交通荷載對庫岸邊坡穩定性影響及支護研究

蔣仕云

（赫章縣平山鎮水利站,貴州 赫章 553208）

1 引言

作為最常見的地質災害之一的邊坡滑坡,對社會經濟更是對人類安全有嚴重危害。而庫岸邊坡由于地下水波動、降雨入滲等因素,更易導致災害的發生。我國作為地質環境脆弱的國家,因邊坡滑坡造成的經濟損失和人員傷害已十分嚴重。因此對邊坡穩定性安全必須引起重視。

因此,越來越多的學者降目光聚集在邊坡穩定性問題上,也因此取得了頗為豐碩的成果[1-3]。劉新榮等[4]基于水巖相互作用理論,通過理論的方法研究了機理,并通過大型三維有限元軟件對庫岸邊坡進行模型,深入討論了水巖相互作用對庫岸邊坡穩定的影響研究。柴波等[5]基于某實際庫岸邊坡工程,分析了紅層水巖作用特征,并利用數值手段分析了庫岸邊坡失穩的過程,總結了庫岸邊坡的變形規律和穩定性。薛星橋等[6]利用有限元軟件建立了三維模型研究了三峽庫區淌里滑坡變形特征,并對敏感參數進行了影響因素分析。劉祖強等[7]通過監測方法監測了三峽工程近壩庫岸滑坡變形,并結合試驗方法,總結了邊坡的變形規律。陳洪凱等[8]通過室內啟動模型試驗,研究了散體滑坡的規律。本文基于某水利工程庫區,研究了交通荷載對邊坡穩定性的影響,并提出了合理的支護措施。

2 工程概況

某水利工程庫區位于長江上游,干流庫長約120 km。經緯度坐標為東經107°52’22”~108°53’25”,北緯30°24’25”~31°14’58”。岸區邊坡頂部有一公路存在,庫區的生態環境、庫區水質、生物多樣性等都有影響。而且臨湖公路路堤邊坡,庫岸區復雜的水文環境對路堤邊坡的穩定性有著很大的影響。高速公路經過千島湖時,臨湖段路堤邊坡通過拋石填湖制造平臺,然后在上面堆填路基填料并壓實形成路堤邊坡,邊坡的一部分在水面以下。湖面水位漲落受季節性降雨影響較大。經過調查可知夏季水位高達108 m,冬季枯水期水位在98 m左右,水位漲落差達10 m。

2.1 地質條件

根據邊坡出露情況、野外鉆探以及工程地質調繪,參考本研究區域的地質資料,可知發生滑坡及塌滑區段廣泛分布在第四系上更新統坡積層（dlQ3）,下伏中震旦統陡山陀組（Z2d）和中震旦統燈影組（Z2dn）,現由老至新的順序簡要作如下敘述：

1）前第四系地層

中震旦統陡山陀組（Z2d）：巖性為灰巖,淺灰、灰色,中厚層狀構造,巖體破碎,由于研究區內該組地層埋深較大,未能量取到巖層產狀；僅在區外西側約0.15 km處的灰巖露頭處隱約可見灰巖的巖層產狀約150°∠50°。

中震旦統燈影組（Z2dn）：巖性為石英砂巖,灰白色,砂質結構,中厚層~厚層狀構造,致密堅硬。由于研究區內該組地層風化較劇烈,未能量取到巖層產狀；因此,同樣在區外南側、東側山腳切坡出露處測取到明顯的巖層產狀160°~165°∠45°~65°。

2）第四系地層

上更新統坡積層（dlQ3）：上部巖性為粉質粘土混碎塊石（根據碎塊石的大小及分布,該層土石比例變化較大）,棕紅色,可塑或中密；下部巖性為經紅土化作用形成,并經搬運過的高塑性次生紅粘土,棕紅~褐黃色,粘性一般較差,吸水后易崩解,偶夾少量粗石英顆粒或小塊體。

2.2 水文地質條件

本研究區地下水主要有松散層類孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶水三種類型。松散層類孔隙潛水主要埋藏于②層粉質粘土混碎塊石、③層粘土中,由于②層土體中碎塊石大小不一、混雜分布,土石粘結性差,結構偏松散,具有一定的透水性,在垂向上富水性差異大,含水量受土層的厚度和分布范圍控制,無～微承壓性,與地表水體聯系密切,而③層土體中粘粒含量高,透水性弱,富水性貧乏,形成一道隔水層,孔隙潛水主要由大氣降水補給。

3 深基坑的數值模型

3.1 有限元模型的建立

根據研究區鉆孔資料,以邊坡Ⅱ區的30 口鉆孔揭露的地層為依托建立計算模型,該模型的寬90 m（Y）、長180 m（X）、高50 m,所建立的模型見圖1。對X、Y方向設置水平向約束,對z方向的底部設置固定約束。在邊坡頂部設置移動簡寫荷載來模擬車輛荷載,激振頻率f=5 Hz,振幅F=200 kN,速度v=80 km/h。微型樁的支護范圍在反壓平臺之上,采用C30 現澆混凝土,混凝土密度為24 kN/m3,彈性模量3×107kPa,泊松比0.2；格構梁設置在2 級坡面上,框格梁采用C30 混凝土,密度24 kN/m3,彈性模量3×107kPa,泊松比為0.2,框格梁尺寸為0.4 m×0.4 m；錨兩級坡面上分別設置長度為6 m的鋼筋土釘,采每孔采用2 根直徑25 mm的HRB400 螺紋鋼,錨固體為純水泥, 彈性模量是3×107kPa,泊松比0.2。

