，

(1.四川理工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，四川 自貢 643000；2.西南交通大學(xué) 巖土工程系，成都 610031)

1 研究思路

國內(nèi)外在地下水對邊坡的作用方面作了大量的研究[1]，主要有：Picarelli等[2]對地下水作用下的邊坡破壞機理進行了研究；Uchida等[3]對地下水滲流的程度、范圍和速率進行了分析；李文秀等[4]采用Fuzzy數(shù)學(xué)理論中的Fuzzy測度理論，對巖質(zhì)邊坡在地下水影響下的總體穩(wěn)定性進行了預(yù)測；吳海艷等[5]將流固耦合理論引入邊坡的穩(wěn)定分析，提出了以位移和速率為標(biāo)準(zhǔn)的邊坡穩(wěn)定性評價方法。同時，降雨入滲導(dǎo)致邊坡滑動是一個極其復(fù)雜的物理力學(xué)過程，它涉及坡面徑流、滲流與應(yīng)力場耦合等問題[6-8]?？偨Y(jié)前人的研究成果不難發(fā)現(xiàn)，雖然有關(guān)地下水與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系方面取得了一定研究成果，但仍有2個基本問題需要解決：地下水作用下的邊坡穩(wěn)定性評價方法及采用排水或加固措施后的邊坡穩(wěn)定性評價方法。地下水作為一種敏感性因素，需要要用動態(tài)的觀點來研究邊坡體內(nèi)的地下水作用，這樣才會更符合實際情況。

本文采用滲流理論，對霧化雨滲透作用下的錦屏水電站邊坡的穩(wěn)定性進行動態(tài)的評價。實際上，土的力學(xué)參數(shù)具有一定的隨機性及變異性，將土、荷載及計算模式都視為確定性的對象，得出的安全系數(shù)并不能全面客觀地反映邊坡的真實安全程度，可靠性分析是將有關(guān)參數(shù)作為非確定性對象，利用概率論及數(shù)理統(tǒng)計的方法研究邊坡的穩(wěn)定性，可以有效地解決上述問題。在此背景下，分析霧化雨入滲條件下邊坡失穩(wěn)機理與加固，探討變化規(guī)律，具有其理論和現(xiàn)實意義。

霧化雨入滲會降低巖石或土體的抗剪強度，使得邊坡地下水位和孔隙水壓力升高，因此需要對霧化雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響進行研究分析。在錦屏水電站滑坡現(xiàn)場勘察、測試及室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值分析軟件SLIDE，通過模型邊界條件的改變來控制降雨入滲深度，并用滲流理論研究邊坡在不同降雨入滲深度下的水壓力和安全系數(shù)等方面的變化規(guī)律，并從多角度探討邊坡的穩(wěn)定性評價方法。

同時，有自由面的滲流計算是一個難點[8]，其主要方法主要分為變動網(wǎng)格法和固定網(wǎng)格法，本文采用固定網(wǎng)格法，并考慮非飽和土的滲透性影響。

2 工程地質(zhì)條件及邊坡穩(wěn)定性分析方法

2.1 工程地質(zhì)條件

通過錦屏水電站泄洪霧化區(qū)左岸壩樁號1+340至1+580 m段覆蓋層的地質(zhì)調(diào)查和補充坑探揭示條件的編錄分析，該邊坡覆蓋層工程地質(zhì)條件如下。

該段覆蓋層的分布范圍：位于泄洪洞出口對岸山坡上，分布在高程1 710～1 860 m范圍內(nèi)，順河向厚度分布不均勻，坑探揭示在壩樁號1+400 m剖面上垂直厚度一般為5～6 m，在壩樁號1+450 m剖面上垂直厚度一般為3～4 m，在壩樁號1+500 m剖面上垂直厚度一般為4～5 m；隨高程降低，覆蓋層厚度也逐漸變薄，最厚部位位于動防護網(wǎng)上下20 m高差范圍內(nèi)。

