旬陽水電站魚類增殖放流站土質邊坡穩定分析

師志剛，張 萌，譚紅強，盧軍民，李 鞏，何竹葉

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

1 引言

邊坡穩定是巖土工程中的重要評價指標，邊坡土體失穩下滑引起的坍塌破壞，將極大的威脅施工及周邊建筑物的安全[1]。在進行邊坡穩定分析計算時，常用的粘性土、混合土和均質堆積體的計算方法有瑞典圓弧法、簡化畢肖普法等，瑞典條分法由于計算簡單且計算結果偏于保守，因此多用于工程實踐。本文就邊坡實例，利用計算圓弧滑面，采用下限解法做穩定分析，采用簡化畢肖普法求解最危險滑面及相應安全系數[2-4]。

2 工程概況

旬陽水電站，該水電站工程等別為Ⅱ等，工程規模為大(2)型，永久性主要建筑物為2級，次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級。旬陽水電站壩址處地震烈度為Ⅵ度，地震設計烈度采用6度。工程區位于漢江Ⅱ級基座階地上，勘察深度范圍內揭示的地層主要為第四系上更新統(Q3)堆積物，主要分為4層：①人工堆積物；②粉質黏土；③粉砂；④砂礫石。下伏基巖為志留系下統(S1)炭質石英絹云母千枚巖。旬陽水電站業主營地現狀土質邊坡由于改變使用功能，由業主營地變為魚類增殖放流站，邊坡等級變更為A類Ⅱ級，需對邊坡各部位(圖1)現有開挖形象下的邊坡穩定安全系數進行計算[5]。

圖1 魚類增殖放流站330 m及308 m平臺相關邊坡地形圖及1-1～4-4各剖面位置圖

圖1中：1-1剖面主要涉及330 m平臺后坡，293 m～330 m之間的開挖邊坡；2-2剖面主要涉及308 m平臺以上邊坡，308 m平臺以下邊坡；3-3剖面主要涉及293 m平臺下伏邊坡；4-4剖面主要涉及330平臺后坡，293 m～330 m之間的開挖邊坡。

3 理論與方法

3.1 理論方法

所選分析斷面土層材質接近粘土層和粉質粘土層，可認為滑動破壞按弧面型滑動，由于該地夏季多雷暴雨，在采用有效應力法進行分析時，應考慮強降水因素[6]。邊坡穩定分析計算采用有效應力法，滑面上的抗剪強度應力按下式確定[2]：

τf=c′+σ′tanφ′

(1)

式中：σ′為滑面上的有效法向應力；c′、φ′為土體的有效應力抗剪強度指標。

采用簡化畢肖普法進行邊坡穩定安全系數計算：

(2)

式中：Wi為第i滑動條塊自重；Qi、Vi為分別作用在第i滑動條塊上的外力(包括地震力、錨索和錨樁的加固力和表面荷載)在水平向和垂直向分力；ui為第i滑動條塊底面的孔隙壓力；αi為第i滑動條塊底滑面的傾角；bi為第i滑動條塊寬度；c′、φ′為第i滑動條塊底面的有效凝聚力和內摩擦角；MQi為第i滑動條塊水平向外力Qi對圓心的力矩；R為圓弧半徑；K為安全系數。

3.2 計算工況

在研究中，邊坡所受外部荷載主要為岸邊外水壓力、地下水壓力及地震應力，主要考慮以下兩類作用力組合[2]：

(1)基本組合：自重+岸邊外水壓力+地下水壓力+加固力。

(2)偶然組合：基本組合+地震作用。

本工程所處地區建筑抗震設防烈度為6度，可不考慮地震偶然設計工況，主要按照以下兩種設計工況進行計算[2]：

(1)持久設計工況：主要為邊坡正常運行工況，此時采用基本組合設計。

(2)短暫設計工況：本工程主要考慮施工期暴雨或久雨工況，采用孔壓系數法，孔壓系數按0.1考慮。

對于降雨的計算工況，本研究區域位置均在天然地下水位以上，采用孔壓系數來考慮降雨對邊坡穩定的影響[6-7]。孔隙水壓力根據浸潤線的位置按簡化原則確定，假定流場的等勢線鉛直，則A點承受的孔隙水壓力為u=rwh(圖2)。則A點的孔隙水壓力系數定義為該點的孔隙水壓力與相應該點滑裂面以上巖柱重量(rH)的比值。具體公式見式(3)和式(4)：

