倪 達

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

邊坡滑動破壞是河道險工段邊坡、土石壩和堤防等工程常見的破壞形式之一[1-2]?；缕茐囊坏┌l(fā)生將對當?shù)厣鐣?、?jīng)濟和生態(tài)等方面產(chǎn)生嚴重的負面影響，因此，邊坡穩(wěn)定性分析一直是河道工程運行管理中備受學者關(guān)注的問題之一[3-5]。

河道險工段由于地基差、滲流多以及水流沖刷嚴重等問題，其邊坡的安全穩(wěn)定性能亟待提高[6]。因此，在河道工程治理過程中，較常采取一系列的支護措施以避免邊坡發(fā)生滑動破壞。然而，這些工程措施的治理成本較高，若采取過于保守的處理方案可能造成資源浪費。因此，在工程設(shè)計過程中正確合理地進行邊坡穩(wěn)定性計算是一個重要研究課題[7-10]。

本文選擇河道險工段不同工況下兩個關(guān)鍵斷面，利用Autobank有限元軟件，并采用畢肖普法對河道邊坡的穩(wěn)定性進行計算。分析了不同工況對邊坡穩(wěn)定性的影響，為河道邊坡穩(wěn)定性分析和治理等提供科學參考。

2 工程簡介

2.1 工程概況

西江中下游地區(qū)具有廣闊的集水面積和低洼的地勢，上游洪水集中流入導致西江洪澇災害頻繁發(fā)生。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，西江地區(qū)在1959年、1961年、1988年和2005年等年份曾多次遭受了較大規(guī)模的洪水。

作為西江的主要支流之一，賀江面臨著一系列因滲流引起的邊坡穩(wěn)定性問題。經(jīng)過多年的治理，賀江堤防邊坡仍存在防洪標準不達標、危險工段多等問題，亟需治理。

2.2 水文氣象條件

西江具有廣闊的集水面積和豐富的徑流量，導致該地區(qū)所遭受洪水峰高量大且持續(xù)時間長。西江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，北回歸線經(jīng)過西江干流北側(cè)，氣候炎熱多雨。多年平均氣溫為21.4℃，流域內(nèi)降雨以鋒面雨為主，同時受臺風雨的影響，常引發(fā)大范圍短期暴雨，從而增加邊坡失穩(wěn)的風險。

2.3 地形地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果可知，已建堤防的填筑材料為人工填土，主要由粉質(zhì)黏土組成，上部有較多碎石塊。試驗結(jié)果表明，堤身填土的壓實系數(shù)為0.862～0.902，其密實度較低，屬于中壓縮性土壤。整體而言，人工填土具有較弱的透水性，上部夾有中等透水性的碎石土層。堤基主要由粉質(zhì)黏土、花斑黏土、全風化粉砂巖等組成，各土層的地基承載力處于中等水平，并具有較弱的透水性，為較好的堤基持力層，不存在滲透變形等問題。然而，岸坡多次發(fā)生滑塌導致堤身失穩(wěn)等事故發(fā)生。為減小邊坡失穩(wěn)造成的危害，同時避免經(jīng)濟成本過高造成浪費，需合理確定治理方案，本文結(jié)合岸坡的穩(wěn)定情況，構(gòu)建相應(yīng)的本構(gòu)模型對賀江邊坡的穩(wěn)定性能進行計算和分析。

3 方法

3.1 有限元法分析邊坡穩(wěn)定的優(yōu)勢

有限元法在邊坡穩(wěn)定性的計算中具有顯著優(yōu)勢：① 能夠?qū)哂袕碗s地質(zhì)地貌條件的邊坡進行應(yīng)力計算；② 能夠考慮材料的非線性彈塑性本構(gòu)關(guān)系，并考慮變形對邊坡應(yīng)力的影響；③ 能夠模擬邊坡的失穩(wěn)過程及其滑裂面的位置和形狀；④ 能夠模擬邊坡和支護共同作用下的應(yīng)力變化情況；⑤ 計算安全系數(shù)時，無需事先假設(shè)潛在危險滑裂面的位置和形狀，也無需進行條分，通過計算可自動搜索出最不安全斷面的位置[11-12]。