物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征：該段覆蓋層為第四系坡殘積體(Qdl及Qel)，其物質(zhì)組成為灰褐色含塊狀碎石土，結(jié)構(gòu)中密，塊狀碎石占40%～60%，塊徑一般5～20 cm，塊狀碎石巖性主要為板巖及少量砂巖，充填物為粉質(zhì)黏土。表層植物根系發(fā)育。下伏基巖為砂板巖和大理巖，巖層傾坡內(nèi)，產(chǎn)狀NE30°～40°/NW30°～40°。巖體風(fēng)化卸荷強烈，裂隙發(fā)育，基巖面起伏不平。

根據(jù)工程地質(zhì)條件勘察及反演分析，雨水作用下土體的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。經(jīng)室內(nèi)實驗測定，碎石土排除雨水后其抗剪強度的c值不變，內(nèi)摩擦角提高2°。

表1 巖土體主要物理力學(xué)參數(shù)建議值表

2.2 滑面確定

邊坡的穩(wěn)定性評價除了安全系數(shù)的計算外，在很多情況下滑動面并不確定，還需要對潛在危險滑動面進行搜索。在一般的滑坡中，可以通過鉆孔和現(xiàn)場勘察的土層詳細(xì)資料確定大致的滑動面位置。但對于本工程邊坡，由于基巖及覆蓋層的界面很長，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，且大都為局部破壞或崩塌，無法詳盡地知道各處滑動面的位置。在這種情況下，如何對其最危險滑動面進行搜索，從而提出合理、有效的治理方案，成為評價邊坡穩(wěn)定的一個首要問題。因此需要采用經(jīng)典極限平衡法、簡化畢肖普法、簡布法、修正的簡布法、斯賓塞法、Fellenius法擬定多種滑體形態(tài)確定多組滑裂面進行穩(wěn)定分析，比較不同滑動面條件下的穩(wěn)定狀況，從而確定最危險滑動面的位置。

2.3 工況的考慮

影響邊坡穩(wěn)定性的作用可以分為自重作用、地下水作用、地震力作用和加固力作用，各種作用包括不同的基本組合和偶然組合。考慮不同的組合則形成了不同的邊坡設(shè)計狀況。根據(jù)《水電邊坡工程設(shè)計規(guī)范(征求意見稿)》，并結(jié)合本工程的實際情況，分析了邊坡在開挖后的穩(wěn)定性，共設(shè)計了2種不同的計算工況，即：

(1) 天然狀況，即只考慮自重；

(2) 自重+降雨；采用邊坡體孔隙水壓力系數(shù)為0.1進行計算。

3 滲流穩(wěn)定性分析

3.1 計算模型

選取壩樁號1+650 m典型剖面進行了泄洪霧化雨作用下的滲流分析，計算模型如圖1所示，其中物質(zhì)1為基巖，物質(zhì)2為碎石土，碎石土的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，碎石土分布在高程1 705～1 825 m范圍之內(nèi)，基巖與碎石土接觸面長度為178.05 m；由潛在滑體碎石土高程1 825 m向左取45 m、高程1 705 m向下取65 m為有限元的計算分析邊界，不考慮邊界的位移和滲流，即邊界位移為0，滲透系數(shù)為0。

圖1 滲流計算模型

對于不可壓縮流體，根據(jù)水流的連續(xù)性條件和達(dá)西定律，當(dāng)滲透系數(shù)kx=kz=k時，測管水頭h滿足如下的微分方程：

(1)

其中，h=z+u/rw，為重力勢和壓力勢之和。

根據(jù)h的泛涵及變分，滲流能I(h)為

(2)

參考《泄洪霧化區(qū)左岸Ⅳ,Ⅵ號山梁及右岸猴子坡穩(wěn)定分析及加固設(shè)計研究專題報告》，按V級巖體較松弛的巖塊巖屑型確定覆蓋層的飽和滲透系數(shù)為0.72 m/h。壩1+650 m處的霧化雨強度如表2所示。

