基于簡化Bishop法的船閘超高邊坡整體穩定性計算分析

王彬諭 蘇平

文章以廣西某船閘工程超高邊坡為例，基于簡化Bishop法對邊坡整體穩定性進行計算分析，評估邊坡穩定性，并研究對比不同地下水位變化對邊坡穩定性的影響，提出采用多種方式相結合的綜合排水方案降低邊坡地下水位，以保證邊坡安全，為工程實踐提供技術參考。

高邊坡;簡化Bishop法;穩定性計算;地下水位

U641.2-A-51-182-3

0?引言

高邊坡穩定問題是水利樞紐船閘工程中經常遇到的問題。高邊坡的設計方案直接決定著工程建設的可行性與合理性，也影響到工程的投資經濟性以及建成后的運行安全。高邊坡的地質構造往往較為復雜，影響邊坡穩定的因素也很多，因此邊坡穩定計算需選擇合理可靠的計算方法[1]。

極限平衡分析法是目前評價邊坡穩定性的主要方法，是一種基于平衡理論的數學模型計算分析方法[2]。該方法是工程實踐中應用最早、也是目前使用最普遍的一種定量分析方法。目前已有了多種極限平衡分析方法，如Fellenius法、Bishop法、Jaubu法、Morgenstern-Prince法、Sarma法、楔體極限平衡分析法等。該方法以安全系數作為度量邊坡穩定的指標，經過長期的工程實踐證明是目前最成熟、應用最廣泛、有效和實用的邊坡穩定性分析方法[3]。

本文以廣西某船閘工程上游引航道右岸超高邊坡為例，運用極限平衡分析法中的簡化Bishop法進行邊坡穩定計算分析。

1?工程概況

工程區域地貌為侵蝕～剝蝕低山丘陵地貌。根據地質勘察結果揭示，地層主要為第四系地層大面積覆蓋，按其成因可分為人工堆積層（Qs）、沖積層（Qal）和殘積層（Qel），下伏基巖為燕山早期侵入的花崗巖（γ1?5）。丘陵頂面高程為120～210 m，山體坡度一般約20°～25°，地表大部分為第四系殘積層覆蓋，厚0～15 m，下伏花崗巖多呈全風化狀出露。全風化花崗巖廣泛分布于整個場地，厚度一般>25 m，且隨地形的增高風化厚度明顯增大（最厚達55 m）。強風化花崗巖層厚度分布不均，一般為1.5～4 m，局部厚達20 m。弱風化花崗巖層厚度分布不均，厚度一般為10～30 m。

本文以船閘上游引航道右岸高邊坡為研究對象，該邊坡最大高差接近120 m，因此其邊坡整體穩定安全成為本項目重點關注的主要工程地質問題。上游右岸邊坡自引航道設計底高程50.00 m往上基本以全風化、弱風化花崗巖為主，屬于巖土混合邊坡。主要開挖地層部分為全風化花崗巖，少量沖積黏性土、強風化花崗巖及弱風化花崗巖。

以右岸高邊坡群中一典型斷面進行具體分析。該段邊坡底高程為50.00 m，坡頂高程約為146 m，每級邊坡坡比均為1∶2。由于邊坡高差較大，考慮其穩定安全，因此邊坡每隔10 m設一級馬道作為減載平臺。其中：50.00 ～80.00 m高程段馬道寬2 m;80.00 m高程處為一條寬12 m的船閘上游右岸對外交通公路，同時兼作為一級減載平臺;80.00～140.00 m高程段間隔布置2 m和8 m寬馬道。邊坡結構斷面及地質情況如圖1所示。

2?邊坡整體穩定計算分析

該段邊坡高差達到96 m，對于這種開挖高度及規模都較大的高邊坡來說，需要對高邊坡的穩定性進行專門的研究，以保證工程的安全、經濟、可靠。根據《水利水電工程邊坡設計規范》（SL386-2007）第5.2.7條相關規定，本文選用簡化Bishop極限平衡方法計算邊坡在不同控制工況下的整體穩定性，并對計算結果進行了比較，為工程實踐提供參考。

邊坡整體穩定采用有效應力法計算最小安全系數，計算公式如下：

K=∑[c′?ib?i+（q?ib?i+W?i-u?ib?i）tgφ′?i]cosα?i+sinα?itgφ′?iK∑（q?ib?i+W?i）sinα?i（1）

其中：

K——安全系數;

C′?i——第i個土條滑動面上土的粘聚力（kPa）;

b?i——第i個土條的寬度（m）;

q?i——第i個土條頂面上作用的荷載（kN/m2）;

W?i——第i個土條的重度（kN/m），設計低水位以下用浮重度計算，設計低水位以上、浸潤線以下用飽和重度計算;

α?i——第i個土條弧線中點與水平線的夾角（°）;

