某水利樞紐施工導流邊坡不同開挖方式穩定性分析

曾朋偉

(廣東粵水電韓江水利開發有限公司，廣東 梅州 514000)

水利、交通、市政工程建設過程中，經常需要對天然斜坡進行開挖，開挖擾動造成天然斜坡穩定性發生變化，將對工程建筑物的安全使用造成嚴重的影響[1]。不同的開挖方案對邊坡穩定性將產生不同的影響，準確地評價邊坡穩定性對于工程建設具有十分重要的意義。穆成林等[2]結合黔西層狀邊坡工程特征，提出了“巖體結構-未確知測度理論”開挖邊坡穩定性快速評價方法；馬淑芝等[3]采用SARMR法計算開挖對邊坡的穩定性的影響，認為開挖造成廈沙高速某段邊坡穩定性系數下降；贠永峰等[4]使用ADINA軟件，建立數值模擬模型分析開挖邊坡穩定性，認為邊坡存在軟層時，易在軟層處形成應力集中；馬洪生等[5]采用物理模擬實驗研究巖質邊坡開挖變形特征，通過監測儀器獲取邊坡卸荷區。通過前人研究可知，開挖邊坡穩定性的研究方法主要包括：數值模擬[6- 10]、物理模擬[11- 12]、理論計算[13- 14]等。本文采用底摩擦物理模擬實驗分析韓江高陂水利樞紐一期導流工程開挖邊坡穩定性，并提出相應的支護措施建議。

1 工程概況

韓江高陂水利樞紐工程為Ⅱ等大(2)型工程，位于韓江干流，主要承擔防洪、供水的作用。一期導流右岸河床擴挖及廠房尾水渠擴挖的底邊線至現有岸邊臺地的距離為20～70m，5年一遇洪水對應河床處水位為31.5m，洪水位上土石方開挖不受韓江水位影響。31.5m高程以下開挖可以在開挖范圍的外側32.0m高程預留一土埂攔擋韓江水。

2 物理模型實驗

2.1 底摩擦實驗及相似比確定

2.1.1底摩擦實驗

底摩擦實驗是一種常用的物理模型試驗，在巖土工程領域極為常用，采用底摩擦實驗可以直接觀察開挖邊坡的變形破壞過程，可為開挖邊坡治理措施設計提供參考。底摩擦實驗的基本原理如下：當實驗模型足夠薄時，利用橡皮帶與模型之間的摩擦力模擬重力作用，從而研究原型邊坡在重力作用下的實際變形特征。

底摩擦試驗主要步驟如下：

(1)在試驗開始前首先需要完成底摩擦試驗儀的自檢，保證儀器的運轉平穩，并可隨時控制儀器的啟動和停止。

(2)根據試驗材料配比，將配制好的材料均勻平鋪在底摩擦試驗儀的橡皮帶上，需要保證材料的均勻性，壓實后，打開底摩擦試驗儀進行模型的預壓密。

(3)按照開挖需要對模型進行開挖，打開底摩擦試驗儀開始進行試驗，使用相機記錄模型變形過程。

2.1.2相似比確定

相似比是原型與模型之間相同量綱物理量的比值。Cl、Cγ、Cu、Cσ、CσC、Cσt、Cε、CE、CC、Cφ、Cμ、C分別為線性、容重、位移、應力、抗壓強度、抗拉強度、應變、彈性模量、內聚力、摩擦角、泊松比、摩擦系數相似比。

根據相似原理、彈性力學可知相似判據為：Cσ=CE=CC=CσC=Cσt；Cu=Cl；Cσ=CγCl；Cφ=C=Cε=Cμ=1。根據邊坡和底摩擦儀尺寸確定線性相似比為Cl=100，容重比為Cγ=1.5，因此，Cσ=CE=CC=CσC=Cσt=150，Cu=Cl=100。

2.2 實驗材料配比

開挖邊坡為一巖質邊坡，局部含有薄層軟弱夾層，根據茍水泉[11]研究結果，使用錫箔紙表示軟弱夾層，使用不同質量配比的石英砂、重晶石、石蠟油作為巖體的相似材料。通過對比分析，確定巖體相似材料質量配比見表1。

