舒 記 王康平

（三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002）

隨著三峽工程建設(shè)的不斷開(kāi)展,以及人類生活建設(shè)的需要,不可避免地產(chǎn)生了許多人工高切坡.同時(shí),鑒于三峽庫(kù)區(qū)特殊的地質(zhì)地理環(huán)境,天然地形成了很多較為發(fā)育的危巖、滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害,而這些災(zāi)害的穩(wěn)定與否直接影響著附近居民的生命財(cái)產(chǎn)安全和公路交通的正常運(yùn)營(yíng)[1].因此,首要的問(wèn)題是快速、科學(xué)、有效地分析出這些災(zāi)害的穩(wěn)定性,并采取相對(duì)應(yīng)的有力措施對(duì)其進(jìn)行防護(hù)治理.

由于目前人們對(duì)高切坡的變形破壞規(guī)律認(rèn)識(shí)不夠充分,也沒(méi)有一套較為行之有效的邊坡穩(wěn)定分析方法,以及對(duì)治理設(shè)計(jì)中防護(hù)工程的有效性缺乏定量的判斷,致使災(zāi)害事故發(fā)生率隱隱呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[2].因此,本文對(duì)三峽庫(kù)區(qū)巴東縣巖灣橋西高切坡進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算分析,并在綜合工程相關(guān)實(shí)際條件的基礎(chǔ)上提出了對(duì)應(yīng)的治理意見(jiàn),為以后的災(zāi)害分析治理提供參考.

1 工程概況

1.1 高切坡基本情況

巴東縣處于中緯度帶,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,氣候溫和濕潤(rùn),多年平均氣溫17.5℃,多年平均降雨量1100 mm,最大年降雨量1522.2 mm（1984年）,5～9月為雨季,其降雨量占全年降雨量的70%以上.由于地處鄂西暴雨中心,其雨季大多下暴雨,1h最大降雨量達(dá)75.0mm（1991年8月6日）,1d最大降雨量達(dá)193.3mm（1962年7月15日）,3 d最大降雨量達(dá)500 mm.雨量集中,降雨強(qiáng)度大,是誘發(fā)高切坡產(chǎn)生變形破壞的因素之一.長(zhǎng)江自西向東流經(jīng)新城區(qū)北緣,洪水期一般出現(xiàn)在7～9月間,最大洪峰流量75000m3/s；最枯流量2700m3/s.

巖灣橋西高切坡位于三峽庫(kù)區(qū)巴東縣信陵鎮(zhèn)大坪小區(qū),在地貌單元上位于長(zhǎng)江右岸低山斜坡地貌的中下部,坡腳為北京大道,在北京大道東側(cè)（距坡腳12m）沿線分布共計(jì)14棟移民住宅樓.該高切坡坡長(zhǎng)200m,坡頂高程 292～307 m,坡底高程253～263.5 m,坡高 30～ 50m,坡角 15°～ 64°,平均坡角 45°.坡面面積12780m2,走向近南北向,傾向53°～85°,平面形態(tài)大致呈折線型,剖面形態(tài)總體為上緩下陡.頂部緩斜坡坡度為15°,其上發(fā)育有3條平行于下方公路的拉裂下座坎,走向?yàn)?340°,坎高 0.5～2 m,長(zhǎng)度為50～200m,由于農(nóng)田耕種,拉裂下座坎大多數(shù)被改造成干砌石碚,使得下座坎呈斷續(xù)狀.

1.2 地層巖性

巖灣橋西高切坡由三疊系中統(tǒng)巴東組第三段（T2b3）組成,坡頂為第四系殘坡積碎、塊石土（Qedl）,局部有崩積土（Qcol）,厚度較薄.

崩積土（Qcol）分布于該高切坡東側(cè),有二處坡積體（A+015～A+040段和 A+090～A+140段）,厚1.30～4.00m,為碎石土.灰黃色,由碎石、塊石和粉質(zhì)粘土組成,碎、塊石含量約60%.碎石直徑一般2～5cm,塊石塊徑一般25～50cm,大者達(dá)100cm,碎、塊石成份為泥質(zhì)灰?guī)r,多呈中等風(fēng)化狀,充填可塑狀粉質(zhì)粘土；土稍濕,呈稍密～中密狀.

殘坡積土（Qedl）分布于坡頂,厚度 0.50～1.90 m,為碎石土,含塊石,灰黃色,碎、塊石含量 60%～70%,碎石直徑5～20cm,塊石直徑30～50 cm,成份為泥質(zhì)灰?guī)r,中等風(fēng)化,棱角狀,充填可塑狀粉質(zhì)粘土；稍濕,中密.

三疊系中統(tǒng)巴東組第三段（T2b3）,在坡面出露,灰黃色中厚層狀灰?guī)r,單層厚度20～40 cm,泥晶結(jié)構(gòu),巖石裂隙發(fā)育,多為張性,隙寬0.05～30 cm不等,巖體呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu),巖石呈中等風(fēng)化.

