某高邊坡不同削坡方案穩定性對比分析

任 斌

（中鐵十一局集團有限公司,湖北 武漢 430061）

1 引言

邊坡的穩定直接影響工程的安全穩定甚至人民生命財產安全。對于大型高邊坡工程更是可能造成更加深遠和嚴重的危害,因此在修建道路、橋梁、水利工程過程中,對高邊坡的邊坡穩定性進行評價是一個非常重要的工作,特別是降雨之后更加會引起邊坡的失穩破壞,一旦發現高邊坡可能產生失穩就必須采取有力的預防和處理措施［1-2］。在工程運行過程中高邊坡也可能產生過大的變形,此時對邊坡進行處理也必不可少［3-4］。某工程高邊坡運行過程中監測到產生了較大變形,對工程造成潛在危害,因此計劃對邊坡采取削坡處理以控制邊坡的進一步變形。本文對各削坡方案展開對比分析,評價各削坡方案的可行性。

2 工程概況和背景

某高邊坡屬于超高邊坡,是某工程中的一個重要邊坡。在工程施工之前,便對該邊坡進行過相關的加固措施。水位及各測點位移變化見圖1。蓄水初期,水庫水位升降較快,邊坡變形速率隨水庫水位快速升高而升高,水庫水位快速下降也會導致邊坡變形速率快速下降。蓄水后期,水庫水位不會再出現速升速降的現象,邊坡變形速率也逐漸趨于穩定。在水庫蓄水后,庫岸邊坡產生了位移變化。據調查是因該水庫浸水部分巖體產生弱化效應,浸水巖體受壓變形增大而致。

圖1 2009/8/1~2010/5/1水位及各測點位移變化

根據變形監測結果有必要對邊坡進行加固處理,工程提供了3種削坡方案,本文對三種削坡方案下該高邊坡開挖加固效果展開對比分析和評價,并最終確定建議削坡方案。

3 邊坡削坡方案

根據邊坡的實際工程地質和邊坡變形的實際情況,同時考慮到實際完成的可能性,實際工程中對該高邊坡提出三種可能的削坡方案。這三種削坡方案具體信息如下：削坡方案4A：該方案計劃從坡頂階梯狀開挖至2660 m高程,開挖方量約為960 萬m3。該方案首先被提出,并且考慮到施工的可能性和經濟性的結合在論證各開挖方案之前便作為其中的一個首先方案。削坡方案4B：該削坡方案計劃從坡頂至2800 m高程,LF1 前緣全部挖除,開挖方量約為1900 萬m3,由于該方案挖處量較大,所以總體的開挖量也較大,同時該方案施工時間也將會相對較長；削坡方案4C：該方案計劃從坡頂至2800 m高程,LF1 前緣全部挖除,2800 m高程以下,按照方案1階梯狀開挖,該方案相當于是方案1 和方案2 的結合,因此開挖量將顯著較大,總體開挖方量約為2300 萬m3,雖然該方案開挖量較大,但是基本上可以將產生較大變形的現有邊坡挖除,邊坡可以大大提升自身安全穩定。

4 不同削坡方案的比較分析

4.1 邊坡橫向位移分析

采用有限元強度折減法對不同削坡方案的穩定性進行分析。削坡方案4A邊坡及剖面開挖后回彈位移等值線圖見圖2。削坡方案4B邊坡及剖面開挖后回彈位移等值線圖和削坡方案4C邊坡及剖面開挖后回彈位移等值線圖限于篇幅并未列出,計算結果將與削坡方案4A的計算結果進行對比。由計算結果可以得出：邊坡頂部處有大量屈服區集中,并有較大的不平衡力。邊坡頂部中心處附近屈服區最多,水平向向山體內延伸約90 m,豎直向延伸約70 m。邊坡頂部兩側屈服區少于中心處,且豎直向延伸約為30 m。由于頂部存在較多的屈服區,存在較大的傾倒變形,使邊坡頂部進入了塑性變形。邊坡中部處存在較少屈服區,并分布少量的不平衡力。邊坡坡腳處應力集中,存在較多屈服區,存在很大的不平衡力。此邊坡內部不平衡力主要集中在斷層上,斷層LF1 有較大的不平衡力。屈服區與不平衡力可以準確的反映邊坡的穩定狀況,根據當前屈服區與不平衡力分布判斷該邊坡頂部處于臨界失穩狀態,且邊坡局部存在破壞狀況。

