水位变化对滑移型库岸边坡稳定性影响的分析

2017-09-15

福建质量管理 2017年13期

(重庆交通大学河海学院重庆 400074)

刘韵然

(重庆交通大学河海学院重庆400074)

基于极限平衡理论的传递系数法来评价岸坡的稳定性及计算滑移型库岸的推力，结合三峡库水位运行特点，按照三种不同的工况进行稳定性验算，分别计算了水位的变化情况下库岸边坡的稳定性系数，分析了正常水位、洪水位、枯水位条件下的库岸的稳定性。结果表明，岸坡在无库水作用时，稳定性系数较高，在有库水位作用下，稳定系数减小，稳定性急剧下降，表明库岸稳定性对库水变动敏感，预测库岸的破坏方式是以滑移型为主。

库岸边坡；滑移型；稳定性分析；水位变化

一、工程地质概况

某库岸位于万州区大周镇上游8km吊龙村，距万州区约16.5km，为长江北岸(左岸)临江岸坡。库区交通便利，有水路及公路直达工程区。

该库岸在水库蓄水、大气降雨等不利因素作用下，处于欠稳定～不稳定状态，可能产生滑移型、剥蚀侵蚀型库岸，产生库岸破坏在所难免。因此，开展该段库岸的治理工作十分必要。

(一)地层岩性

地层主要为侏罗系砂、泥、砂质泥岩构成，库岸表面分布有第四纪风化物和冲积物。

(二)地质构造

该区域内勘察结果为南侧为反式单斜构造，并且岩层得倾向和倾角分别为335°、8°，区内北侧陡崖上分水岭,山顶最高高程380m，本区后缘位于斜坡上，高程为235m，高出长江现水位98.5m。区内地层为单斜构造，倾向335°，倾角8°。

根据钻孔勘察结果显示，在勘查区内，尚没有发现有断层构造，发现部分裂隙发育明显，主要发育有2组裂隙：

Ⅰ组裂隙，倾向和倾角均为45°，裂隙面平直且闭合，间距约为1～2.0m之间，目测延伸长度约1～3m；

Ⅱ组裂隙，倾向和倾角分别为115°，75°，裂隙面平直且闭合，间距约为0.3～1.6m，目测延伸长度不小于2m。

(三)水文地质条件

区内地表水充沛，并且岸坡坡体中发育有多条小冲沟，冲沟的流量为0.1～1L/s。总体上测区为一独立的水文地质单元。

(四)人类工程活动

该段库岸长度大，人类工程活动分布不均，主要为城镇建筑活动，除移民复建码头为再建工程外，目前无较大的人类工程活动，人类工程活动不强烈。

二、库岸基本特征及预测

(一)库岸类型

该段库岸长度约800m。地形起伏较大，最高处为岸坡后缘山坡等处，高程235m，最低点高程为136.50m，相对高差达98.5m。岸坡后陡中缓前陡，前缘至史家院子台地处坡度约20～30°，中部台地相对较缓，坡度约10～15°，后缘在圭蛋山坡度约25～35°。沟谷除龙王秋沟谷规模较大外，其它均为浅切沟，冲沟走向近垂直于长江。主要地貌单元表现为侵蚀剥蚀斜坡地貌[1,2,6]。

(二)库岸崩塌主要影响因素

1.内因

坡体的中下部分较为发育，后部土体是由冲洪积作用形成的粘土和陡崖风化形成的碎石土组成，对坡体有加载的作用。坡体下部碎石含量较少，而粉质粘土得含量相对较高，粘土遇水容易发生软化作用，从而形成软弱滑面(带)。库岸段斜坡地形较陡，岸坡整体土层分布较厚，这种岸坡形态本身稳定性较差。

2.外因

岸坡所在地区降雨量较为充沛，上部为粘土夹杂碎石体具有透水性，下部为基岩相对不透水，此时降雨就会沿着不透水面发生迁移，对坡体稳定性产生不利的影响。地下水主要有两个方面的作用，一是地下水的物理化学作用，通过改变岩土体的物理力学指标来危害工程实际，包括对土体的软化作用和对强度指标：内摩擦角和抗剪强度的减小，特别是污水作用会使土体产生有机粘膜，强度降低更显著，使坡体失稳；二是水力学作用，静水压力会改变有效压力的大小，动水压力会使得土体被带出影响岸坡稳定。

