宋崗碼頭岸坡穩定性分析

劉震 李開強 賈靈慈 姚科

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450046)

1 工程概況

1.1 水文地質條件

工程區位于丹江口水庫東側,岸坡大致為東西走向。高程154m以下地形較為平緩,坡度約為5°～15°；高程154～170m段地形較陡,坡度約為35°～55°；高程168～171m以上地形平坦。工程區域在大地構造上位于秦嶺處于褶皺系東南方向,工程區總體處于相對穩定的地塊上,地震不易發。地處北大巴山加里東冒地槽褶皺帶和南秦嶺印支冒地槽褶皺帶處,東部處在南陽至襄樊地段。場地區巖層產狀平緩,傾角處在0°～6°,裂隙以垂直層面的短小裂隙為主。場地區地表水體主要為丹江水庫,場區內最低排泄基準面為庫面。場地區地下水類型主要為松散砂巖孔隙水。根據勘察結果,宋崗碼頭坍岸段岸坡主要為軟質巖,部分為巖土混合岸坡。巖土混合岸坡長170m,約占岸坡總長的16%,分布在岸坡西段,即海事局所在岸坡段。岸坡上部為厚度1～4.7m粘土；下部為泥巖、粉砂質泥巖。巖質岸坡長909m,約占岸坡總長的84%,主要分布在岸坡中段和東段。本次初步設計治理范圍僅包括海事局至老泵站段,治理長度約為400m,根據岸坡物質組成的差異性及岸坡地形特征,自西向東,由宋崗碼頭至宋崗泵站將岸坡分為2段,其地勢大致特征如圖1所示。

圖1 宋崗碼頭庫岸圖

岸坡主要為巖土混合岸坡,縱長170m。高程154m以上,岸坡坡度35°～55°。坡頂覆蓋約有1～3m第四系中更新統沖積粘土,具有弱膨脹性；岸坡基巖產狀大約為水平,屬新近系,上部基巖為泥巖、泥質粉砂巖,具有中等膨脹性,中下部基巖為厚層疏松砂巖,疏松砂巖結構不穩定,容易產生塌陷。高程154m以下,岸坡平緩其坡度約為10°～15°,覆蓋0.5～3m第四系上更新統沖積粘土,岸坡基巖以新近系粉砂質泥巖為主,具有中等膨脹性,產狀近水平。

由于目前岸坡已經進行了部分治理,故下文模擬將主要以改性后自然狀態進行。其剖面圖如圖2所示。

圖2 岸坡剖面圖

1.2 岸坡膨脹土特性

作為一種高塑性粘性土,膨脹土常在天然狀態下處于非飽和狀態,對岸坡的穩定性有極大影響。膨脹土一般由比較親水的礦物組成,具有很強的脹縮性。

膨脹土主要成分包括蒙脫石、伊利石和高嶺石等親水類礦物,因此吸水膨脹和失水收縮2個變形特性就是其基本特性之一。膨脹土是一種擁有多裂隙性和強脹縮性的非飽和土,在天然狀態下一般較為堅硬。膨脹土在許多國家都有分布,而我國更是分布眾多。

自1938年的美國開墾局因一個基礎工程首次提出膨脹土問題[1],人們開始逐漸關注起膨脹土問題。由于膨脹土遇水反復變形的特性,深受膨脹土影響的工程包括公路、鐵路、岸坡和房屋地基等。由于膨脹土的強脹縮性和多裂隙性所帶來危害的長期性、潛在性和難以處理,導致的經濟損失是難以估計的。有資料顯示,美國每年需要花費高達20億美元來彌補膨脹土帶來的損失,全世界每年由于膨脹土問題導致的經濟損失則高達150億美元[2]。因此考慮膨脹土對于水庫岸坡影響成為不可忽視的工程考量。

我國膨脹土在長江流域和黃河流域分布比較集中,而在其分布廣闊地區又以水庫岸坡工程較多,由于膨脹土的顯著脹縮特性,故要根據膨脹土的力學及物理學性質注意膨脹土對于工程的不良影響。在我國,膨脹土的分布面積廣泛,主要分布在湖北、河南、廣西、陜西、貴州等地[3],其中主要集中于中西區域。膨脹土具有很高的膨脹潛勢,這與其含水量的大小及變化有關。如果其含水量保持不變,則不會有體積變化。在工程施工中,建造在含水量保持不變的粘土上的構造物不會遭受由膨脹而引起的破壞。當黏土的含水量發生變化,就會立即產生垂直和水平2個方向的體積膨脹。所以對膨脹土岸坡的穩定性分析對于膨脹土相關工程的應用是有一定意義的。