3.2 畢肖普法原理

畢肖普法是一種常用于邊坡穩(wěn)定性分析的方法，該方法通過計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs來評估邊坡的穩(wěn)定性，并將Fs定義為沿危險滑裂面的抗剪強度τf和實際邊坡滑動產(chǎn)生的總剪應(yīng)力τ的比值，即：

(1)

結(jié)合有限元原理，則Fs和實際材料中的凝聚力c、內(nèi)摩擦角φ及達到臨界破壞時的強度參數(shù)c′和φ′之間的關(guān)系[13]如下：

(2)

利用有限元原理計算邊坡穩(wěn)定性時，首先構(gòu)建基于有限元的本構(gòu)模型。通過強度折減，模型達到不穩(wěn)定狀態(tài)，當折減系數(shù)(即安全系數(shù)Fs)低于一定值時，邊坡發(fā)生破壞，破壞面即危險滑裂面。

3.3 Autobank有限元模型

Autobank是專門針對土石壩、邊坡、堤防等建筑物進行滲流和邊坡穩(wěn)定性計算而開發(fā)的軟件。該軟件遵照現(xiàn)行的有關(guān)邊坡穩(wěn)定和安全計算的規(guī)定，采用有限元方法來進行邊坡的穩(wěn)定性分析。Autobank通過導入地層及建筑物文件，能夠建立基于有限元的本構(gòu)模型[14]，并利用滲流計算模塊和邊坡穩(wěn)定模塊實現(xiàn)滲流、變形、應(yīng)力和穩(wěn)定性計算一體化處理[15]。

4 實例計算

4.1 計算條件

4.1.1斷面選取

由于邊坡在斷面XH0+175位置處地形條件發(fā)生改變，其上下游不同位置的結(jié)構(gòu)和滲透性能存在差異，導致賀江不同位置邊坡發(fā)生滑坡的可能性不同。本研究以斷面XH0+175為分界線，選取兩個典型斷面XH0+46和XH0+424作為控制斷面進行滲流穩(wěn)定性的計算和分析。

邊坡加固前，所選兩個斷面的坡比均處于1∶1.4～1∶1.8之間。其中，斷面XH0+46呈兩段式梯級邊坡，斷面XH0+424呈4段式梯級邊坡。

4.1.2參數(shù)設(shè)置

根據(jù)地質(zhì)勘測成果，結(jié)合適用的計算方法，各地層采用表1所列的材料強度系數(shù)。

表1 邊坡體各材料的強度參數(shù)

基于相關(guān)規(guī)定，本研究將地震動峰值加速度設(shè)定為0.05g，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅳ度。此外，本研究中堤防的背水側(cè)高程均等于或高于堤壩高程，因此背水側(cè)不會發(fā)生滲透破壞。而臨水側(cè)較常發(fā)生滲透破壞，因此在平均高水位高程以下采取了植草護坡、磚護坡、模袋混凝土與拋石護腳等工程措施進行加固。高水位滲流計算表明，迎水坡的最大比降為0.1，滿足出溢處人工填土要求的臨界坡降要求。

4.1.3計算工況

為了充分驗證危險邊坡加固前后的抗滑穩(wěn)定性和相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)Fs，本文選用正常運行工況(工況1、2、3)和非常運行工況(工況4、5)共5種工況進行邊坡穩(wěn)定計算及分析。

工況1：賀江水位為26.434 m(50年一遇設(shè)計洪水位)的情況下臨水坡穩(wěn)定性計算；工況2：賀江水位為9.664 m(汛期平均水位)的情況下臨水坡穩(wěn)定性計算；工況3：賀江水位為4.34 m(10月—次年3月的平均水位)的情況下臨水坡穩(wěn)定性計算；工況4：賀江水位為4.34 m(10月—次年3月的平均水位)的情況下施工期臨水坡穩(wěn)定性計算；工況5：賀江水位從26.434 m(50年一遇設(shè)計洪水位)在20 h內(nèi)驟降至20.274 m(多年平均洪水位)的情況下臨水坡穩(wěn)定性計算。

