降雨引起的庫區(qū)邊坡滑坡分析及支護研究

張澤宇

（山西省水文水資源勘測總站， 太原 030001）

眾多科研工作者對邊坡穩(wěn)定性問題做了一些系列研究，并取得了豐碩的科研成果［1-3］。吳江鵬等［4］基于某實際邊坡工程，利用有限元軟件建立三維模型，分析了天然邊坡的變形及穩(wěn)定性。 進一步對降雨條件下的邊坡進行分析， 獲得了降雨作用下土質邊坡變形破壞機理。周翠英等［5］利用有限元軟件對邊坡工程進行數(shù)值模擬， 分析了邊坡變形的過程， 總結了變形規(guī)律。 吳順川等［6］基于廣義Hoek-Brown 準則，利用數(shù)值手段， 以位移和應力作為指標， 對邊坡穩(wěn)定性進行分析。 曾亞武等［7］通過極限平衡法對邊坡穩(wěn)定性進行分析，并結合有限元數(shù)值手段，對邊坡的位移和應力進行分析，總結了邊坡的變形規(guī)律。 郭愛國［6］基于某邊坡工程，利用數(shù)值模擬手段，研究了微型樁支護在邊坡工程中的應用。 本文基于某庫岸邊坡工程，對降雨作用下邊坡變形和穩(wěn)定性進行分析，并綜合評價抗滑樁支護效果。本工程所得結論對于今后類似工程具有重要的參考和借鑒價值。

1 工程概況

某水利工程庫區(qū)位于長江上游， 干流庫長約120km。

1.1 地質條件

庫區(qū)第四紀地層齊全，巖性復雜多樣，且第四系至中元古界地層均有分布， 其中以古生界和侏羅系火山巖分布最為廣泛。 而其境內侵入巖發(fā)育較為一般，主要為晉寧期和燕山期侵入巖。 其中，晉寧期侵入巖分布于常綠鎮(zhèn)南， 其圍巖主要為元古界地層，出露總面積約12.82km2，巖性有輝綠玢巖、鉀長花崗巖和花崗斑巖等。 巖性有花崗閃長斑巖、花崗斑巖、石英正長斑巖、流紋斑巖、石英霏細斑巖和輝綠玢巖等。

1.2 水文條件

據(jù)該地區(qū)氣象站多年氣象資料統(tǒng)計， 區(qū)內雨量充沛，雨季多集中在3—9月，暴雨和大雨主要集中在6—9月。 6月為一年中降水量最多的月份， 平均235.57mm， 最多為568mm （1999年）， 最少為90mm（1967年）。 降雨量與地質災害發(fā)生數(shù)量情況往往呈現(xiàn)正向趨勢，隨著降雨量的不斷增大，地質災害發(fā)生頻率隨之增大， 這也充分說明了降雨是本研究區(qū)滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素之一。

2 深基坑的數(shù)值模型

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)研究區(qū)勘察資料，以勘察鉆孔ZL01～ZL08的8口鉆孔揭露地層為依托建立計算模型，該模型的寬150m（Y）、長70m（X）、最高100m、最低55m，所建立的模型如圖1。 對X、Y方向設置水平向的約束，對Z方向的底部設置固定約束。

圖1 模型示意圖

2.2 計算參數(shù)

參考該人工邊坡的勘察報告所提供的巖土體物理力學參數(shù)，并結合工程經驗進行賦值計算。所選擇的天然工況（即碎塊石混粉質黏土含水率24.5%）計算參數(shù)如表1， 飽和狀態(tài) （碎塊石混粉質黏土38.5%含水率）參數(shù)的力學參數(shù)指標如表2。 為了探討降雨過程碎塊石粉質黏土含水率的變化對邊坡穩(wěn)定性的影響，亦考慮含水率30%的工況，計算參數(shù)如表3。

表1 計算參數(shù)（碎塊石混粉質黏土24.5%含水率）

表2 計算參數(shù)（碎塊石混粉質黏土38.5%含水率）

表3 計算參數(shù)（碎塊石混粉質黏土30%含水率）

3 含水率對邊坡穩(wěn)定性的影響

通過對不同土體含水率的影響分析， 來研究降雨過程中邊坡的穩(wěn)定性。 不同含水率狀態(tài)邊坡水平位移、豎向位移云圖如圖2。 從圖2可見，碎塊石混粉質粘土的含水率明顯控制了邊坡的水平變形， 天然狀態(tài)下水平位移主要發(fā)生在距坡頂30～80m范圍內，水平位移最大為-4.7cm。 當碎塊石混粉質黏土含水率為38.5%時（即接近飽和狀態(tài)時），最大水平約為-7.5cm，約為天然工況下的1.6倍。 可見土體飽和工況下，邊坡位移顯著增大，說明邊坡強度儲備不足，邊坡穩(wěn)定性顯著降低。 這是因為碎塊石混粉質黏土遇水強度弱化。同時，隨著碎塊石混粉質黏土天然含水率的增加，邊坡豎向位移亦在逐漸增加。當碎塊石混粉質黏土含水率為24.5%時（即天然工況），邊坡豎向位移主要發(fā)生在邊坡下半部分， 該部分豎向位移向上，最大位移為4.5cm。 由于邊坡土體自重，邊坡上半部分土體豎向位移向下， 量值由坡表向坡內逐漸減小。進一步說明了天然工況下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。當碎塊石混粉質黏土含水率為38.5%時（即暴雨工況），邊坡豎向位移發(fā)生的范圍逐漸擴大， 且豎向位移顯著增大。 最大豎向位移約為8.1cm， 約為含水率15%時的1.8倍。

