水利工程中邊坡穩定性分析——以彭家灣渠段滑坡為例

高向前 史麗敏

水利工程中邊坡穩定性分析——以彭家灣渠段滑坡為例

高向前 史麗敏

（四川水利職業技術學院，四川 成都 610000）

邊坡穩定性計算分析是水利工程領域中的重要課題，是邊坡治理和加固的重要依據。本文介紹了邊坡穩定分析常用的極限平衡法,具體分析了瑞典法、畢肖普法以及推力傳遞法的假定條件、計算公式、計算精度等。本文通過彭家灣渠段滑坡具體實例，進行三種不同算法在不同工況下的邊坡穩定計算，綜合分析計算結果，得出理論與實際工程狀況較符合的結論。

邊坡穩定性計算；瑞典法；畢肖普法；推力傳遞法

0 引言

在工程實踐中，由于各種原因造成邊坡土體的變形、破壞，影響工程安全。邊坡穩定性分析是水利工程的一個重要研究內容。本文采用極限平衡法對彭家灣渠段滑坡進行非常運用條件I（暴雨），非常運用條件II（正常運行+7度地震）和正常運用條件III三種不同工況下的邊坡穩定計算，綜合分析計算結果，得出適合實際工程狀況的治理方案。

1 工程概況

彭家灣渠段位于雙流縣三星鎮東風渠新南干渠。由于暴雨，彭家灣右岸渠堤外坡出現變形和裂縫，渠道外坡坡體沉陷1.2米，坡腳滑移約2米。滑坡位于新南干渠樁號28+520～28+600米渠段右岸渠堤外坡，距彭家灣暗樁約100米，該段渠道位于緩坡坡腳，呈“C”形走勢，為左岸挖方右岸填方的傍山渠道。渠道以上左岸邊坡高程500～507米，坡度35～40度，高程502.5～502.9米以上邊坡為坡、殘積堆積層的粘土及亞枯土夾塊碎石，未見影響左岸渠坡穩定的不利結構面，未見變形和裂縫。滑坡平面形態呈簸箕形，滑坡后緣位于公路路肩位置，地面高程498.8～500.0米，前緣位于彭安亭院子位置，院內地面隆起3～4厘米，地面高程484.5～484.7米，高程497.5～499米之間為滑坡壁，地形坡度70～80度。高程497.4～498.0之間為滑坡平臺。高程485.9～497.4米為滑坡主滑段，地形坡度為20～31度。該坡屬于淺層小型滑坡，人工堆積體滑坡，滑體主要組成成分為粘土、亞粘土夾碎塊石，粘性土富含親水物質。下伏基巖臥坡腳較陡，最大達47度，人工堆積體厚度大，最厚處達13.80米。滑床后部為下伏基巖面，前部主要為坡、殘積堆積層中的粘土層，不同巖層之間工程性質差異較大，容易形成滑動面。

2 邊坡穩定性計算分析

2.1 邊坡穩定計算基本資料

根據滑坡地表地形、滑坡體形態特征、地質勘探資料及地下水等影響，彭家灣渠段邊坡參照《水利水電工程邊坡設計規范》《灌溉與排水工程設計規范》的有關規定，本工程屬于Ⅱ等工程，主要構筑物按二級建筑物設計，破壞后對水工建筑物的危害程度較嚴重，故邊坡的級別取為3級。正常運用條件抗滑穩定安全系數K≥1.15，非正常運用條件I抗滑穩定安全系數K≥1.10，非正常運用條件Ⅱ抗滑穩定安全系數K≥1.05。邊坡組成物質的物理力學參數取值，見表1.

邊坡組成物質的物理力學參數表 表1

土體名稱天然密度（g/cm3）C（MPa）φ（o）飽和密度（g/cm3） 粘土及亞粘土夾塊碎石2.060.0216.02.15 強風化粉砂質泥巖2.450.0320.02.48 弱風化粉砂質泥巖2.490.04522.02.52 滑帶2.060.0112.02.15 回填體2.06016.02.15

3.2 邊坡穩定分析計算方法

目前邊坡穩定性的理論計算方法主要為極限平衡法。本工程具體應用了極限平衡法，該方法通過分析在臨近破壞的狀態下，土體外力與內部抗力之間的平衡，計算土體在自身和外荷載作用下的土坡穩定性程度，采用邊坡穩定性系數作為評價指標。具體包括瑞典法、畢肖普法、推力傳遞法等。

3.2.1瑞典法

瑞典法是邊坡穩定分析中最早出現的一種方法。該方法在計算時有如下假定:滑面形狀使用圓弧滑裂面; 假定滑動土體為不變形的剛體; 假定條塊間的作用力對邊坡的穩定性影響不大而加以忽略; 忽略土條兩側面上的作用力。該方法計算公式如式（1）所示。

3.2.2畢肖普法

畢肖普法是在瑞典法的基礎上提出的一種簡化方法，不同的是在公式推導時考慮了土條兩側的作用力的影響，相比之下較瑞典法更為合理，計算公式如式(2) ～ 式(3) 所示。