此外，當加固前堤頂高程未達到相應(yīng)水位時，取堤頂高程以下0.5 m為外江水位進行穩(wěn)定性計算。

4.2 計算結(jié)果及分析

為了更清晰地分析不同工況下賀江險工段邊坡穩(wěn)定性的變化情況，本文根據(jù)前述理論和方法，使用Autobank有限元軟件計算其穩(wěn)定性，并確定邊坡的危險滑裂面。因斷面XH0+424位置處地形結(jié)構(gòu)更為復雜，因此本研究以斷面XH0+424作為典型案例進行邊坡穩(wěn)定性計算及分析。

4.2.1工程加固前邊坡穩(wěn)定性

圖1展示了斷面XH0+424施工前的邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果及危險滑裂面位置，此外，圖中給出了4種工況下水位分布情況。

a 工況1(50年一遇的設(shè)計洪水位)

分析圖1可知，當邊坡處于工況1、3、5的情況下時，其危險滑裂面所處位置相差不大，且安全系數(shù)均略低于規(guī)范規(guī)定值。

當邊坡處于汛期正常水位以下時，水位上升使邊坡承受更大的水壓力，導致危險滑裂面向下移動。這種現(xiàn)象可能與水力作用和土壤的滲透性能等因素相關(guān)。為避免邊坡失穩(wěn)、邊坡的坡度及滑坡面積增大等，我們采取一系列工程支護措施加固邊坡，并改善邊坡水流特性避免水力沖刷等。

4.2.2工程加固措施

根據(jù)上述計算結(jié)果可知，加固前邊坡危險滑裂面的安全系數(shù)均低于規(guī)范要求。對于斷面XH0+424(4段式梯級邊坡)，為了節(jié)省經(jīng)濟成本，同時避免滑坡等事故的發(fā)生，從上至下第1段邊坡選用草皮護坡進行支護，加固后的邊坡坡比為1∶2.25；第2、3段邊坡均選用植草護坡磚進行支護，加固后的邊坡坡比分別為1∶2.25和1∶2；第4段邊坡選用C25膜袋砼+拋石對邊坡進行支護，加固后的邊坡坡比為1∶2.5。相比加固前，該段邊坡的坡比和滲透性能均有所改善。其滲透系數(shù)處于1～9.9×10-9～10-2之間。此外，選用賽克格賓石籠結(jié)構(gòu)加固坡地以提高安全性。

需注意的是，對地下土層進行開槽、鉆孔、地基處理等工序前，需對地下土層進行人工探挖至3 m處，避免破壞地下管線等。施工期間應(yīng)加強開挖邊坡位移、沉降等的監(jiān)測，避免施工過程中發(fā)生危險。

4.2.3工程施工后邊坡穩(wěn)定性

圖2給出了斷面XH0+424工程加固后的邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果及危險滑裂面所在的位置。

a 工況1(50年一遇的設(shè)計洪水位)

對比分析圖1和圖2可知，經(jīng)過工程加固后，邊坡最危險滑動面的傾斜角明顯減小，較小的傾斜角表明邊坡的抗滑穩(wěn)定性更強，更不易發(fā)生滑動破壞，即工程加固對邊坡的穩(wěn)定性起到積極作用。

由圖2可知：

工況1和工況5臨水坡水位較高，危險滑裂面所在位置均較淺；工況2、3和4臨水坡水位較低，危險滑裂面位置較深。

工程加固后該斷面的安全系數(shù)Fs處于1.29～1.55之間，且正常運行工況下的邊坡安全系數(shù)均大于非常運行工況，表明在正常運行工況下，邊坡更加能夠承受水流和其他外力的作用。

