慮自重、地震力和裂縫的影響時，邊坡的安全系數為0.696。考慮自重、變形力、地震力和水壓時，邊坡的安全系數為0.558;考慮自重、變形力、地震力、水壓和裂縫時，邊坡的安全系數為0.492。降低了系數低，最大降低百分比為11.83%，表明裂縫不利于邊坡穩定性。此外，裂縫的靜水壓力對安全系數的影響很小，裂縫對邊坡安全的影響小于地震(低至17.65%)和孔隙水壓力(低至16.17%)、大于變形力(低至7.8%)。

表2 安全系數比較

圖3 考慮裂縫影響的斜坡對數螺旋滑動面

如圖3所示，考慮裂縫的影響時，斜坡的滑動表面的長度縮短并與裂縫連通。考慮對數螺旋滑動面初始半徑的3個操作條件如下：自重+最大裂縫、自重+變形力+裂縫和自重+地震+最小裂縫。

2.2 影響因素分析

裂縫角度為90°，裂縫深度為1m、2m、3m、4m，選擇3種不同的條件，其他參數保持不變。計算結果見表3，安全系數隨裂縫深度的增加而減小。當裂縫深度為4m時，安全系數為0.71。考慮變形力的影響時，安全系數為0.651。考慮地震和變形力時，安全系數降低到0.569。

表3 裂縫深度與安全系數之間的關系

3 結論

安全系數隨裂縫深度的增加而減小，考慮到地震和變形力影響的安全系數最小。當裂縫深度為4m時，安全系數為0.71。考慮變形力時，安全系數為0.651。考慮地震和變形的影響時，安全系數降低到0.569。

裂縫角度的變化會對安全系數產生輕微影響。由于裂縫深度分別為1m、2m、3m、4m，裂縫深度對邊坡安全系數的影響大于裂縫傾角。并且對數螺旋滑移面L，θ0和r0在各種裂縫深度下具有不同程度的差異。