周 奎，程光威，姚晨輝,楊青云

(1.機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司，西安 710043；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術學院,陜西 渭南 714000；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065；4.中國重型機械有限公司，北京 100038)

0 前 言

水利水電工程多集中在高陡的山區(qū)，工程建設中的邊坡開挖常會破壞邊坡原有穩(wěn)定，造成邊坡變形，甚至失穩(wěn)，嚴重者還會導致人員傷亡及財產(chǎn)損失。近年來，有關專家學者對邊坡穩(wěn)定性研究較多，其主要分為兩大類分析方法，一類是定性分析，如圖解法[1-2]，工程類比法等；另一類是定量分析法，如極限平衡法[3]、可靠度[4]分析法等，運用相關有限元分析軟件，使用計算數(shù)據(jù)評價了邊坡的穩(wěn)定性。定性分析法簡單易操作，但缺少準確參數(shù)，無法為支護提供準確設計依據(jù)，定量分析雖然計算結果確定，但有時計算結果與事實背離，不足使人信服。

筆者在各位前輩研究的基礎上，使用圖解法與極限平衡法相結合的方法[5-7]，結合現(xiàn)場地質(zhì)編錄資料，邊坡監(jiān)測資料，運用Sarma原理的geo-studio軟件，對某水墊塘邊坡穩(wěn)定性進行了定性及定量分析，為邊坡支護提供了設計依據(jù)。

1 邊坡地質(zhì)情況及失穩(wěn)特征

1.1 邊坡地質(zhì)條件

該水墊塘邊坡位于右岸壩基下游，開挖高程為995.00～1 046.00 m，并分別在高程995.00、1 010.00、1 025.00 m設置馬道，邊坡走向N54°W，開挖坡比為1∶0.75～1∶1，邊坡開挖后采用掛網(wǎng)錨噴支護。

開挖揭露邊坡地層巖性主要為第四系坡積物、泥盆系下統(tǒng)(D1)砂礫巖類及泥盆系中統(tǒng)(D2)的泥質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖等，砂礫巖類多呈灰色、深灰色，板巖類呈紫紅、灰綠色；巖層層面產(chǎn)狀N25°～75°E，NW∠55°～65°。開挖揭露的主要構造帶為F11斷層， F11斷層帶整體產(chǎn)狀為N25°E ，NW∠77°，F(xiàn)11走向與邊坡走向近乎垂直，寬11～18 m，由泥質(zhì)板巖條帶、構造角礫巖及壓碎巖組成，膠結較差，斷層帶內(nèi)紫紅色泥質(zhì)板巖條帶、壓碎巖物質(zhì)等遇水易泥化、軟化，F(xiàn)11見圖1。

1.2 邊坡變形歷程、變形體范圍及形態(tài)特征

2018年9月19日，右岸水墊塘邊坡高程995.00～1 010.00 m范圍發(fā)生局部滑塌。2018年10月25日，在水墊塘右岸高程1 025.00～1 046.00 mF11斷層帶范圍噴混凝土邊坡發(fā)現(xiàn)多處裂縫，且高程1 046.00 m平臺混凝土路面上發(fā)現(xiàn)多處裂縫，伴隨兩場大雨后，自2018年12月12日起，高程1 046.00 m平臺裂縫發(fā)展加快、外側邊坡下沉，高程1 025.00 m馬道邊坡向外鼓出，裂縫平面見圖2。

因高程995.00～1 046.00 m邊坡自上而下變形特征不同，所以對邊坡根據(jù)高程進行分區(qū)域分析，各區(qū)域變形體范圍及形態(tài)特征見圖3所示。

(1) 1區(qū)域高程1 025.00～ 1 046.00 m之間的邊坡，高程1 046.00 m平臺混凝土路面發(fā)生開裂，主裂縫延伸長約20～30 m，裂縫寬度最大達10 cm，并有錯臺現(xiàn)象，高程1 025.00～1 046.00m邊坡坡面有多處橫向裂縫，裂縫走向基本與邊坡走向一致，寬度1～5 cm，且有鼓脹現(xiàn)象；高程1 025.00 m馬道內(nèi)側見明顯的裂縫剪出鼓脹。

(2) 2區(qū)域高程 1 010.00～1 025.00 m之間的邊坡，其變形主要為沿馬道外緣的開裂，坡體上噴射混凝土橫向開裂，裂縫走向基本與邊坡走向一致，裂縫寬度普遍小于2 cm，且各裂縫未貫穿。

(3) 3區(qū)域高程995.00～1 010.00 m，在F11斷層帶下游側的邊坡，邊坡出現(xiàn)了兩處塊體失穩(wěn)現(xiàn)象，表現(xiàn)為楔形體滑動。

1.3 邊坡變形監(jiān)測

為監(jiān)測邊坡變形，右岸邊坡高程1 025.00 m馬道垂直布置1套三點式位移計(YBP-M-01)，用于監(jiān)測邊坡位移變形情況,右岸邊坡監(jiān)測儀器布置見圖4。YBP-M-01三點式位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖5，從圖5可以看出，邊坡向臨空面位移量持續(xù)增加，2018年11月4日至2019年1月23日，監(jiān)測點孔口處位移量42.16 mm，3 m深度位移23.81 mm，11 m深度位移2.49 mm。

另外，變形發(fā)生后也對高程1 046.00 m平臺上的12號主拉裂縫寬度變化進行了持續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖6。從圖6可以看出，2018年12月14日至2018年12月19日，裂縫寬度增加了100 mm。