圖2 方案4A正常工況下I-I剖面橫河向位移云圖

由計算結果可以看出：（1）按照方案4 A進行開挖,邊坡回彈位移橫河向最大值為65.9 mm,順河向為-45.4 mm,豎直向為-119.2 mm。（2）按照方案4 B進行開挖,邊坡回彈位移橫河向為59.0 mm,順河向為104.7 mm,為-126.8 mm。（3）按照方案4 C進行開挖,邊坡回彈位移橫河向為88.7 mm,順河向為103.6 mm,豎直向為-154.6 m。總體而言各方案回彈位移量值均較小。

4.2 屈服區分析

對削坡方案4A邊坡及剖面屈服區,削坡方案4B邊坡及剖面屈服區和削坡方案4C邊坡及剖面屈服區展開對比分析。由分析結果可以看到：（1）按照方案4A進行開挖,開挖區域的下部有較多屈服區,邊坡與坡腳處屈服區明顯減小,大大提高了邊坡的整體穩定性；（2）按照方案4B進行開挖,邊坡屈服區也明顯減小,屈服區主要集中在邊坡中部和開挖區域下部,坡腳處屈服區比方案4A略小,但邊坡中部屈服區比方案4A大；（3）按照方案4C進行開挖,邊坡除了表面存在少量屈服區,邊坡內部基本沒有屈服,邊坡屈服區體積進一步減小。綜合上述分析,可以看到,從屈服區體積來看,方案4C最好,方案4B與4A相差不大。

4.3 不平衡力分析

對削坡方案4A邊坡及剖面不平衡力,削坡方案4B邊坡及剖面不平衡力和削坡方案4C邊坡及剖面不平衡力展開對比分析。

由對比分析結果可以看到：（1）按照方案4A進行開挖,邊坡不平衡力明顯減小,特別是頂部和中部,由于表層巖體開挖,不平衡力顯著減小。（2）按照方案4B進行開挖,由于頂部不穩定巖體大部分被挖除,不平衡力主要存在于邊坡中部及坡腳處。（3）按照方案4C進行開挖,邊坡僅在開挖區域下部及頂部部分巖體分布有不平衡力,量值較小,反映邊坡局部失穩的可能進一步降低。（4）從不平衡力的分布來看,按照方案4A、方案4C進行開挖,邊坡出現滑坡的可能性較小；按照方案4B進行開挖,邊坡中部可能出現滑坡。綜合上述分析,可以看到,從不平衡力分布來看,方案4C最好,方案4A比方案4B好。

4.4 余能范數分析

從圖3 可以看出,初始降強時,各方案余能范數都較小,降強到1.3 倍后,方案2 余能范數急劇增大,反映邊坡整體穩定性急劇下降。水位上升至2452 m（方案3）,余能范數曲線與方案2 非常接近,表明邊坡整體穩定性變化不大。采用方案4A進行開挖,余能范數顯著減小,邊坡整體穩定性提高。方案4B余能范數比4A略大,穩定性比4A差一些。采用方案4C,余能范數進一步減小,降強到1.5 倍后,其余能范數僅為方案2 的三分之一,為方案4A的三分之二。邊坡整體穩定性進一步提高。

圖3 各方案降強過程中余能范數變化

綜上所述,邊坡在當前工況下,穩定性較差,局部出現失穩破壞,或處在臨界失穩狀態。通過降強分析,邊坡安全余度較低。進行開挖后,邊坡位移、屈服區、不平衡力、余能范數均顯著減小,穩定性提高。三個開挖方案均能取得較好的效果。

4.5 開挖方案建議

綜合考慮三種削坡方案發現,削坡方案4A從坡頂階梯狀開挖至2660 m高程,開挖方量約為960萬m3。削坡方案4B從坡頂至2800 m高程,LF1 前緣全部挖除,開挖方量約為1900 萬m3；削坡方案4C從坡頂至2800 m高程,LF1前緣全部挖除,2800 m高程以下,按照階梯狀開挖,開挖方量約為2300 萬m3。考慮削坡方案4C開挖方量較大,而邊坡變形主要集中在頂部表面,對于削坡方案4C進行調整,將2800 m高程提高為2860 m。2860 m高程以下階梯狀開挖,2860 m高程以上對LF1前緣進行適當挖出。開挖方量將減少約1000萬m3。從屈服區、不平衡力、余能范數的對比看,方案4C效果最佳。而從實現的難度和經濟效益來看方案4A是較為合適的,最終方案應該綜合工程實際情況最終確定。

5 結論

本文對某工程高邊坡穩定性進行分析并對三種削坡方案進行對比分析論證。從屈服區、不平衡力、余能范數的對比分析可以看出,三個開挖方案均有效果,整體靜力穩定性可提高至1.3 以上。從屈服區、不平衡力、余能范數的對比來看,從坡頂至2800 m高程前緣全部挖除,2800 m高程以下按照階梯狀開挖方案效果最佳。