岸坡膨脹土由于其特殊的性質極易造成滑坡,而滑坡作為一種危害程度高、規模大、次數頻繁且有規律可循的自然災害。這種現象指的是研究區域的巖土體,在多種地質條件的共同作用下,導致原有的穩定狀態向不穩定狀態進行轉化,在坡體自重或者坡體上方荷載的作用下,巖土體沿著軟弱面向下發生滑動導致失穩現象的發生。這種不良地質災害的頻繁發生,致使道路中斷、交通受阻、河道因山體滑落發生堵塞、多數村莊住宅被無情的摧毀,人們因此流離失所失去生命。所以在相關工程中應極力避免滑坡的不良影響,保證人民的生命財產安全。

1.3 Geostudio極限平衡分析

對于庫岸邊坡失穩的研究主要有數值仿真擬和模型試驗2種方法,數值模擬以低成本、單快速等特性而被廣泛運用,但需精確選擇計算邊界條件及土體物理力學特性等參數；模型試驗觀性強、可靠性高,且可與數值仿真相互驗證。膨脹土岸坡穩定分析目前在理論上可分為2大類,常規的飽和土理論,根據水分對膨脹土邊坡失穩的影響程度,人為地改變膨脹土強度來進行分析；運用非飽和土理論,利用膨脹土強度在吸水后的衰減特性來分析降雨對邊坡穩定性的影響。在分析計算方法上,研究岸坡穩定性的傳統方法主要有極限平衡法、極限分析法、有限元法等[4]。

極限平衡法是工程分析領域常用的分析方法之一,其主要理論分析依據是莫爾-庫倫強度理論,主要思想是建立每個條塊力平衡方程和力矩平衡方程,從而求解邊坡的穩定性系數[5]。假定巖土體為剛體,不產生變形但傳遞力通過靜力(或力矩)平衡分析,獲取滑動面的反力,進而進行穩定性分析。同時,極限平衡法包含了很多種方法,在進行穩定性計算分析時,需要考慮工程的具體類型來選取適合的計算方法。為了更好地反映實際情況,本文選用了幾種方法進行對比分析,從而能夠得出比較適宜的極限平衡計算方法。20個世紀70年代,Fredlund教授等通過大量研究應用,開發出了GeoStudio數值模擬軟件。軟件的應用主要面向巖土、采礦、水利、地質等領域。經過多年的開發,GeoStudio軟件已經是解決巖土工程方面問題的專業軟件。目前的版本主要包含8大模塊,SLOPE/W、SEEP/W、SIGMA/W、QUAKE/W、TEMP/W、CTRAN/W、AIR/W、VADOSE/W。這 些模塊可以模擬幾乎所有的巖土問題,如常見的邊坡的穩定性分析問題,地下水滲流問題等。其中SLOPE/W模塊是一種基于極限平衡理論用于對邊坡穩定性的計算而開發的一種模擬分析軟件；SEEP/W模塊是基于有限元方法用于解決土體滲流方面問題的軟件。GeoStudio在模型建立方面優勢突出,只需要建立一個模型就可以供所有模塊使用；高效的建模功能,支持快速建立模型,可以復制模型,而且還可以調用上級目錄的分析結果,用來實現一個模型多種工況下的分析；后處理功能也非常的豐富與強大,分析結果便于輸出和整理。

2 不同工況下岸坡穩定性模擬

2.1 自重狀態下岸坡穩定性分析

本節采用Geostudio軟件中SLOPE/W模塊對滑坡穩定性進行分析,該模塊計算原理基于極限平衡法,包括瑞典條分法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法等。首先按照物探數據建立模型,后采用模擬計算對自然狀態下該岸坡進行穩定性的分析,該模擬建立為高程130m以上的宋崗碼頭岸坡模型,從上至下土層主要分為膨脹土層、泥巖層、泥質粉砂巖層,后將各個土層參數輸入,確定大致滑移面的滑動范圍,計算得出自然狀態下的岸坡穩定性系數。以此系數分析自然狀態下宋崗碼頭岸坡是否處于穩定狀態,是否會產生滑坡。使用Geostudio的計算穩定性系數功能進行穩定性計算。計算參數選取見表1。