圖2 不同含水率下邊坡位移云圖

但是碎塊石混粉質黏土的含水率變化并未影響邊坡整體的變形特征，即坡體水平和豎向位移的量值在一定程度上反映出該邊坡的現(xiàn)狀變形特征，現(xiàn)狀邊坡的前緣與邊坡中部的位移比較大， 在距離坡頂約80m范圍內土體的水平位移呈現(xiàn)遠離邊坡的趨勢。

不同含水率下邊坡位移增量云圖如圖3。 從圖3可以很明顯地確定出邊坡潛在滑動面的位置，即邊坡發(fā)生滑動破壞的剪切帶或位移突變的地方。 邊坡碎塊石混粉質黏土在低含水率狀態(tài)下 （含水率24.5%～30%）， 邊坡潛在滑動面自開挖坡頂后方一定距離處剪入，以接近較大半徑圓弧的形狀斜向下延伸，并從邊坡中部的開挖臺階處剪出，滑坡體厚度不大， 滑體主要為上覆的碎塊石混粉質黏土，滑帶為強風化泥巖層。 但是隨著碎塊石混粉質黏土含水率的增加， 邊坡的潛在滑動面的范圍逐漸增加，在橫向、縱向兩個方向均有擴展，具體來說：當碎塊石混粉質黏土含水率達到飽和狀態(tài)時，邊坡的潛在滑動面自坡頂后方一定距離處剪入，最遠距離已達到模型邊界，該范圍距離邊坡開挖后緣大于50m。并以接近較大半徑圓弧的形狀斜向下延伸，并從邊坡中部的開挖臺階處剪出，滑坡體厚度較大，此時滑體并不是以上覆的碎塊石混粉質黏土為主，而是向坡體內部即向下方伸延，延伸深度超過50m，轉而有形成大型滑坡的風險。 同時，從圖中可見另一個較為明顯的破壞跡象，在邊坡開挖平臺的下方有小范圍的潛在滑動風險，在開挖平臺的后緣滑入，在平臺下的坡腳滑出。 當含水率為24.5%，30%，38.5%時，邊坡安全系數(shù)為1.16，0.98，0.58，可見含水率的增加導致邊坡安全系數(shù)急劇下降，暴雨后飽和土體工況的邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要對邊坡進行加固處理。

圖3 不同含水率下邊坡位移增量云圖

4 庫岸邊坡支護措施研究

本節(jié)基于降雨后土體飽和狀態(tài)下的工況， 采取抗滑樁支護。抗滑樁布置如圖2，B型抗滑樁錨固長度為15m，設計樁長為42m，截面積為2×3m2，水平間距為5m；E型抗滑樁錨固長度為15m，設計樁長為31m，截面積為2.5×3.5m2， 水平間距為5m；I型抗滑樁錨固長度為15m，設計樁長為34m，截面積為3×4m2，水平間距為5m。

圖4給出了抗滑樁支護下的邊坡水平和豎向位移圖。 從圖4可看出，坡體水平和豎向位移主要集中前緣與邊坡中部的位置。 由于抗滑樁支護結構的存在，抗滑樁兩側的坡體水平位移呈現(xiàn)出相反的趨勢。由于抗滑樁兩側坡體的自重， 兩側坡體的豎向位移向下，對抗滑樁內部土體產生擠壓，導致抗滑樁內部土體位移向上隆起。 還可以看出， 由于抗滑樁的支護，坡體最大水平位移約為1.3cm，較未支護時的最大水平位移減小了80%， 坡體最大豎向位移約為2.5cm， 較未支護時的最大水平位移減小了70%。 可見，抗滑樁支護結構的效果還是顯而易見的。

圖4 抗滑樁支護下邊坡位移云圖

圖5給出了抗滑樁支護下的邊坡位移增量云圖。從圖5可明顯地確定出抗滑樁支護結構下的邊坡潛在滑動面的位置。邊坡潛在滑動面從距坡頂10m處剪入， 以圓弧的形狀斜向下延伸， 并且從邊坡中部剪出。對比未支護時暴雨工況下的邊坡位移增量云圖，可以看出，由于抗滑樁的存在，邊坡的潛在滑動面的范圍和滑坡體的厚度顯著減小， 并且邊坡中開挖平臺下方土體的也再不存在滑動風險。同時，基于有限元強度折減法計算得到該邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.32，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 抗滑樁支護下邊坡位移增量云圖

綜上所述， 抗滑樁支護結構雖能顯著減小邊坡的變形，提升邊坡的穩(wěn)定性。 在降雨條件下，穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.32，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結語

本文基于某庫區(qū)邊坡工程，利用PLAXIS3D有限元軟件進行分析， 獲得了降雨條件下庫岸邊坡的變形規(guī)律和穩(wěn)定性。 對比了不同含水率時邊坡的變形差異，并對抗滑樁支護效果進行了綜合評價。得到以下結論：

（1）隨著含水率的增大，邊坡變形顯著增大、滑移范圍擴大，同時邊坡安全系數(shù)急劇下降。暴雨工況下，邊坡安全系數(shù)僅為0.58，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）抗滑樁支護結構雖能顯著控制邊坡的變形，暴雨工況下，庫岸邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.32，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。 說明抗滑樁支護結構能顯著提升該庫岸邊坡的整體穩(wěn)定性。