1.3 地質(zhì)特征與主要地質(zhì)問(wèn)題

1.3.1 高切坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)與巖性特征

高切坡防護(hù)區(qū)及四周,出露地層自下而上為中生界三疊系下統(tǒng)大冶組薄-中厚層狀灰?guī)r與泥質(zhì)灰?guī)r及嘉陵江組灰?guī)r夾云質(zhì)灰?guī)r、中統(tǒng)巴東組泥質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r及泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等,以及第四系殘破積、崩坡積碎石土.區(qū)內(nèi)分布地層為巴東組,地層巖體裂隙發(fā)育、巖質(zhì)較軟,高切坡易發(fā)生變形破壞.

1.3.2 已經(jīng)發(fā)生的主要地質(zhì)問(wèn)題

該高切坡已發(fā)生兩處崩塌,位置分別為A+015～A+040段和A+090～A+140段.A+015～A+040崩積體位于高切坡西段南端,平面形態(tài)呈半橢圓形,縱長(zhǎng)18.5m,橫寬 29.00 m,厚 1.30～ 4.00m,分布面積270m2,總方量540 m3；A+090～A+140崩積體位于高切坡西段中部,平面形態(tài)呈彎月形,縱向最長(zhǎng)17.00m,橫向最寬 45.00 m,厚 1.30～2.80m,分布面積380m2,總方量570m3.

兩崩積體均是坡體破碎巖體崩塌堆積而成,由泥質(zhì)灰?guī)r碎、塊石組成,呈稍密-中密狀,散體結(jié)構(gòu).

圖1 高切坡平面結(jié)構(gòu)示意圖

2 切坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

2.1 切坡破壞模式分析

2.1.1 已發(fā)生的變形破壞情況

崩塌情況見(jiàn)前面主要地質(zhì)問(wèn)題,兩崩積體均是坡體破碎巖體崩塌堆積而成,由泥質(zhì)灰?guī)r碎、塊石組成,呈稍密～中密狀,散體結(jié)構(gòu).2.1.2 預(yù)測(cè)的變形破壞模式

該高切坡發(fā)育有一向一背兩個(gè)小褶曲,兩褶曲軸線近平行,SE∠350°,同時(shí)伴生大量的構(gòu)造裂隙.

高切坡為層狀巖體組合類型,并存在外傾結(jié)構(gòu)面.根據(jù)槽探資料,在坡體的后緣地帶,普遍分布有一組（第①組）與坡向近似一致的裂隙,其裂隙長(zhǎng)度一般9～26m,張開(kāi)度一般在1～15m,切層性強(qiáng).該組裂隙把切坡后緣的巖體切割成向外傾斜的塊體.外傾塊體會(huì)沿裂隙面斷開(kāi),順巖層層面產(chǎn)生折線型的滑移變形.另外,巖體受裂隙影響,巖體較破碎,在長(zhǎng)期的風(fēng)化作用下坡面可能會(huì)產(chǎn)生局部小方量崩塌或掉塊.

2.2 穩(wěn)定性計(jì)算與評(píng)價(jià)

2.2.1 規(guī)范計(jì)算方法

（1）計(jì)算公式

由于巖體可能產(chǎn)生折線滑移破壞,所以采用推力傳遞系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算,穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算公式如下[3-5]:

式中,Wi為垂直荷載；Qi為水平荷載；Ui為剪切面上的孔隙水壓力的合力；c′、φ′為剪切面抗剪強(qiáng)度；i為條塊底部長(zhǎng)度；αi為條塊底面傾角；求解穩(wěn)定性系數(shù)K的條件是Pn=0.

（2）計(jì)算工況

天然工況:自重+地表荷載；暴雨工況:自重+地表荷載+50年一遇暴雨.

（3）荷載條件

自重:天然工況取天然重度,暴雨工況取飽和重度；地下水:天然工況不考慮地下水,暴雨工況按工程類比對(duì)C、φ值進(jìn)行修正；地震:三峽庫(kù)區(qū)地震基本烈度為6度,高切坡防護(hù)工程設(shè)計(jì)不考慮地震荷載.

（4）計(jì)算參數(shù)

計(jì)算條件分為天然和暴雨兩種工況,其穩(wěn)定性計(jì)算力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 穩(wěn)定性計(jì)算力學(xué)參數(shù)一覽表

（5）穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)條件進(jìn)行分析,選取典型地質(zhì)剖面進(jìn)行計(jì)算[6-7],其中兩個(gè)剖面的計(jì)算模型如圖2～3所示,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

圖2 2-2′剖面計(jì)算模型

圖3 3-3′剖面計(jì)算模型

表2 各剖面穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

2.2.2 有限元計(jì)算方法

本文利用有限單元法,通過(guò)強(qiáng)度折減來(lái)求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù).通過(guò)強(qiáng)度折減,使系統(tǒng)達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),有限元計(jì)算將不收斂,此時(shí)的折減系數(shù)就是安全系數(shù)[8].