表1 巖土物理參數

對滑坡進行穩定性計算,強度準則選用Mohr-Coulomb準則,分別使用Morgenstern-Price法、Bishop法、Janbu法3種方法進行計算,得到自重狀態下計算結果見圖3～5和表2。

表2 滑坡穩定性系數對比表

圖3 Bishop法穩定性系數

在自然條件下Bishop計算岸坡穩定性系數還是處于較高的水平,整體岸坡處于穩定狀態,見圖3。可能出現的滑移面處于膨脹土層的斷層,符合組成斜坡的巖、土體只有被各種構造面切割分離成不連續狀態時,才有可能向下滑動的條件。

由自然條件下Janbu法計算穩定性系數可知,此岸坡仍處于穩定狀態,見圖4。滑移面仍然是位于膨脹土層的斷層處,且滑移面較小。

圖4 Janbu法穩定性系數

在自然條件下Morgenstern-Price法計算穩定性系數與Bishop法計算結果十分相近,岸坡都處于穩定狀態,見圖5。

圖5 Morgenstern-Price法穩定性系數

軟件采用系統自動搜索最危險滑面的方法確定滑面的位置,根據以上計算結果可以看出,計算出的穩定性系數大小由于使用的方法不同有所差異。計算結果按數值大小排列為Bishop法＞Morgenstern-Price法＞Janbu法,使用3種不同計算方式計算出的滑動面形狀基本都為一較小的圓弧形,位于滑坡膨脹土層斷層處。對比表3數據,可以得出結論此岸坡在自然狀態下處于穩定狀態。

表3 滑坡穩定性狀態劃分

2.2 降雨工況下岸坡穩定性分析

在降雨工況下,雨水滲入土體,使土體的飽和度增加,劣化了巖土體的抗剪強度,使得滑坡體自重增加,加大了滑坡體自重應力沿滑移面的滑動力,水浸入土體,對滑動面起到了潤滑的作用,進一步增加了滑坡失穩的可能性。模型兩側地下水位以上按零流量邊界處理,滑坡其他區域設為不透水的邊界條件。在滑坡表面設置降雨邊界,SEEP/W模塊會根據降雨強度和滲透系數的關系進行計算。在降雨強度大于滲透系數時,按水頭邊界處理；當降雨強度小于滲透系數時,按流量邊界處理。

本節主要研究了滑坡在不同降雨強度條件下穩定性系數變化的情況。根據當地氣象條件,結合降雨強度等級劃分,設定了以下幾種降雨工況:小雨(10mm·24h-1)、中雨(25mm·24h-1)、大 雨(50mm·24h-1)、暴 雨(100mm·24h-1)、大暴雨(200mm·24h-1),見表4。

表4 降雨強度等級劃分

圖6 10mm降雨穩定性系數

由降雨分析可知,在10mm降雨條件下,岸坡穩定性系數有所下降,證明降雨對于岸坡穩定性有負面影響,故以此為例可進行不同降雨條件下岸坡安全性系數模擬。

根據穩定性計算可以知道,岸坡在降雨影響下安全性系數會降低,在100mm降雨下處于基本穩定狀態,而在200mm大暴雨下處于不穩定狀態,所以可知宋崗碼頭岸坡治理需要注意大暴雨情況。

表5 降雨工況穩定性計算成果表

3 結論

根據現場對岸坡的工程地質勘察,建立了典型剖面的數值計算模型,利用Geostudio軟件分別使用Morgenstern-Price法、Bishop法、Janbu法3種方法進行在自重狀態、不同降雨強度工況下的穩定性分析模擬計算,得到了穩定性系數。獲得的主要結論如下。

天然狀態下宋崗碼頭岸坡穩定性系數為1.998,滑坡處于穩定狀態,故在對于岸坡治理是有效的。

降雨對滑坡的穩定性具有一定的削弱作用,暴雨會使滑坡出現失穩情況。隨著降雨量的增加,滑坡的穩定性系數也在不斷的降低。具體影響作用表現為:在降雨過程中,隨著雨水的下滲,坡體內體積含水量增加,使得坡體自重增加,滑動面的粘聚力和內摩擦角都會降低,最終共同影響了滑坡的穩定性。

目前宋崗碼頭岸坡處于穩定狀態,但在分析時可看出對于穩定性影響較大的是降雨影響。所以應該加強降雨情況下對于岸坡穩定性影響的控制。