邊界條件：按照霧化雨強度設(shè)置覆蓋層表面滲流邊界為單位流量邊界，1 705 m高程以下為總水頭邊界(H=0)，通過設(shè)置極低的飽和滲透系數(shù)(K=2.80×10-8cm/s)以確保下部基巖為弱透水邊界。

表2 霧化雨強度隨高程變化情況表

其中：高程1 705 m以下為泄水區(qū)。

霧化雨滲流計算結(jié)束后，將水壓力計算結(jié)果耦合于二維剛體極限平衡法中，核算下圖2所示的各種潛在可能的滑面并計算滑體的安全系數(shù)。邊坡潛在可能的滑坡破壞模式為：覆蓋層發(fā)生沿碎石土與基巖接觸面的滑坡；覆蓋層邊坡可能發(fā)生內(nèi)部的折線形或圓弧形滑坡。經(jīng)過滑面搜索及安全系數(shù)的比較，滑面沿覆蓋層內(nèi)部折線形滑坡的安全系數(shù)最小(圖3)，限于篇幅本文僅給出折線形滑坡的安全系數(shù)分析結(jié)果。

圖2 各種潛在可能的滑面

圖3 霧化作用前邊坡穩(wěn)定性

3.2 計算結(jié)果

本文對坡體在霧化作用前和霧化雨作用1～5 d的水壓力及坡體穩(wěn)定性進行了計算分析，限于篇幅，本文給出了坡體在霧化雨作用1,2及5 d后的水壓力等值線及坡體穩(wěn)定性計算結(jié)果圖(圖4，圖5)。圖3所示的滑體為穩(wěn)定性計算結(jié)果所擬定的最危險滑塊，滑面為穿過覆蓋層邊坡內(nèi)部的折線形滑面，滑面處基巖與碎石土接觸面長度為81.72 m，分布在高程1 705～1 752.50 m范圍之內(nèi)，折線的起點位于高程1 705 m、頂點位于碎石土地表面高程1 771 m處。

圖4 霧化雨作用后水壓力等值線

圖5 霧化雨作用后穩(wěn)定性計算成果

圖3至圖5的計算結(jié)果表明：在霧化作用前，邊坡的安全系數(shù)為1.161，坡體穩(wěn)定性較好。霧化雨作用1 d后，坡體內(nèi)水位線約位于坡體下部1/3處，邊坡安全系數(shù)為1.069，相當(dāng)于自然邊坡暴雨工況(降雨量約720 mm)的穩(wěn)定性狀態(tài)。霧化雨作用2 d后，坡體下部水位線接近地表，坡體上部水位線位于坡體1/2高度處，邊坡安全系數(shù)為0.979，穩(wěn)定性低于臨界狀態(tài)，邊坡有失穩(wěn)可能。霧化雨作用3 d后，坡體下部水位線完全為地表面，坡體上部水位線位于坡體1/2高度以上，邊坡穩(wěn)定性較霧化2 d略有下降，為0.900，低于設(shè)計安全系數(shù)。上述結(jié)果表明，覆蓋層邊坡的穩(wěn)定性僅取決于下部坡體，由于霧化3 d后，坡體下部已達(dá)到完全飽和狀態(tài)，持續(xù)的霧化作用對坡體下部地下水位的改變不大，形成了穩(wěn)定水流，因此邊坡的安全系數(shù)也沒有太大變化，如霧化5 d后，邊坡的安全系數(shù)為0.851。

3.3 排水措施及支護力對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

穩(wěn)定性計算表明，工程邊坡最危險的破壞模式是壩樁號1+650 m工程地質(zhì)剖面的“上部覆蓋層邊坡內(nèi)部折線形滑動破壞”，考慮到霧化雨作用范圍的破壞機理是覆蓋層下部首先啟動的牽引式滑移破壞，因此需要對下部坡體加強支護。以壩樁號1+650 m工程地質(zhì)剖面為反算剖面，以最危險破壞模式求算支護力，按照自重工況安全系數(shù)大于1.15，暴雨工況安全系數(shù)大于1.05為目標(biāo)反算得到支護力，其他剖面安全系數(shù)自動滿足要求。在最危險的破壞模式下，反算支護力為585 kN/m，邊坡穩(wěn)定性計算成果如表3所示(c=30 kPa，φ=28°)。