式中各符號意義同前。

由于推導中只忽略了條間切向力，比瑞典條分法更為合理，但該法與更精確的方法相比，可能低估安全系數2～7％。

3.2.3推力傳遞法

推力傳遞法適用于任何形狀的滑動面。推力傳遞法有如下假定: 滑坡體不可壓縮并做整體下滑, 不考慮條塊之間的擠壓變形;條塊之間只傳遞推力,不出現條塊之間的拉裂;條塊間作用力以集中力表示,它的作用線平行于前一塊的滑面方向,作用在分界面的中點;垂直滑坡主軸取單位長度寬的巖土體做計算的基本斷面，不考慮條塊兩側的摩擦力。推力傳遞法計算方法如式（4）所示。

推力傳遞法有隱式解法和顯式解法。通常顯式解的結果誤差較大，偏于不安全；而隱式解受滑動面傾角的影響較大，尤其是對于折線形滑面，所以隱式解的應用也受到限制。

3.3 邊坡穩定計算成果分析

3.3.1計算方法

計算采用水利部黃委設計院和河海大學工程力學研究所聯合研制的土石壩穩定分析系統中的邊坡穩定分析程序計算。

本工程計算中將巖體劃分為n層，滑體劃分為若干個條塊，滑裂面擬定為折線或圓弧，采用固定計算最危險滑面和自動搜索計算最危險滑面的安全系數。

3.3.2計算工況

對于邊坡穩定計算考慮以下3種工況組合。計算剖面選擇滑體最深的彭滑Ⅱ-Ⅱ剖面。

（1）非常運用條件I（暴雨）

（2）非常運用條件Ⅱ（正常運行+7度地震）

（3）正常運用條件

3.3.3計算成果

詳見表2，表3，及圖1～圖2（部分計算結果示意圖）。

渠道右側邊坡穩定計算成果表 表2

計算方法計算工況 正常運用條件非常運用條件I非常運用條件Ⅱ 瑞典圓弧法（滑體）1.16810.92931.0467 簡化畢肖普法（滑體）1.27230.99931.1285 推力傳遞法（滑體）1.20670.95111.0548 推力傳遞法（滑帶）0.94660.89400.8269

渠道左側邊坡穩定計算成果表 表3

計算方法計算工況 正常運用條件非常運用條件I非常運用條件Ⅱ 瑞典圓弧法1.24801.20401.1410 簡化畢肖普法1.31501.27101.2060 推力傳遞法1.32801.28501.1970

圖2 東風渠彭家灣右岸滑坡計算成果

4 結論

（1）.具體計算中畢肖普法的計算結果高于瑞典法，說明瑞典法計算結果較保守。瑞典法與畢肖普法的計算結果在中心角較小時差別很小，可視為結果相似，但在中心角較大時，則瑞典法與畢肖普法差距明顯，有時可達10 %以上，用瑞典法計算得出的穩定系數偏小，與經驗法對比，應是瑞典法計算偏于安全。三種方法都有其局限性，在實際工程中，應進行不同工況組合使用。

（2）.彭家灣渠道左側邊坡為基巖邊坡，在各工況下，邊坡穩定安全系數均滿足規范要求值。但邊坡風化粉砂質泥巖和泥質粉砂巖卸荷、風化劇烈，巖體中裂隙發育，邊坡巖體完整性差，存在掉塊或局部坍塌可能，需采取工程措施對左側渠坡進行表面防護。

（3）.彭家灣渠道右側外坡為一同向緩傾邊坡，于穩定較不利。彭家灣雨水每年都集中在6～9月份，滑坡發生前出現連續強降雨，在連續降雨形成的高孔隙水壓力的情況下，后續土體變形、出現裂縫形成空間后，雨水進一步下灌，降低了土體強度，增大了上部土體重量，從而產生了下滑推力，形成滑坡體，屬于推動式滑坡。本區渠道右側邊坡在各工況下，邊坡穩定安全系數值均不滿足規范要求值。正常運用條件下，沿滑帶最危險滑面的邊坡穩定安全系數K=0.9466，處于臨界穩定狀態，有繼續滑動的可能；在暴雨、地震條件下，處于滑動狀態。渠道右側外坡計算滑弧頂部在邊坡內測，下部滑出點位于邊坡較陡的坡腳臨空面或軟弱滑帶出露邊坡處。從計算所得滑動面來看，滑面位于物理力學指標較差的滑帶中，計算滑弧滑裂點和滑出點位置與實測滑面基本一致，因而計算結果是合理的。經分析 ，渠道右側邊坡處于不穩定狀態，而渠道滲水是造成滑坡的主要因素。

5 應對措施

彭家灣渠段滑坡為小型、淺層、堆積層滑坡，天然條件下現處于臨界狀態，在暴雨、地震條件下處于滑動狀態，嚴重威脅當地村民的生命財產安全和渠道正常輸水。本次工程重點為對滑坡影響范圍渠道的整治和對渠道右側滑坡范圍內緊鄰公路處渠堤的加固，渠道右側滑坡范圍內渠堤的加固范圍為樁號28+520～28+600米，渠道右側渠堤進行鋼筋砼樁加固，渠道進行全斷面砼襯砌防滲，滑坡范圍內出現的拉裂縫，采用粘土封閉、夯實，并在裂縫周邊種植植被的生物防護措施。

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