（1）計(jì)算參數(shù)的選取

表3 滑帶（體）土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

（2）有限元模型的建立

ADINA模擬巖土工程問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)主要表現(xiàn)在:其定義的具有單元生死的重復(fù)單元可以定義錨桿等單元；結(jié)構(gòu)模塊的單元死亡,用戶可以任意控制單元生死的過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)短,而且在單元存在殘余剛度的某個(gè)時(shí)刻,支護(hù)單元開(kāi)始啟動(dòng)剛度,更加符合工程實(shí)際等等.因而本文最終選取ADINA進(jìn)行模擬計(jì)算[9],模型圖如圖4所示.

圖4 典型剖面模型圖

（3）計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)分別計(jì)算切坡在兩種工況下的穩(wěn)定情況,最終得到在天然工況下各剖面的穩(wěn)定性系數(shù),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4,對(duì)于相應(yīng)條件下典型剖面的計(jì)算云圖如圖5～6所示.

圖5 典型剖面位移云圖

圖6 典型剖面有效應(yīng)力云圖

表4 各剖面穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

2.2.3 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)高切坡防治工程的相關(guān)技術(shù)要求和有關(guān)規(guī)范規(guī)程,結(jié)合本文規(guī)范方法和有限元方法的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析:最終確定該高切坡的防護(hù)工程安全等級(jí)為一級(jí),防護(hù)工程安全系數(shù)為1.35[2,10-13].

穩(wěn)定分析與計(jì)算結(jié)果表明,該切坡在天然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài),但當(dāng)穩(wěn)定性機(jī)制發(fā)生變化時(shí),就會(huì)產(chǎn)生崩塌、掉塊或折線型滑移破壞,因此必須采取相應(yīng)的治理措施.

3 治理措施

本研究經(jīng)過(guò)對(duì)巖灣橋西高切坡采用常規(guī)分析與有限元模擬計(jì)算,對(duì)比分析結(jié)果,結(jié)合已有的工程經(jīng)驗(yàn)與本工程的實(shí)際情況,通過(guò)多次計(jì)算驗(yàn)證,最終提出了如下治理措施:

（1）護(hù)腳墻工程:在坡腳位置設(shè)置重力式護(hù)腳墻,以防止坡腳破壞,增加美觀性.墻外露高度為0.5 m,埋深0.5m,頂寬為0.5m.

（2）預(yù)應(yīng)力錨索工程:坡面清理后在墻頂10 m以上坡面采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù),錨索規(guī)格為1500 kN級(jí),長(zhǎng)度為45m,水平間距和豎直間距分別為3 m、5 m,錨索張拉預(yù)應(yīng)力為設(shè)計(jì)噸位的70%,即1050kN.

（3）鋼筋混凝土格構(gòu)圈梁工程:在預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)區(qū)布置格構(gòu)混凝土圈梁,將預(yù)應(yīng)力錨索錨固墩連成整體.

（4）排水工程:在坡頂布置兩條截水溝,在坡腳布置一條排水溝.

（5）柔性防護(hù)網(wǎng)工程:在坡腳護(hù)腳墻頂布置一道柔性防護(hù)網(wǎng),網(wǎng)高4 m,工字鋼固網(wǎng)柱柱頂與格構(gòu)圈梁拉接.

采用上述防護(hù)措施治理后,該高切坡防治區(qū)域經(jīng)計(jì)算能滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的要求,所有剖面在暴雨條件下,穩(wěn)定系數(shù)均大于1.35.在設(shè)計(jì)工況下,兩典型剖面的推力曲線圖如圖7～8所示.

4 結(jié) 論

本文在結(jié)合巖灣橋西高切坡工程實(shí)際的基礎(chǔ)上,依托《三峽庫(kù)區(qū)高切坡防護(hù)規(guī)劃大綱》和《地質(zhì)災(zāi)害防治條例》,參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范規(guī)程,全面考慮施工條件、成本投資等因素,進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算研究,最終得出如下結(jié)論:（1）該切坡在一般情況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài),如果出現(xiàn)強(qiáng)降雨等誘發(fā)因子,就會(huì)產(chǎn)生崩塌、掉塊或折線型滑移破壞.（2）通過(guò)對(duì)比分析規(guī)范方法和有限元方法的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果,得出采用多種分析方法對(duì)工程進(jìn)行耦合研究,能夠更加全面有效地進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià),提高研究的可信度及設(shè)計(jì)的可行性.（3）宜采用預(yù)防為主,防治結(jié)合的方針,加強(qiáng)宣傳及管理意識(shí),盡可能地減少災(zāi)害的發(fā)生及可能產(chǎn)生的嚴(yán)重后果.

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