φ′?i——第i個土條滑動面上內摩擦角（°）;

u?i——第i個土條滑動面上的孔隙水壓力（kPa）。

根據規范要求，結合本工程的特點，選取計算控制工況為：（1）工況1：正常運用條件;（2）工況2：非常運用條件Ⅱ（正常運用+地震）。計算結果（詳見圖2和表1）表明，采用坡比為1∶2的斷面形式，邊坡穩定滿足規范要求，安全系數處于較合理的范圍內，說明該坡比選取是合適的。

3?不同地下水位對邊坡穩定影響分析

影響邊坡穩定的因素復雜多樣，但許多相關研究表明，地下水位的變化通過不同方式對邊坡的整體穩定性產生不利影響。例如地下水位升高會降低土體的黏聚力和內摩擦角，影響土體重力、滑動力和抗滑力等，因此在進行邊坡穩定計算時需要重點分析地下水位變化情況[4-5]。

分析選取的邊坡段全風化花崗巖層厚達55 m，邊坡開挖后全風化層呈松散礫狀結構，遇水浸泡后強度指標下降較多，在降雨（尤其是突發性大暴雨）的作用下，有可能產生滑動變形。因此，本文以地質勘察階段監測所得正常地下水位線為基準，通過設置不同高度的地下水位線（水位分別升高2 m、4 m和6 m）進行邊坡穩定計算，進而研究其對邊坡穩定的影響。不同地下水位情況下邊坡穩定計算結果詳見表2。

根據表2中不同地下水位情況下的邊坡穩定計算結果可知，水位抬升2 m時，安全系數處于規范要求的安全范圍內，邊坡仍處于穩定狀態;水位抬升4 m和6 m時，安全系數已經不能滿足規范要求，邊坡存在失穩與滑動的風險。根據計算結果推測，當地下水位不斷抬升時，邊坡整體穩定安全系數在不斷降低，兩者呈較顯著的負相關關系。

4?邊坡排水措施

上述計算分析表明，高邊坡的整體穩定性與地下水位的變化十分密切，具有非常大的關聯性。因此在進行邊坡防護設計時，要查明地下水位的變化情況，做好邊坡的截水和排水設計，減小地下水對邊坡的不利影響。結合相關工程的經驗，提出以下幾點提升邊坡排水性能的建議：

（1）深層排水管設置：右岸邊坡整體較高，全風化層厚度較大，因此在邊坡穩定性較差的區域設置深層排水管，用于降低地下水位。深層排水管采用軟式透水管，沿航道中心線長度方向每10 m設置一根，處于全風化層的邊坡每級馬道布置一排，根據地形變化現場布置。深層排水管能夠較好地將坡體深處的地下水導出至馬道排水溝后排走。

（2）護坡坡面截排水溝設置：在邊坡開挖邊線外側5 m設置截水明溝，攔截后方更高山體的來水;在護坡平臺（馬道）坡腳處設置排水明溝，每級平臺排水溝末端設置1個集水坑;在護坡上相應設置護坡急流槽，急流槽設跌水坎，最后匯入位于80.00 m高程處的道路排水邊溝。

（3）坡面排水突坎設置：本項目土質邊坡采用混凝土網格+草皮的防護方式，在各個混凝土網格上沿坡面方向設置一個100 mm×50 mm（寬×高）的排水突坎，引導降水順坡面方向匯入各級馬道上的排水溝，可以在一定程度上減少雨水順坡面流入坡體內。

高邊坡應盡量采用地面截水、坡面排水與深層排水等多方面相結合的綜合排水方案[1]，最大程度減少雨水下滲，降低邊坡體地下水位，有利于提高邊坡穩定性。

5?結語

本文以廣西某船閘工程上游引航道右岸超高邊坡為例，基于極限平衡分析法中的簡化Bishop法對邊坡整體穩定性進行計算分析。計算結果表明，采用坡比1∶2的斷面形式下的邊坡穩定能夠滿足規范要求，安全系數處于較合理的范圍內，說明該坡比選取是合適的，可為工程實踐提供一定的技術參考。

地下水位變化是影響邊坡穩定的重要因素，文中研究對比了不同地下水位情況對邊坡穩定的影響。結果表明，地下水位越高邊坡穩定安全系數就越小。此外，建議采用多種方式相結合的綜合排水方案，降低突發暴雨時山體的地下水位，保證邊坡安全。

參考文獻：

[1]林觀濤.論述水利水電工程中高邊坡的加固治理措施[J].建筑工程技術與設計，2016（19）：2 170.

[2]姚艷領.基于Bishop法的邊坡穩定性分析[J].中國錳業，2016，34（4）：68-70.

[3]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.

[4]劉新喜，夏元友，張顯書，等.庫水位下降對滑坡穩定性的影響[J].巖石力學與工程學報，2005，24（8）：1 439-1 444.

[5]肖志勇，鄧華鋒，李建林，等.庫水位間歇性下降對堆積體滑坡穩定性的影響[J].長江科學院院報，2016，33（8）：114-119.