正常運用時臨水高水位(工況1，F(xiàn)s=1.550)比低水位(工況2，F(xiàn)s=1.371)安全性更好；同為低水位，施工期(工況4，F(xiàn)s=1.293)比正常運行期(工況3，F(xiàn)s=1.471)穩(wěn)定性低。

當發(fā)生洪水(50年一遇的設(shè)計洪水位)水位驟降時，邊坡作用向外滲透拉力，邊坡最易滑動(工況5穩(wěn)定系數(shù)1.158最小)。

4.2.4計算結(jié)果分析

我們對斷面XH0+46采取了相應(yīng)的支護措施提升其穩(wěn)定性。從上至下第1段邊坡選用砼框格梁護坡進行支護，加固后邊坡坡比為1∶1.85；第2段邊坡選用C25膜袋砼+拋石對邊坡進行支護，加固后邊坡坡比為1∶2.5。坡地同樣采用賽克格賓石籠結(jié)構(gòu)進行加固。

與上述對斷面XH0+424計算相同，本文對不同工況下斷面XH0+46在工程加固前后的邊坡安全穩(wěn)定性進行了模型計算，并將其計算結(jié)果列于表2中。

表2 不同工況下兩個關(guān)鍵斷面的安全系數(shù)

計算結(jié)果表明，通過一系列工程加固措施，賀江險工段臨水坡的穩(wěn)定性能得到進一步增強，邊坡兩個斷面在正常運行工況和非常運行工況下，最小安全系數(shù)Fs均大于規(guī)范規(guī)定的允許安全系數(shù)，滿足邊坡抗滑穩(wěn)定要求。且整體來看，斷面XH0+46在施工前后的邊坡穩(wěn)定性優(yōu)于斷面XH0+424。

此外，對于斷面XH0+46，在加固前的4種工況計算中，F(xiàn)s均低于規(guī)范值，表明該斷面面臨邊坡失穩(wěn)的風險。經(jīng)過工程加固后的邊坡在各種工況下Fs均有一定程度的提高。特別是在面臨50年一遇的設(shè)計洪水位時，賀江邊坡的Fs最高，達到1.618，超出規(guī)范值34.8%。當賀江水位發(fā)生驟降時，其邊坡的Fs達到1.246，超出規(guī)范值8.3%。此外，工況2和工況3的Fs也分別提高了11.6%和15.2%。整體上經(jīng)加固處理后的工程斷面XH0+46的邊坡穩(wěn)定性滿足需求。

對于斷面XH0+424，該段邊坡工程加固前，其Fs均低于規(guī)范值。工程加固后5種工況下的邊坡Fs均滿足需求。當面臨50年一遇的設(shè)計洪水位時，賀江邊坡的Fs達到1.550，超出規(guī)范值29.2%。工況2和工況3的Fs分別提高36.0%和44.8%。當水位發(fā)生驟降時，邊坡的Fs為1.158，超出規(guī)范值僅0.7%。盡管經(jīng)過工程加固，斷面XH0+424的穩(wěn)定性已滿足需求，但安全裕度不多，因此須重點關(guān)注該斷面及附近邊坡的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

1)本文總結(jié)邊坡抗滑穩(wěn)定性計算有限元法和畢肖普法的原理及應(yīng)用，詳細介紹有限元原理計算邊坡穩(wěn)定性的優(yōu)點和邊坡破壞的定義，并以賀江險工段兩個關(guān)鍵斷面作為實例進行計算分析，驗證了其有效性及可行性。

2) 不同材料的凝聚力和內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)之間存在正向相關(guān)，因此在工程支護時，可選用凝聚力和內(nèi)摩擦角相對較大的支護材料。

3)經(jīng)過草皮護坡、植草護坡磚、C25膜袋砼+拋石、砼框格梁護坡和坡地賽克格賓石籠結(jié)構(gòu)加固等一系列工程支護加固措施，邊坡坡比由加固前的1∶1.4～1∶1.8改善為1∶1.85～1∶2.5，邊坡各種工況的滲透性能和穩(wěn)定性能均得到有效改善，穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。