某水電站近壩庫區邊坡穩定性分析及治理措施研究

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邊坡是我國最常見的工程建設形式之一，每年因滑坡、崩塌造成的直接經濟損失超過了200億元。基于邊坡穩定性研究和防治，文章運用M-P條分法對金場壩右岸邊坡進行了穩定性分析，計算結果與實際監測結果相符合，證明了M-P條分法應用在實際工程中的可行性。

1 工程地質調查

某水電站庫區位于湖南西北部酉水下游，其已經出現了4個明顯的滑坡體，壩區水電生產及當地居民生命財產受到滑坡隱患的威脅。水庫近壩庫區位于武陵山隆起帶次級構造北東-北北東向展布的大風埡-小砦山背斜南東翼，該處2個滑坡分別位于其次級小向斜的北東翼和南東翼。工程區基巖由前震旦系板溪群砂巖、長石石英砂巖、石英巖、板巖、砂質板巖等組成，斷層及層間泥化夾層分布較密集，滑坡、崩塌及蠕變松動巖體等物理地質現象較發育，邊坡變形與穩定條件較為復雜。滑坡所處河流上游酉水流向為S118°E，向下游至樞紐酉水流向約為N70°E。庫岸浪蝕作用明顯，干流至大壩4km范圍多為基巖庫岸，因結構面不利組合，庫岸局部見有小型基巖棱體失穩現象，庫岸整體穩定。

2 邊坡穩定性分析

邊坡工程研究的核心問題是邊坡穩定性分析，其目的是確定合理的邊坡結構參數及分析已有邊坡的穩定程度，為邊坡處治措施的確定提供可靠的依據。現有的邊坡防治方法一般采用工程地質類比法、坡率法、圖解法、極限平衡法等，文章采用極限平衡M-P條分法來研究邊坡穩定性。

2.1 基于極限平衡M-P條分法分析邊坡穩定性

相比其他極限平衡條分法，M-P條分法考慮了整個條間作用力影響和整體的力矩平衡，計算結果更為精準。M-P條分法同時考慮條間法向力和切向力，并假定兩者的比值與水平坐標之間存在一個函數關系，同時滿足整體平衡和力矩平衡，力多邊形閉合。此次穩定性分析取其中較嚴重的某處滑坡為主要研究對象，其他滑坡也可以按照同樣的原理進行分析。

M-P條分法基本假定：（1）邊坡整體為均質材料，其抗剪強度服從摩爾-庫倫準則。（2）所有條塊是剛性的，不發生變形。滑坡體為整體滑移。（3）條間切向力X和法向力E存在函數關系，λ為0～1的任意常數。（4）邊坡安全系數F定義為沿整個滑動面的抗剪強度和滑動面上實際的滑動切應力的比值。

基于M-P條分法計算模型和分析（如圖1所示），將滑坡分為長度為dx的微分條，取其中的一條塊進行受力分析。

圖1 M-P條分法示意圖

微分條塊上的作用力有重力dW、條塊地面的有效支撐力dN'及切向阻力dT，E'、E'+dE'為條塊間的作用力，U、U+dU為條塊間的孔隙水壓力，X、X+dX為條塊間的切向力，dUs為底面上的孔隙水壓力。

對該條塊有底部法向力的平衡：

對該條塊底部取切向力的平衡：

再由摩爾-庫倫準則、強度折減原理和安全系數定義可得

對該條塊底部中點取力矩平衡，化簡可得

綜合式（1）～（4），并帶入假設式（3）化簡可得每一條塊的微分平衡方程為

式中：K、N、P均為中間變量。

對于該方程，可以先假定滿足平衡方程的λ、F的值，然后帶入邊界條件，檢驗是否滿足邊界條件。如果不滿足邊界條件，則用一個有規律的迭代步驟繼續修正λ、F的值，直到其滿足邊界條件，可以求得安全系數F。

2.2 理論計算結果分析

運用Matlab進行迭代運算得到理論安全系數結果，如表1所示。

表1 各個剖面不同含水狀況下的安全系數

理論計算結果顯示，邊坡的安全系數在自然含水的情況下遠小于要求的安全系數1.25。

由表1可知，當邊坡處于干邊坡狀態時，該邊坡是穩定的，而當其處于飽水狀態時，該邊坡是不穩定的，故針對該邊坡的治理主要采取疏排水措施，盡量保證邊坡為干邊坡狀態。

3 邊坡治理方案

通過前文的分析計算可知，所研究的區域邊坡安全系數均比較小，且已經發生過多處滑坡，為此，必須進行綜合治理。就地形條件而言，放緩邊坡是不太可能的，因此需要考慮加固，采用人工加固方法，以提高邊坡的穩定性，確保邊坡的安全。

3.1 抗滑樁作用機理

抗滑樁由于抗滑能力強、支擋效果好，一般被大量用于各類工程實際中。除此之外，抗滑樁還具有對滑體穩定性擾動小、施工安全的特點；樁坑可作為勘探井，驗證滑面位置和滑動方向，以便調整設計，使其更符合工程實際等優點，通常與預應力錨索搭配使用，有更好的效果。

抗滑樁是一種被動加固措施，其自身并不能主動提供抗滑推力，亦不能增加不連續面自身的抗滑力。其作用原理如下：當滑動體下滑時，抗滑樁將產生被動推力，阻止推動體的下滑，而抗滑樁承受的推力將通過樁基傳至滑面以下基巖。

根據抗滑樁的作用原理，抗滑樁所產生的抗滑能力大小直接與樁的強度有關。

3.2 加固力的確定

加固力是指人工加固措施所產生的力，即為了使邊坡達到人們所期望的安全系數，必須通過人工方法提供給邊坡的作用力。由此可以看出，必須選取合適的安全系數，才能確定加固力。加固力是加固措施設計的荷載依據，只有確定了加固力（即確定荷載），才可以進行加固措施的結構設計和強度校核，才能真正確保邊坡的安全。

為了確定加固力，針對不同安全系數，分別計算出所需的水平加固力，如表2所示。

表2 各個剖面所需的加固力 單位：kN/m

3.3 加固方案的初步選擇

由于各邊坡之各剖面所需的加固力不同，在進行加固治理時，應選取合適的措施。經初步分析，該邊坡加固措施建議如下。

當對該邊坡進行加固時，Ⅰ-Ⅰ'剖面區段由于所需加固力很大，應設置5排抗滑樁，從上向下依次設置高程約為280m、260m、240m、225m、180～190m，抗滑樁抗滑力均為4000kN/m。

對于Ⅱ-Ⅱ'剖面區段，應設置5排抗滑樁，從上向下依次設置高程約為280m、260m、240m、225m，抗滑樁抗滑力均為5000kN/m。

對于Ⅲ-Ⅲ'剖面區段，設置3排抗滑樁，設置高程約為260m、225m，抗滑力為5000kN/m。由于抗滑樁設計抗滑力較大，應采用預應力錨索+抗滑樁的加固形式，樁長約為 40～ 70m。

4 結論

（1）通過M-P條分法確定了該邊坡的安全系數，結果表明，在自然含水和飽水狀態下，安全系數均小于1，邊坡處在失穩狀態下，需要及時對邊坡進行治理，防止邊坡失穩。（2）通過M-P條分法計算出該3個剖面所需的加固力，為下一步支護設計提供了依據。（3）初步確定設計了預應力錨索+抗滑樁的加固形式，以防止邊坡失穩。