2個監(jiān)測點數(shù)據(jù)[9]都表明，邊坡正處于失穩(wěn)狀態(tài)。并且，從3點式位移計的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，邊坡在高程1 025.00 m處變形主要在淺表層3 m處，邊坡深部未發(fā)生較大變形。

2 變形機制分析及穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡變形機制

根據(jù)開挖編錄資料、現(xiàn)場調(diào)查情況以及變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合變形體分區(qū)、物質(zhì)組成及形態(tài)特征，綜合分析認為各區(qū)域變形體成因機制如下：

(1) 1區(qū)域的變形體主要為F11斷層，其邊坡穩(wěn)定性主要受巖(土)體的開挖松弛、及地表水下滲因素影響。雨水下滲導致巖土體迅速軟化，壓縮蠕變累計量大后形成滑面，滑面貫穿形成后，產(chǎn)生了較大的后緣拉裂、前緣鼓脹剪出變形，裂縫見圖7。且結合YBP-M-01監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以看出滑動剪切面位于淺部及3 m 深處，11 m深度處未形成滑動面；

(2) 2區(qū)域巖體質(zhì)量比1區(qū)域好，且2區(qū)域裂縫多沿坡面傾向方向展布，張開度普遍較小，受雨水滲入作用較1區(qū)域弱，因此2區(qū)域壓縮蠕變變形累計量較1區(qū)域小，變形量有限，變形體滑面尚未貫通形成。故其變形體主要形成機制為F11斷層帶形成的松散介質(zhì)和壓碎巖體邊坡的局部剪切滑移；此外，受高程1 010.00 m平臺以下兩處塊體失穩(wěn)影響，導致其高程1 010.00 m上部邊坡產(chǎn)生了多個牽引式的變形拉裂縫。

(3) 3區(qū)域邊坡巖體處于卸荷帶底部影響范圍內(nèi)，其變形特征主要為兩處局部的塊體失穩(wěn)現(xiàn)象，為N35°E，NW∠71°，N20°W，NE∠38°兩組節(jié)理在開挖面的切割導致的楔形體平面型滑移。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

本次采用geo-studio軟件，采用極限平衡Sarma[8]法進行穩(wěn)定計算分析。

Sarma法計算如圖8所示。假設在臨界水平地震加速度系數(shù)條件下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs，假定條塊的底面和側面均達到極限平衡，則可通過靜力平衡條件獲得臨界水平地震加速度 ，從而求得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

邊界條件為

(9)

公式(2)～(9)中：Wi為第i塊的自重,kN;Ui為作用在第i塊底滑面上的靜水壓力,kN;PWi為作用在第i塊側面的靜水壓力,kN;αi為第i塊底滑面與水平面的夾角,°;δi、δi+1為i塊兩側面與鉛垂面的夾角,°;bi為第i塊底滑面在水平面上的投影的長度,m;di為第i塊側面的長度,m;Fs為安全穩(wěn)定性系數(shù)。

選取相應的地質(zhì)參數(shù)，參數(shù)見表1，分別選取3條代表性剖面對3個區(qū)域分別進行穩(wěn)定性計算。

表1 邊坡穩(wěn)定性計算參數(shù)

2-2剖面在高程1 010.00～1 025.00 m范圍穿過F11斷層，是2區(qū)域代表剖面；3-3剖面在高程1 025.00～1 046.00 m范圍穿過F11斷層，是現(xiàn)場實際變形最大的控制性剖面，也是1區(qū)域代表剖面；6-6剖面在高程995.00～1 010.00 m范圍穿過F11斷層；是3區(qū)域代表剖面；計算各剖面在天然地下水條件下的邊坡計算滑面簡圖如圖9～12所示，最小安全穩(wěn)定性系數(shù)如表2所示。

表2 軟件計算最小安全穩(wěn)定性系數(shù)

軟件計算見圖13～15，計算結果表明，2區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)，1區(qū)域3區(qū)域處于失穩(wěn)狀態(tài)，由計算圖可知，1區(qū)域滑面未貫穿至1 025.00 m以下，這與3點式位移計的監(jiān)測結果顯示的滑動面在高程1 025.00 m處淺表層基本吻合，因此可以得出結論，1、3區(qū)域整體失穩(wěn)，2區(qū)域整體較穩(wěn)定。

且3區(qū)域出現(xiàn)了兩處滑塌，現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)這兩處滑塌主要是有兩組不利組合節(jié)理與開挖面切割巖體造成的楔形體滑動，節(jié)理與坡面產(chǎn)狀見表3。

表3 節(jié)理與坡面產(chǎn)狀

繪制極射赤平投影圖，見圖16。

分析赤平投影圖可以得出結論，該楔形體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這與軟件計算結果相吻合。

3 結 論

(1) 1區(qū)域邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，變形主要受巖(土)體的開挖松弛、及地表水下滲等因素影響，F(xiàn)11斷層帶的松散介質(zhì)因遇水迅速軟化，壓縮蠕變累計增大，并形成高程1 025.00～1 046.00 m的滑面，滑面貫穿形成后，產(chǎn)生了較大的后緣拉裂、前緣鼓脹剪出變形。

(2) 2區(qū)域邊坡整體穩(wěn)定，但上部受F11斷層帶形成的松散介質(zhì)和碎裂巖體邊坡的局部剪切滑移；下部受高程1 010.00 m平臺以下2處塊體失穩(wěn)影響，使2區(qū)域部邊坡產(chǎn)生了多個牽引式的變形拉裂縫。

(3) 3區(qū)域邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，其變形主要為兩處塊體滑移變形，是由N35°E，NW∠71°;N20°W，NE∠38°這兩組節(jié)理在開挖面上切割導致的楔形體滑移。