三峡库区岩湾桥西高切坡稳定性分析研究

舒 记 王康平

（三峡大学土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002）

随着三峡工程建设的不断开展,以及人类生活建设的需要,不可避免地产生了许多人工高切坡.同时,鉴于三峡库区特殊的地质地理环境,天然地形成了很多较为发育的危岩、滑坡、崩塌等地质灾害,而这些灾害的稳定与否直接影响着附近居民的生命财产安全和公路交通的正常运营[1].因此,首要的问题是快速、科学、有效地分析出这些灾害的稳定性,并采取相对应的有力措施对其进行防护治理.

由于目前人们对高切坡的变形破坏规律认识不够充分,也没有一套较为行之有效的边坡稳定分析方法,以及对治理设计中防护工程的有效性缺乏定量的判断,致使灾害事故发生率隐隐呈现上升趋势[2].因此,本文对三峡库区巴东县岩湾桥西高切坡进行了稳定性计算分析,并在综合工程相关实际条件的基础上提出了对应的治理意见,为以后的灾害分析治理提供参考.

1 工程概况

1.1 高切坡基本情况

巴东县处于中纬度带,属亚热带季风气候区,四季分明,气候温和湿润,多年平均气温17.5℃,多年平均降雨量1100 mm,最大年降雨量1522.2 mm（1984年）,5～9月为雨季,其降雨量占全年降雨量的70%以上.由于地处鄂西暴雨中心,其雨季大多下暴雨,1h最大降雨量达75.0mm（1991年8月6日）,1d最大降雨量达193.3mm（1962年7月15日）,3 d最大降雨量达500 mm.雨量集中,降雨强度大,是诱发高切坡产生变形破坏的因素之一.长江自西向东流经新城区北缘,洪水期一般出现在7～9月间,最大洪峰流量75000m3/s；最枯流量2700m3/s.

岩湾桥西高切坡位于三峡库区巴东县信陵镇大坪小区,在地貌单元上位于长江右岸低山斜坡地貌的中下部,坡脚为北京大道,在北京大道东侧（距坡脚12m）沿线分布共计14栋移民住宅楼.该高切坡坡长200m,坡顶高程 292～307 m,坡底高程253～263.5 m,坡高 30～ 50m,坡角 15°～ 64°,平均坡角 45°.坡面面积12780m2,走向近南北向,倾向53°～85°,平面形态大致呈折线型,剖面形态总体为上缓下陡.顶部缓斜坡坡度为15°,其上发育有3条平行于下方公路的拉裂下座坎,走向为 340°,坎高 0.5～2 m,长度为50～200m,由于农田耕种,拉裂下座坎大多数被改造成干砌石碚,使得下座坎呈断续状.

1.2 地层岩性

岩湾桥西高切坡由三叠系中统巴东组第三段（T2b3）组成,坡顶为第四系残坡积碎、块石土（Qedl）,局部有崩积土（Qcol）,厚度较薄.

崩积土（Qcol）分布于该高切坡东侧,有二处坡积体（A+015～A+040段和 A+090～A+140段）,厚1.30～4.00m,为碎石土.灰黄色,由碎石、块石和粉质粘土组成,碎、块石含量约60%.碎石直径一般2～5cm,块石块径一般25～50cm,大者达100cm,碎、块石成份为泥质灰岩,多呈中等风化状,充填可塑状粉质粘土；土稍湿,呈稍密～中密状.

残坡积土（Qedl）分布于坡顶,厚度 0.50～1.90 m,为碎石土,含块石,灰黄色,碎、块石含量 60%～70%,碎石直径5～20cm,块石直径30～50 cm,成份为泥质灰岩,中等风化,棱角状,充填可塑状粉质粘土；稍湿,中密.

三叠系中统巴东组第三段（T2b3）,在坡面出露,灰黄色中厚层状灰岩,单层厚度20～40 cm,泥晶结构,岩石裂隙发育,多为张性,隙宽0.05～30 cm不等,岩体呈镶嵌碎裂结构,岩石呈中等风化.

1.3 地质特征与主要地质问题

1.3.1 高切坡地质结构与岩性特征

高切坡防护区及四周,出露地层自下而上为中生界三叠系下统大冶组薄-中厚层状灰岩与泥质灰岩及嘉陵江组灰岩夹云质灰岩、中统巴东组泥质灰岩夹灰岩及泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等,以及第四系残破积、崩坡积碎石土.区内分布地层为巴东组,地层岩体裂隙发育、岩质较软,高切坡易发生变形破坏.

1.3.2 已经发生的主要地质问题

该高切坡已发生两处崩塌,位置分别为A+015～A+040段和A+090～A+140段.A+015～A+040崩积体位于高切坡西段南端,平面形态呈半椭圆形,纵长18.5m,横宽 29.00 m,厚 1.30～ 4.00m,分布面积270m2,总方量540 m3；A+090～A+140崩积体位于高切坡西段中部,平面形态呈弯月形,纵向最长17.00m,横向最宽 45.00 m,厚 1.30～2.80m,分布面积380m2,总方量570m3.

两崩积体均是坡体破碎岩体崩塌堆积而成,由泥质灰岩碎、块石组成,呈稍密-中密状,散体结构.

图1 高切坡平面结构示意图

2 切坡稳定性分析与评价

2.1 切坡破坏模式分析

2.1.1 已发生的变形破坏情况

崩塌情况见前面主要地质问题,两崩积体均是坡体破碎岩体崩塌堆积而成,由泥质灰岩碎、块石组成,呈稍密～中密状,散体结构.2.1.2 预测的变形破坏模式

该高切坡发育有一向一背两个小褶曲,两褶曲轴线近平行,SE∠350°,同时伴生大量的构造裂隙.

