某水庫(kù)公路邊坡強(qiáng)度參數(shù)反演及其穩(wěn)定性分析

代朝科 西寧市大通回族土族自治縣水利局

李生暉 李海慧 青海經(jīng)緯水利水電設(shè)計(jì)有限公司

1.引言

邊坡失穩(wěn)破壞造成的影響在公路施工、房屋建設(shè)等工程中越來越顯著，邊坡穩(wěn)定性分析已成為工程地質(zhì)領(lǐng)域中研究的重要內(nèi)容。邊坡穩(wěn)定性分析中極限平衡法是建立在（剛體）極限狀態(tài)時(shí)的靜力基礎(chǔ)上，分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)來評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。由于極限平衡法可以給出物理意義明確的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)以及可能的破壞面，且力學(xué)模型簡(jiǎn)單而得到廣泛應(yīng)用。常用的極限平衡分析的主要方法有:Fellenius法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、Spencer法、Sarma法、平面直線法、推力傳遞系數(shù)法等。本文基于庫(kù)岸公路邊坡的工程地質(zhì)條件，通過Geostudio 軟件的SEEP/W模塊及SLOPE/W模塊建立計(jì)算模型，進(jìn)行邊坡參數(shù)反演確定出合理的強(qiáng)度參數(shù)，分析天然、暴雨、地震和庫(kù)水位升降工況下邊坡穩(wěn)定性。

2.工程概況

2.1 地形地貌

該段公路路段位于我國(guó)西南部某大型水庫(kù)庫(kù)岸沿線，地形地貌上總體為東、西側(cè)為砂巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖構(gòu)成的凸起的山脊，中間向北向傾斜，地形稍緩呈槽狀，目前形成陡坎地形（圖1）。后緣高程約187～189m，寬8m，前緣高程在161～162m之間，寬40m，其縱向長(zhǎng)約48m，呈扇形分布在斜坡上。后緣縱向長(zhǎng)約30m，深入公路路面下，主要在原崩坡積體上碾壓修建公路而成。

圖1 庫(kù)岸公路邊坡工程地質(zhì)平面簡(jiǎn)圖

2.2 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

該段庫(kù)岸為巖土組合岸坡，岸坡坡體主要為碎塊石土，土石比約為1：1，滑移面附近粘粒含量較高，土石比可達(dá)1.5：1，主要為崩坡積物。后期建設(shè)公路亦在此基礎(chǔ)上整平形成，該層厚度大約9.3～15.3m，呈后緣淺，前中緣厚的特點(diǎn)。坡面坡度為30°～40°，平均坡度32°左右，地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 1-1`地質(zhì)剖面圖

2.3 邊坡破壞模式分析

公路邊坡破壞模式大致可以概括為三類：滑動(dòng)型、落石型、流動(dòng)型坍塌。該岸坡段主要存在三方面的不利地質(zhì)因素。

（1）水庫(kù)水位漲落的原因。主要受庫(kù)區(qū)水位及其升降的影響：當(dāng)庫(kù)水位最高時(shí)，斜坡坡腳部分碎塊石土受到水浸泡作用，其力學(xué)強(qiáng)度會(huì)降低，導(dǎo)致坡腳產(chǎn)生變形位移；當(dāng)庫(kù)水位下降過程中，造成坡腳巖土體產(chǎn)生動(dòng)水壓力，也會(huì)導(dǎo)致坡腳甚至整體產(chǎn)生變形位移。

（2）地形因素。該路段所在斜坡為橫向結(jié)構(gòu),路段自然斜坡坡度30°～40°，具有較大的坡度，公路開挖后加大了斜坡坡度，造成斜坡更不穩(wěn)定。

（3）組成物質(zhì)因素。該路段斜坡的組成物質(zhì)分軟硬兩層，上部軟層為崩塌的碎塊石土，下部基巖為砂巖夾粉砂質(zhì)頁(yè)巖。頁(yè)巖具有力學(xué)及抗剪強(qiáng)度低、易風(fēng)化、易變形等特點(diǎn)，易造成滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

3.邊坡參數(shù)反演及穩(wěn)定性分析

3.1 反演思路

采用GeoStudio軟件建模計(jì)算時(shí)，參數(shù)反演中該公路邊坡的碎石土塊土層發(fā)生滑動(dòng)的可能性比較大，所以將碎石土塊土層做為主要滑動(dòng)層來進(jìn)行參數(shù)的反演計(jì)算。因?yàn)樵撨吰碌墓こ痰刭|(zhì)條件及水文地質(zhì)條件等因素，本文對(duì)天然工況進(jìn)行參數(shù)反演計(jì)算。反演時(shí)，通過以c、φ建議值為中心，向兩邊擴(kuò)展，多取幾組值，計(jì)算出不同參數(shù)下的邊坡安全系數(shù)。通過數(shù)值模擬的方法，可以將c、φ值的線性關(guān)系表達(dá)出來，再選擇一組較為合理的參數(shù)作為本次計(jì)算的初始參數(shù)。