當(dāng)工程中考慮排水措施和坡面防水措施，霧化雨能夠得到有效疏干和減少入滲，則覆蓋層坡體的抗剪強度能夠得到提高，經(jīng)室內(nèi)實驗測定，其內(nèi)摩擦角提高2°，由此計算邊坡的支護力為325 kN/m，在最危險的破壞模式下，邊坡穩(wěn)定性計算成果如表3所示(c=30 kPa，φ=30°)。

表3 覆蓋層邊坡的穩(wěn)定性分析

上述計算成果表明，霧化雨是該處邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素，除對邊坡加強支護外，坡體內(nèi)排水也是減小霧化雨影響、提高邊坡穩(wěn)定性的有力措施，以下分析了排水措施對邊坡穩(wěn)定性的影響。

以滲流計算模型為原型，由于計算模型為二維模型，采用排水量等效原則布置排水孔(設(shè)計采用間排距3 m布置排水孔，二維計算中采用上下排距10 m布置排水孔)。排水孔處的水力邊界為水頭邊界(H=0)，以霧化雨作用5 d后的坡體穩(wěn)定性進行分析。計算結(jié)果表明，由于布置了排水孔，坡體內(nèi)僅排水孔之間的局部坡體部位有地下水存在，坡體內(nèi)地下水沒有連接成統(tǒng)一的水位。降雨5 d后，坡體達(dá)到了穩(wěn)定滲流階段，潛在失穩(wěn)范圍較未設(shè)置排水孔時有一定變化，相應(yīng)的邊坡安全系數(shù)為1.092，與前述計算結(jié)果比較可知，設(shè)置了排水孔后，即使是在長時間的霧化雨作用下，邊坡的穩(wěn)定性也較未設(shè)置排水孔時的邊坡安全系數(shù)0.851要高。

3.4 土性參數(shù)的概率特性對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

考慮到進行邊坡穩(wěn)定性分析時，傳統(tǒng)的安全系數(shù)已經(jīng)不能很準(zhǔn)確地表達(dá)邊坡發(fā)生破壞的概率，且未考慮到各主要參數(shù)的變異性對邊坡穩(wěn)定性的影響[9]，因此，在采用傳統(tǒng)的安全系數(shù)法分析上述覆蓋層邊坡的穩(wěn)定性分析后，還需采用可靠性設(shè)計方法對邊坡進行穩(wěn)定性分析，即結(jié)合經(jīng)典極限平衡法、簡化畢肖普法、簡布法、修正的簡布法、斯賓塞法、Fellenius法和Monte-Carlo數(shù)值模擬方法，運用土性參數(shù)的概率特性對邊坡穩(wěn)定性的影響[10-15]，并對2種方法的分析結(jié)果進行比較分析。

對于邊坡的穩(wěn)定性問題，可根據(jù)巖土體結(jié)構(gòu)特點、破壞機理等，建立如下的狀態(tài)函數(shù)[15]:

K=F(x1,x2,…,xm) 。

(3)

式中：xi=(1,2，…，m)代表隨機變量，它們具有一定的分布特征(這些因素一般服從正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布)，其統(tǒng)計值己知。

T=T1+T2+…+TN;

(4)

(5)

設(shè)在N次試驗中， 安全系數(shù)K≤1的次數(shù)為numfailed，則邊坡的破壞概率Pf為

(6)

當(dāng)邊坡的安全系數(shù)服從正態(tài)分布時，可靠指標(biāo)β為

(7)