表1 巖體相似材料質量配比

2.3 實驗模型設計

現場邊坡最大高度為54m，根據相似比確定實驗模型高度為54.0cm，擬采用兩種開挖方案，方案一采用5級開挖的方式，從上至下各級開挖高度依次為4.0、10.0、10.0、10.0、20.0m，其中第1、2級開挖坡比為1∶1.25，第4、5級開挖坡比為1∶0.5，第3級上部分開挖坡比為1∶1.25，下部開挖坡比為1∶0.5，第1—2、2—3、3—4級中間平臺寬度為2.0m，第5級坡頂為一公路，寬為15m，根據方案一建立的底摩擦物理模型如圖1(a)所示。方案二采用3級開挖，從上至下開挖高度依次為19.0、15.0、20.0，開挖坡比依次為1∶1.25、1∶0.5、1∶0.5；其中第3級設計與方案一第5級一樣，頂寬為15m的公路，1、2級之間平臺寬度為2.0m。根據方案二建立的底摩擦物理模型如圖1(b)所示。

圖1 底摩擦模型

3 不同開挖方式穩定性分析及防治措施建議

3.1 實驗過程及現象

方案一開挖后變形過程如圖2所示。邊坡開挖初期變形結果如圖2(a)所示，模型變形較小，僅在后緣(約53.5cm處)出現細微的拉張裂隙，裂隙寬度為0.2mm；隨著實驗的進行，在橡皮帶的摩擦作用下，坡體后緣拉張裂隙逐漸增大，每級邊坡均出現不同程度的變形，如圖2(b)所示；實驗結束后的變形特征如圖2(c)所示，邊坡出現一定程度的破壞現象，40～41cm處部分塊體已經滑落，但坡體整體結構仍較為完整，并未出現大面積的變形破壞，破壞深度范圍在2～4cm(垂直開挖面深度)內。

圖2 方案一變形過程

方案二開挖后變形過程如圖3所示。開挖初期變形結果如圖3(a)所示，與方案一相同，首先在坡體后緣出現拉張裂隙，但方案二初期變形較方案一大，裂隙寬度在0.5～0.7cm范圍內，發生變形的坡體范圍也較大，在30～54cm之間均出現了一定程度的變形；在實驗進行過程中1級邊坡出現較大范圍的破壞，2級邊坡開始出現拉張結構面，如圖3(b)所示；實驗的最后階段1級邊坡及2級邊坡的上半部，即25～54cm之間邊坡出現較大程度的破壞，破壞深度達8～10cm，如圖3(c)所示。

圖3 方案二變形過程

3.2 實驗結果分析

根據兩個方案的實驗結果可知，含有軟弱夾層的順層巖質邊坡開挖后，大多出現沿著軟弱夾層滑動破壞的變形特征，且滑動是沿著多個軟弱夾層同時發生的，多在后緣形成階梯狀的破壞面。方案一與方案二相比，邊坡的變形范圍明顯較小，因此可采取方案一作為導流工程邊坡的開挖方案。

3.3 防治措施建議

根據實驗結果結合工程經驗，采用錨桿作為邊坡開挖的主要支護措施，錨桿治理措施如圖4所示。在20～35m處采用直徑φ=22mm，長度L=4.0m的錨桿；在5～15m處采用直徑φ=25mm，長度L=6.0m的錨桿；在0～5m處采用直徑φ=25mm，長度L=4.0m的錨桿保證開挖邊坡的整體穩定性。由于降水會造成軟弱夾層強度的急劇降低，因此可在坡體表層采用掛網噴漿護坡。

圖4 錨桿治理措施

4 結論

(1)由底摩擦實驗結果可知，方案一開挖后邊坡會產生一定規模的變形破壞，但主要集中于表層，破壞規模遠小于方案二。開挖后形成良好的臨空面是邊坡發生變形的主要原因，兩種方案邊坡均為沿著軟弱層面發生多級滑動破壞，形成階梯狀破壞面。

(2)根據未支護邊坡開挖變形結果，確定方案一為施工導流邊坡開挖方案，采用錨桿支護后，邊坡并未出現較大規模的破壞，僅有表層的溜滑，在采用噴漿、植草措施后，可較好地控制淺表層巖體破壞。