某水庫順層巖質邊坡穩定性及抗滑樁防護研究

張冬冬

（陜西省寶雞峽引渭灌溉中心，陜西 咸陽 712000）

0 引言

隨著我國西部大開發以及交通強國戰略的不斷推進，西部地區的交通工程建設得到了進一步的發展，但西部地區因其復雜的工程地質條件，導致相關工程的設計與施工均存在諸多問題，其中，層狀巖質邊坡開挖導致邊坡失穩的問題就是其中之一[1］。層狀巖質邊坡根據其節理方向可分為順層巖質邊坡與反傾巖質邊坡，其邊坡破壞模式受眾多節理控制，破壞模式較為復雜，因此有必要對開挖過程中的邊坡進行穩定性的相關研究，討論是否需要進行邊坡支擋以及使用何種支護形式。邊坡支護形式包括起支擋作用的擋土墻、抗滑樁和起錨固作用的系統錨桿、預應力錨桿（索）等，在實際的支護結構設計中，有時也會采用支擋與錨固共同作用的結構類型，如錨拉樁、預應力錨索框格梁等。其中抗滑樁在提高有顯著軟弱滑動面的邊坡穩定性上效果較好，常用于順層巖質邊坡的支擋工程中[2］。本文以某一順層巖質邊坡的實際支擋工程為例，利用FLAC3D 軟件分析其自然狀態下的穩定性，討論抗滑樁對邊坡穩定性的影響。

1 工程實例及計算模型

本文依托某水庫邊坡支擋工程，坡體順傾節理發育，穩定性較差，且因其臨近自然保護區，考慮環境因素，無法通過刷坡將邊坡放緩以提高邊坡穩定性，故需進行計算分析其邊坡穩定性，討論是否需要進行支擋。

利用FLAC3D 軟件建立計算模型并基于有限差分強度折減法進行計算。建立計算模型可在保證其符合工程實際情況的基礎上盡可能簡化其計算模型，本文考慮建立二維邊坡模型以簡化計算，故需在三維模型中選取最不利的邊坡剖面。對于該邊坡而言，其最大高度為35 m，其層面傾角基本一致，約為45°，故當坡角與層面傾角相等時，邊坡穩定性最差。建立計算模型見圖1。

圖1 計算模型示意圖

如圖1 所示，模型右側計算高度為65 m，左側計算高度為30 m，即邊坡最大計算高度為35 m，計算模型采用理想彈塑性模型作為本構模型，屈服準則采用摩爾-庫倫屈服準則。模型的力學參數選取見表1。

表1 巖體力學參數取值

2 自然條件下邊坡的穩定性分析

根據FLAC3D 的計算結果，利用有限差分強度折減法，得到邊坡在自然工況下邊坡在自然工況下的安全系數為1.12，邊坡最危險剖面達到臨界破壞狀態下的位移趨勢以及潛在滑動面見圖2 和圖3。

圖2 臨界破壞狀態下的邊坡位移趨勢圖（放大系數：100）

圖3 臨界破壞狀態下的潛在滑動面分布

由圖2 和圖3 可知，當邊坡達到臨界狀態時，邊坡沿潛在滑動面有明顯的滑動趨勢，潛在滑動面的位置主要位于全風化片麻巖巖層內部以及全風化片麻巖與強風化片麻巖巖層交界處，潛在滑動面大體呈圓弧狀，深度約在坡表下6 m～13 m 之間。根據《公路路基設計規范》（JTGD 30-2015）[3］的要求，邊坡在一般工況下安全系數不小于1.15，因此，對于該邊坡在自然工況下的安全系數為1.07 這種情況，必須對邊坡進行工程支護，使其滿足規范要求。

3 邊坡支護設計及效果評價

3.1 支護方案設計

通過對在自然工況條件下原始邊坡的穩定性計算結果可知，對于該順層巖質邊坡，其潛在滑動面傾角與層面傾角近乎相等，破壞模式即為在達到臨界破壞狀態后，邊坡沿潛在滑動面發生滑動破壞。對于此類型的邊坡，常用的支護方法是在邊坡潛在滑動面中下部的位置設置抗滑樁[4］。

在坡體中下部設計抗滑樁結構，樁身截面尺寸為1.8 m×2.4 m，長度16 m，共計16 根。在樁身上部布設兩根錨索，長度為25 m，傾角為25°，錨固段長度為10 m。

3.2 支護效果評價

分別對有無抗滑樁兩種情況的開挖邊坡進行數值計算。

3.2.1 應力

由圖4 所示，當邊坡開挖后，對于無抗滑樁的情況，邊坡的開挖位置附近拉應力區明顯增大，形成大面積的塑性區，即將達到臨界破壞狀態。對于有抗滑樁支護的情況，邊坡應力分布均勻，未出現大面積的拉應力區，說明抗滑樁對于減小開挖過程中邊坡內部的拉應力，提高邊坡的穩定性有顯著作用。

圖4 邊坡應力分布圖

3.2.2 位移

由圖5 所示，當邊坡開挖后，對于無抗滑樁的情況，開挖位置附近位移區面積增大，而有抗滑樁支護的情況邊坡整體位移量保持較低水平。對比圖5 可知，抗滑樁對于減小邊坡開挖產生的位移有非常明顯的效果，抑制順層巖質邊坡沿層面發生滑動。同時，抗滑樁還會使臨近樁體的巖土體位移方向發生偏轉，隨著坡體臨近抗滑樁，位移方向逐漸由沿層面向下轉向水平向前，垂直于樁體，這樣更有利于提升邊坡穩定性。

圖5 邊坡位移分布圖

3.2.3 剪應變率增量

剪應變率增量可以反應邊坡變形趨勢，剪應變率增大區常常可將其視為潛在滑動面。由圖6 所示，當邊坡開挖后，對于無抗滑樁的情況，邊坡形成大面積的剪應變率增大區，表明其潛在滑動面已經形成。而對于有抗滑樁支護的情況，邊坡整體剪應變率增量保持較低水平，邊坡未形成潛在滑動面，表明抗滑樁可以阻止邊坡的塑性變形以及塑性區的形成，提高邊坡穩定性。

圖6 邊坡剪應變增量分布圖

3.3 樁體深部位移

在有抗滑樁支護的情況下，在對應2 號孔的位置處，坡面下2 m、6 m 和10 m 分別設置監測點以監測不同時間深部水平方向的位移。結果見圖7。早期的位移變化較為明顯，隨著時間的延長位移變化逐漸趨于穩定，且Y 方向上的位移量明顯小于X 方向，抗滑樁支護下的邊坡有著良好的穩定性。

圖7 深部位移監測

4 結論

為研究順層巖質邊坡的穩定性和破壞機制，以及抗滑樁在順層巖質邊坡上的支護效果，本文以順層巖質邊坡的實際支擋工程為例，基于有限差分強度折減法，利用FLAC3D 軟件分析其自然狀態下的穩定性，討論抗滑樁對邊坡穩定性的影響。所得結論如下：

（1）順層巖質邊坡在達到臨界破壞狀態時，其潛在滑動面一般呈圓弧形沿層面方向分布，對于有明顯軟弱滑動面順層巖質邊坡，常用的支護方法是在邊坡潛在滑動面中下部的位置設置抗滑樁。

（2）抗滑樁可以減小開挖過程中邊坡內部的拉應力，減小邊坡內部的位移量以及使臨近樁體位置的位移方向發生偏移，阻止邊坡的塑性變形以及塑性區的形成，進而阻止滑動面的形成。從而有效提高順層巖質邊坡的穩定性。