3.2 反演條件

該段庫(kù)岸坍塌治理工程的研究對(duì)象主要為岸坡坡體的覆蓋層碎塊石土，計(jì)算選取1-1`剖面進(jìn)行參數(shù)反演分析，剖面如圖2所示。根據(jù)地質(zhì)資料提供的堆積體邊坡的初始力學(xué)參數(shù)，該段塌岸邊坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)建議值表如表1。

表1 邊坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)建議值表

3.3 二維極限平衡力學(xué)模型及反演過程

該邊坡需要通過反演1-1'剖面在天然工況下的安全系數(shù)來確定岸坡覆蓋層（碎塊石土）的力學(xué)計(jì)算參數(shù)，1-1'剖面的計(jì)算模型如圖3所示。利用GeoStudio軟件基于極限平衡理論對(duì)1-1'剖面覆蓋層的參數(shù)進(jìn)行反演，統(tǒng)計(jì)出不同φ值下的安全系數(shù)K與摩擦角c的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖3 1-1'剖面計(jì)算模型圖

圖4 1-1'剖面K-c關(guān)系曲線

3.4 反演結(jié)果

根據(jù)上一步利用GeoStudio軟件基于極限平衡理論對(duì)1-1'剖面覆蓋層的參數(shù)反演結(jié)果所繪制的K-c關(guān)系曲線，通過計(jì)算關(guān)系曲線與其相對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)的交點(diǎn)，可以得出臨界情況下（K=1.05）不同φ值情況下所對(duì)應(yīng)的c值，表2為其反演結(jié)果。

表2 1-1'剖面反演：K=1.05（天然工況）

根據(jù)以上表格的數(shù)據(jù)并結(jié)合地質(zhì)資料，選取1-1'剖面的最危險(xiǎn)滑帶反演參數(shù)，將反演結(jié)果進(jìn)行分析并選取合適的力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 變形體反演參數(shù)結(jié)果

3.5 穩(wěn)定性計(jì)算及分析

根據(jù)工程地質(zhì)資料、現(xiàn)場(chǎng)勘查及當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境考慮了四種工況（天然工況、天然暴雨工況、天然地震工況、庫(kù)水位升降工況），并計(jì)算這四種工況對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)。使用GeoStudio軟件對(duì)1-1'剖面四種計(jì)算工況進(jìn)行模擬，并分別計(jì)算出自動(dòng)搜索滑帶和指定滑帶的安全系數(shù)。按樞紐區(qū)邊坡和庫(kù)區(qū)邊坡，分別將1-1'剖面各工況的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，結(jié)果如表4所示。

表4 不同工況下邊坡安全系數(shù)

天然工況屬于持久工況，天然暴雨工況和庫(kù)水位升降工況屬于短暫工況，地震工況屬于偶然工況。取規(guī)范中相應(yīng)工況中安全系數(shù)下限值進(jìn)行比較，可以得出結(jié)論：該邊坡1-1'剖面各工況計(jì)算得出的安全系數(shù)較低，1-1'剖面中搜索滑帶和指定滑帶在天然工況、暴雨工況、地震工況三種工況下安全系數(shù)均達(dá)不到規(guī)范要求值，說明該邊坡存在局部欠穩(wěn)定現(xiàn)象。

4.結(jié)論

本文通過使用GeoStudio軟件，使用極限平衡理論對(duì)該公路邊坡的1-1'剖面進(jìn)行了參數(shù)反演，確定了邊坡在天然工況下的穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)（c=25kPa，φ=14.7°），使用參數(shù)反演得到的參數(shù)值來計(jì)算邊坡在天然工況、暴雨工況、地震工況、庫(kù)水位下降四種工況下的安全系數(shù)。通過在這幾種工況下對(duì)剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)該邊坡在不進(jìn)行任何加固措施處理時(shí)，在自然狀態(tài)下遇到暴雨或地震，非常容易發(fā)生滑坡，穩(wěn)定性比較差。結(jié)合該段庫(kù)岸的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和塌岸型式，建議該庫(kù)岸段應(yīng)采用抗滑樁和臨時(shí)擋土板組合作為防護(hù)措施。此方案能夠提供較大的側(cè)向阻力，支擋滑體的滑動(dòng)力從而整治變形體的穩(wěn)定性起到穩(wěn)定邊坡的作用。