圖2 孔隙水壓力計算示意圖

u=rwh

(3)

(4)

式中：u為A點所承受的孔隙水壓力；rw為水容重；r為巖石容重；h為A點的水頭高度；H為A點對應的巖石條塊高度；ru為孔隙水壓力系數。

若設定孔隙水壓力系數為0.05，且土的容重一般為2.0 g/cm3，則根據式(4)，與的比值為0.1，也即假定在連續降雨的條件下，邊坡內的水不能及時排出，潛在滑裂面以上浸潤線的高度約為相應土柱高度的10%。若設定孔隙水壓力系數為0.1，則潛在滑裂面以上浸潤線的高度約為相應土柱高度的20%[1，8]。

3.3 計算參數

該魚類增殖放流站308 m及330 m平臺后邊坡當前處于穩定狀態，場地穩定性較好，但在降水或地下水作用下，可能使其成為潛在的滑動面。根據地質專業人員現場查勘分析，剖面1-1～4-4各巖(土)層用于計算的地質參數見表1。

表1 巖(土)層材料參數表

4 計算結果

采用中國水利水電科學研究院巖土工程研究所陳祖煜等研發的“土質邊坡穩定分析STAB Version2018”軟件對典型剖面1-1～4-4進行邊坡穩定分析，分析結果見圖3～圖6；各工況條件下，旬陽水電站魚類增殖放流站330 m平臺及308 m平臺相關邊坡穩定安全系數計算得出的結果見表2。

表2 邊坡穩定安全系數計算結果

圖3 1-1剖面持久工況、短暫工況邊坡穩定安全系數計算結果示意圖

圖4 2-2剖面持久工況、短暫工況邊坡穩定安全系數計算結果示意圖

圖5 3-3剖面持久工況、短暫工況邊坡穩定安全系數計算結果示意圖

圖6 4-4剖面持久工況、短暫工況邊坡穩定安全系數計算結果示意圖

由于1-1剖面主要涉及330 m平臺后坡、293 m～330 m之間的邊坡，因此，圖3分別給出了330 m平臺后坡、293 m～330 m之間的邊坡穩定安全系數計算結果。持久工況下，1-1剖面330 m平臺后坡、293 m～330 m之間的邊坡穩定安全系數計算值分別是1.369、1.407，將最危險滑面的計算值1.369作為1-1剖面的邊坡安全系數計算結果列入表2；短暫工況下，1-1剖面330 m平臺后坡、293 m～330 m之間的邊坡穩定安全系數計算值分別是1.236、1.388，將最危險滑面的計算值1.236作為1-1剖面的邊坡安全系數計算結果列入表2。同理，分別結合圖4、圖6計算結果，將最危險滑面的計算值作為2-2、4-4剖面的邊坡安全系數計算結果列入表2。3-3剖面主要僅涉及293 m平臺下伏邊坡，故可直接計算293 m平臺下伏邊坡最危險滑面的邊坡安全系數，并將計算結果列入表2。

5 結論

結合現場實際調研情況和計算結果，可以得出以下結論：(1)持久工況和短暫工況條件下， 魚類增殖放流站330 m平臺

及308 m平臺相關邊坡穩定安全系數均滿足A類Ⅱ級邊坡允許最小安全系數的要求[2]。(2)剖面4-4邊坡安全系數計算值最小，穩定性最差，現場調研發現該剖面所在邊坡坡度較大，日常管理中應盡量削坡，以增強邊坡穩定性，并及時進行邊坡監測，對于有安全隱患的部位做到早發現、早預防、早處理。(3)為增強土質邊坡穩定性，建議采取一定的工程防護措施，如植物防護、干砌石護坡、漿砌石護坡、修建擋土墻等[9-10]。(4)建議合理設置邊坡各級排水溝，特別是雨季應增加監測頻率，疏通各級排水溝，以免邊坡因排水措施不力導致雨水滲流至邊坡土層中，使土體濕化，土體自重加大，增加土體中的剪應力，造成土質疏松、水土流失等，影響其穩定性[11-12]。(5)該魚類增殖站土質邊坡若進行削坡處理，建議合理安排開挖進度，避免開挖后暴露時間過長，風化導致土體松散，影響邊坡穩定[11]。(6)STAB軟件是以極限平衡理論為基礎的，并未考慮材料本身應力-應變關系，有待進一步研究[13]。