高切坡为层状岩体组合类型,并存在外倾结构面.根据槽探资料,在坡体的后缘地带,普遍分布有一组（第①组）与坡向近似一致的裂隙,其裂隙长度一般9～26m,张开度一般在1～15m,切层性强.该组裂隙把切坡后缘的岩体切割成向外倾斜的块体.外倾块体会沿裂隙面断开,顺岩层层面产生折线型的滑移变形.另外,岩体受裂隙影响,岩体较破碎,在长期的风化作用下坡面可能会产生局部小方量崩塌或掉块.

2.2 稳定性计算与评价

2.2.1 规范计算方法

（1）计算公式

由于岩体可能产生折线滑移破坏,所以采用推力传递系数法进行计算,稳定性安全系数计算公式如下[3-5]:

式中,Wi为垂直荷载；Qi为水平荷载；Ui为剪切面上的孔隙水压力的合力；c′、φ′为剪切面抗剪强度；i为条块底部长度；αi为条块底面倾角；求解稳定性系数K的条件是Pn=0.

（2）计算工况

天然工况:自重+地表荷载；暴雨工况:自重+地表荷载+50年一遇暴雨.

（3）荷载条件

自重:天然工况取天然重度,暴雨工况取饱和重度；地下水:天然工况不考虑地下水,暴雨工况按工程类比对C、φ值进行修正；地震:三峡库区地震基本烈度为6度,高切坡防护工程设计不考虑地震荷载.

（4）计算参数

计算条件分为天然和暴雨两种工况,其稳定性计算力学参数见表1.

表1 稳定性计算力学参数一览表

（5）稳定性计算

根据现有地质条件进行分析,选取典型地质剖面进行计算[6-7],其中两个剖面的计算模型如图2～3所示,计算结果见表2.

图2 2-2′剖面计算模型

图3 3-3′剖面计算模型

表2 各剖面稳定系数计算结果表

2.2.2 有限元计算方法

本文利用有限单元法,通过强度折减来求边坡稳定安全系数.通过强度折减,使系统达到不稳定状态时,有限元计算将不收敛,此时的折减系数就是安全系数[8].

（1）计算参数的选取

表3 滑带（体）土力学性质指标

（2）有限元模型的建立

ADINA模拟岩土工程问题的关键技术主要表现在:其定义的具有单元生死的重复单元可以定义锚杆等单元；结构模块的单元死亡,用户可以任意控制单元生死的过渡时间长短,而且在单元存在残余刚度的某个时刻,支护单元开始启动刚度,更加符合工程实际等等.因而本文最终选取ADINA进行模拟计算[9],模型图如图4所示.

图4 典型剖面模型图

（3）计算结果分析

通过分别计算切坡在两种工况下的稳定情况,最终得到在天然工况下各剖面的稳定性系数,计算结果见表4,对于相应条件下典型剖面的计算云图如图5～6所示.

图5 典型剖面位移云图

图6 典型剖面有效应力云图

表4 各剖面稳定系数计算结果表

2.2.3 稳定性评价

根据高切坡防治工程的相关技术要求和有关规范规程,结合本文规范方法和有限元方法的稳定性计算结果进行对比分析:最终确定该高切坡的防护工程安全等级为一级,防护工程安全系数为1.35[2,10-13].

稳定分析与计算结果表明,该切坡在天然状态下处于基本稳定状态,但当稳定性机制发生变化时,就会产生崩塌、掉块或折线型滑移破坏,因此必须采取相应的治理措施.

3 治理措施

本研究经过对岩湾桥西高切坡采用常规分析与有限元模拟计算,对比分析结果,结合已有的工程经验与本工程的实际情况,通过多次计算验证,最终提出了如下治理措施:

（1）护脚墙工程:在坡脚位置设置重力式护脚墙,以防止坡脚破坏,增加美观性.墙外露高度为0.5 m,埋深0.5m,顶宽为0.5m.

（2）预应力锚索工程:坡面清理后在墙顶10 m以上坡面采用预应力锚索支护,锚索规格为1500 kN级,长度为45m,水平间距和竖直间距分别为3 m、5 m,锚索张拉预应力为设计吨位的70%,即1050kN.

（3）钢筋混凝土格构圈梁工程:在预应力锚索支护区布置格构混凝土圈梁,将预应力锚索锚固墩连成整体.

（4）排水工程:在坡顶布置两条截水沟,在坡脚布置一条排水沟.

（5）柔性防护网工程:在坡脚护脚墙顶布置一道柔性防护网,网高4 m,工字钢固网柱柱顶与格构圈梁拉接.

采用上述防护措施治理后,该高切坡防治区域经计算能满足安全标准的要求,所有剖面在暴雨条件下,稳定系数均大于1.35.在设计工况下,两典型剖面的推力曲线图如图7～8所示.

4 结 论

本文在结合岩湾桥西高切坡工程实际的基础上,依托《三峡库区高切坡防护规划大纲》和《地质灾害防治条例》,参考《建筑边坡工程技术规范》等规范规程,全面考虑施工条件、成本投资等因素,进行了稳定性计算研究,最终得出如下结论:（1）该切坡在一般情况下处于基本稳定状态,如果出现强降雨等诱发因子,就会产生崩塌、掉块或折线型滑移破坏.（2）通过对比分析规范方法和有限元方法的稳定性计算结果,得出采用多种分析方法对工程进行耦合研究,能够更加全面有效地进行稳定性评价,提高研究的可信度及设计的可行性.（3）宜采用预防为主,防治结合的方针,加强宣传及管理意识,尽可能地减少灾害的发生及可能产生的严重后果.

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