式中：μFS為安全系數(shù)平均值；σFS為安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。

圖6 土性參數(shù)c與φ值的相關(guān)系數(shù)r對可靠度指標(biāo)的影響

分析結(jié)果表明：黏聚力變異系數(shù)δc、內(nèi)摩擦角變異系數(shù)δφ及容重變異系數(shù)δγ的變化對邊坡安全系數(shù)均值μFs的影響較小(表4)，但對邊坡可靠度指標(biāo)β的影響極為顯現(xiàn)，可靠度指標(biāo)β分別隨著δc，δφ，δγ的增大而逐漸減小，其中黏聚力變異系數(shù)δc及內(nèi)摩擦角變異系數(shù)δφ對邊坡可靠度指標(biāo)β的影響最為顯著，容重變異系數(shù)δγ的變化對邊坡可靠度指標(biāo)β的影響小了許多，當(dāng)δc，δφ，δγ分別增加50%，其它隨機變量值不變時，可靠度指標(biāo)β分別減少20.03%，21.96%，3.03%；土體抗剪強度參數(shù)c與φ值的互相關(guān)性也會對邊坡穩(wěn)定性評價產(chǎn)生較大影響(圖6)，隨著抗剪強度指標(biāo)c與φ之間的負(fù)相關(guān)性的增強，可靠度指標(biāo)β相應(yīng)增大。因此采用固定的土性參數(shù)來計算邊坡的穩(wěn)定性不能全面地評價邊坡的穩(wěn)定性，而土體抗剪強度參數(shù)c,φ的變異性及其相關(guān)性是影響邊坡可靠指標(biāo)的一個極其重要的因素。

4 結(jié) 論

二維穩(wěn)定性計算結(jié)果表明：正常狀態(tài)下，覆蓋層邊坡的穩(wěn)定性較好，自重工況下安全系數(shù)可達(dá)1.166左右，暴雨工況為1.05左右。但是，在泄洪霧化條件下，由于霧化降雨對覆蓋層的降雨入滲作用，土體物理力學(xué)性狀、土體與基巖接觸面力學(xué)參數(shù)的惡化，該段覆蓋層穩(wěn)定性將變差。在暴雨工況下，邊坡安全系數(shù)接近1.0，在長期的霧化雨作用下，邊坡的安全系數(shù)最低為0.851。加之由于施工擾動，邊坡的穩(wěn)定性會進一步降低，可能發(fā)生土體滑坡。因此，需及時支護，以防止發(fā)生覆蓋層土體滑動破壞。

采用排水、噴錨支護和下部錨索加固的綜合處置措施。排水孔有利于邊坡地下水的疏導(dǎo)，提高滑體抗剪強度，設(shè)置間排距3 m的排水孔后，在霧化雨長期作用下，邊坡的安全系數(shù)可達(dá)到1.092(β值1.70)，高于未設(shè)置排水孔時的安全系數(shù)(0.851)；同時，噴錨支護可減少霧化雨入滲、增強滑體整體性，錨索可提高整個滑體的抗滑力，經(jīng)綜合比較分析，單位寬度的滑體錨索支護力可采用400 kN/m。

巖土體黏聚力變異系數(shù)δc及內(nèi)摩擦角變異系數(shù)δφ對邊坡的安全系數(shù)均值μFs的影響較小，而對邊坡的可靠度指標(biāo)β的影響極為顯著，容重變異系數(shù)δγ的變化對邊坡可靠度指標(biāo)β的影響小了許多，當(dāng)δc,δφ,δγ分別增加50%，其它隨機變量值不變時，可靠度指標(biāo)β分別減少20.03%,21.96%,3.03%；土體抗剪強度參數(shù)c,φ值的互相關(guān)性也會對邊坡穩(wěn)定性評價產(chǎn)生較大影響，隨著抗剪強度指標(biāo)c與φ之間的負(fù)相關(guān)性的增強，可靠指標(biāo)相應(yīng)增大。因此采用固定的土性參數(shù)來計算邊坡的穩(wěn)定性還不能全面地評價邊坡的穩(wěn)定性，土體抗剪強度參數(shù)c,φ的變異性及其相關(guān)性是影響邊坡可靠度指標(biāo)的一個極其重要的因素。

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