圖1 模型示意圖

3.2 計算參數

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,并結合工程經驗進行賦值計算,考慮粘性土為不透水層,因此強風化巖和中風化巖的參數設置為固定不變值,土體參數見表1。其中中風化巖相對于邊坡坡體埋深較大,邊坡潛在滑裂面穿過該地層的可能性較小,因此將中風化泥巖設置為線彈性體。

表1 計算參數（碎塊石混粉質粘土24.5%含水率）

4 交通荷載對庫岸邊坡穩定性的影響

圖2 分別給出了有無交通荷載邊坡臨空向水平位移云圖。如圖2（a）所示,當無交通荷載作用時,邊坡臨空方向水平位移僅發生在第二級坡面的位置,在距離坡腳5 m右側范圍內呈現出帶狀分布的特征,即在高5 m、長20 m范圍內有位移發生,邊坡坡體此時尚未出現連貫于坡面的水平變形區域,僅僅為局部失穩狀態坡體水平位移最大值為1.1 cm。如圖2（b）所示,當有交通荷載作用時,邊坡臨空向水平位移有向坡體中心擴伸的趨勢,在坡體的右半側整體發生了近1.4 m的水平向位移,坡體左側僅在距離坡腳1 m范圍內出現近似帶狀分布位移出現。此時坡體2/3 范圍出現了較大的水平變形,水平變形區域較無交通荷載工況有較大擴大,坡體水平位移最大值為3 cm。可見,交通荷載作用對邊坡的變形有顯著影響。

圖2 邊坡臨空向水平位移云圖

圖3分別給出了有無交通荷載邊坡豎向位移云圖。豎向位移因交通荷載作用的變化趨勢與臨空向水平位移變化趨勢相似。如圖3（a）所示,當無交通荷載作用時,邊坡豎向位移僅發生在坡腳位置,在距離坡腳5 m左側范圍內呈現出帶狀分布的特征,即在高5 m、長25 m范圍內有位移發生。坡體豎向平位移最大值為0.6 cm。如圖3（b）所示,當有交通荷載作用時,邊坡豎向位移有向坡體中心擴伸的趨勢,在坡體的右半側整體發生了近1 m的豎向位移,坡體左側僅在距離坡腳1m范圍內出現近似帶狀分布位移出現。坡體豎向平位移最大值為1.6 cm。且基于有限元強度折減法計算得到該邊坡在無交通荷載作用時的穩定性安全系數為1.16,邊坡整體處于穩定狀態；在交通荷載作用時的穩定性安全系數為1.01,邊坡整體處于欠穩定狀態。因此,有必要采取支護措施提升庫岸邊坡的穩定性。

圖3 邊坡豎向位移云圖

5 庫岸邊坡支護措施研究

圖4 給出了聯合支護下作用有交通荷載的邊坡的變形云圖。從圖4 中可以看到,聯合支護后邊坡的臨空方向的水平位移減小的非常明顯,僅為1.3 cm,對比無支護措施下的邊坡臨空向的水平位移可以看到,其反壓后位移減小了近60%。豎向位移則僅為0.7 cm,對比臨時反壓的邊坡豎向位移可以看到,其反壓后位移減小了約55%。其水平位移和豎向位移的影響深度僅分布在2 級坡面范圍內,未形成塑性貫通區域。可見,聯合支護措施有效控制了邊坡的變形。

圖4 邊坡變形云圖

圖5 給出了聯合支護前后邊坡的塑性分布對比圖。圖5（a）是未采取支護措施時邊坡的塑性分布圖,其塑性分布區域貫穿整個坡面。塑性分布區域最大厚度為5 m,分布在坡頂位置,塑性分布區輪廓呈現折線型。圖5（b）是采取支護措施時邊坡的塑性區云圖。從圖中可見看到,坡體的塑性區范圍相對未支護前有顯著區別,塑性分布區域較圖5（a）分布縮小幅度較大,塑性區分布最大厚度為1.7 m的淺層分布,塑性分布區域占據第一級放坡坡面4/5 范圍,尚未形成貫通塑性區。且基于有限元強度折減法計算得到當邊坡采取聯合支護后,即使作用有交通荷載,其穩定性安全系數為1.21 邊坡整體處于穩定狀態。

圖5 支護結構變形云圖

圖6 給出了支護結構內力云圖。從圖可見,微型樁最大水平變形為31 mm、土釘最大變形為23 mm；格構梁支護坡面變形僅為24 mm,支護后邊坡整體變形量較小,滿足一般對邊坡設計的4 cm水平位移要求（《建筑基坑工程監測技術規范》 （GB 50497-2009）規定：基坑監測報警值為4 cm）。

6 結論

本文以某庫區邊坡為例,通過大型三維有限元軟件進行模擬,得出了交通荷載作用下庫岸邊坡的變形規律和穩定性。通過對比,研究聯合支護方式的支護效果并進行綜合評價。得到以下結論：

（1）交通荷載的作用對庫岸邊坡的變形和穩定性有顯著的影響。交通荷載致使邊坡變形顯著增大、滑移范圍也擴大,同時穩定性也下降。庫岸邊坡由穩定狀態變為欠穩定狀態。

（2）聯合支護方式能有限控制邊坡的變形,顯著減小滑坡風險。庫岸邊坡穩定性安全系數提升至1.21,邊坡整體處于穩定狀態。