三、库岸破坏方式预测

(一)预测方法

定量估计水库建成后库岸崩塌的范围、宽度以及某一期限内和最终的库岸的宽度，是库岸防治设计的重要依据。本次所采用的预测方法为卡丘金预测库岸图宽度计算法[3-6]。

表1 各岩土水上、水下、动水位作用下稳定坡度角表

(二)库岸预测结果及其分析

根据上述各土层库岸岸坡坡角，利用卡丘金预测方法得出的库岸预测结果统计表见表2。

表2 卡丘金预测方法得出的库岸预测结果统计表

综合考虑得出175m以上的库岸预测宽度13.25～66.13m，库岸最高高程177.21～190.00m(吴淞高程)。

三、库岸稳定性分析

根据勘查报告，库岸发生整体性滑移塌岸的可能性大，库岸崩塌强烈。下面对滑移型再造岸坡稳定性分析与计算。

(一)岸坡稳定性现状分析

对库岸进行综合定性判断，其结果见表3。

表3 岸坡稳定性综合定性判断表

(二)滑移型岸坡稳定性计算

1.假设滑动面为折线连接而成，各条块通过传递系数法传递推力，并采用极限平衡理论，分析岸坡的稳定性和滑移型岸坡的推力。

其中传递系数法主要是指：第i块土条传递给第i+1块土条的推力Pi平行于第i块土条底部滑动面，且其计算方式为：

2.根据本库岸结构特征可以得出其发生整体坍塌的可能性比较大，结合三峡库区水位变动特点，按以下几种工况进行稳定性验算。

工况①：自重+建筑荷载+现状水位(136.5m)；抗滑安全系数k=1.20。

工况②：自重+建筑荷载+回水位175.1m、156.6m、139.1m+20年一遇的暴雨天气(非汛期)，安全系数取值k=1.20。

工况③：自重+建筑荷载+回水位162.4m、156.6m、145.1m+20年一遇的暴雨天气(汛期)，安全系数取值k=1.20。

工况分析：

工况①：单纯的只考虑自重力作用的时候，滑面的粘聚力和内摩擦角分别取天然状态下的c、φ值，没被地下水侵泡的土体重度取天然容重，被水淹没部分取土体的饱和容重。

工况②、工况③：用库体的水位高度表征地下水的出露位置，根据大型滑坡形成条件和三峡库区库岸边坡的典型案例得出：当岸坡前缘临空或者临近水面的情况下，地下水的临界水力坡度取值为20～25%(10～130)，可根据类比岸坡特征取水力梯度值，并进行稳定性的评价。利用大量的库岸边坡的实际经验，进行归纳总结，得出的经验方法，认为地下水位线自高水位与滑面的交点延伸到地面与低水位的交点。

根据勘察报告和相关规范[7]，稳定性计算参数如下：

表4 岩土计算参数表

天然状态下，坡体重量采集原状土样室内试验成果标准值γ=19.24kN/m3，在湿润的环境下土体的重度变化较大，而岩体的重度变化并没有多大差别，所以在采用土体重度的时候采用平均重度，即采集原状土样室内试验成果标准值γ饱=20.05kN/m3。

四、库岸稳定性分析

利用Slide软件通过极限平衡法进行库岸稳定性计算，Slide软件可以进行地层、滑面还有水位的识别功能，能够自动和手动结合式的进行条块划分，方便的进行条块间的物理力学参数的自动提取的功能，还能考虑到荷载组合效应的共同作用。

五、稳定性结果分析

库岸稳定性计算结果分析评价如下：

(一)工况①

自重+建筑荷载+现状水位

剖面1-1、剖面2-2、剖面6-6、剖面8-8所求稳定系数为1.012～1.021，库岸处于欠稳定状态。

剖面4-4、剖面5-5所求稳定系数为1.053～1.087，库岸处于基本稳定状态。

剖面3-3、剖面7-7所求稳定系数为1.240～1.50，库岸处于稳定状态。

(二)工况②

1.工况②-Ⅰ

自重+建筑荷载+回水位175.1m+20年一遇的暴雨工况(非汛期)

剖面2-2、剖面5-5、剖面8-8所求稳定系数为0.843～0.932，库岸失稳，发生滑移型破坏。

剖面1-1、剖面4-4所求稳定系数为1.104～1.123，库岸处于基本稳定状态。

剖面3-3、剖面6-6、剖面7-7所求稳定系数为1.205～1.227，库岸处于稳定状态。

2.工况②-Ⅱ

自重+建筑荷载+回水位156.6m+20年一遇暴雨(非汛期)

剖面2-2、剖面5-5、剖面8-8所求稳定系数为0.811～0.93，库岸失稳，发生滑移型破坏。

剖面1-1、剖面4-4所求稳定系数为1.013～1.033，库岸处于欠稳定状态。

剖面6-6、剖面7-7所求稳定系数为1.138～1.169，库岸处于基本稳定状态。

剖面3-3所求稳定系数为1.325，库岸处于稳定状态。

3.工况②-Ⅲ

自重+建筑荷载+回水位139.1m+20年一遇暴雨(非汛期)

剖面2-2、剖面8-8所求稳定系数为0.908～0.942，库岸失稳，发生滑移型破坏。

剖面1-1、剖面4-4、剖面5-5所求稳定系数为1.002～1.069，库岸处于欠稳定状态。

剖面3-3、剖面6-6、剖面7-7所求稳定系数为1.211～1505，库岸处于稳定状态。

(三)工况③

1.工况③-Ⅰ

自重+建筑荷载+回水位162.4m+20年一遇暴雨(汛期)

剖面2-2、剖面5-5、剖面8-8所求稳定系数为0.836～0.982，库岸失稳，发生滑移型破坏。

剖面4-4所求稳定系数为0.011，库岸处于欠稳定状态。

剖面1-1所求稳定系数为1.126，库岸处于基本稳定状态。

剖面3-3、剖面6-6、剖面7-7所求稳定系数为1.205～1.272，库岸处于稳定的状态。

2.工况③-Ⅱ

自重+建筑荷载+回水位156.6m+20年一遇的暴雨工况(汛期)

剖面2-2、剖面5-5、剖面8-8所求稳定系数为0.811～0.93，库岸失稳，发生滑移型破坏。

剖面1-1、剖面4-4所求稳定系数为1.013～1.033，库岸处于欠稳定状态。

剖面6-6、剖面7-7所求稳定系数为1.138～1.169，库岸处于基本稳定状态。

剖面3-3所求稳定系数为1.325，库岸处于稳定状态。

3.工况③-Ⅲ

自重+建筑荷载+回水位145.1m+20年一遇暴雨(汛期)

剖面2-2、剖面5-5、剖面8-8所求稳定系数为0.895～0.973，库岸失稳，发生滑移型破坏。

剖面1-1、剖面4-4所求稳定系数为1.037～1.047，库岸处于欠稳定状态。

剖面3-3、剖面6-6、剖面7-7所求稳定系数为1.257～1.475，库岸处于稳定状态。

根据上述计算，该段岸坡在无库水作用时，稳定性系数较高。在有库水位作用下，稳定系数减小，稳定性急剧下降，表明库岸稳定性对库水变动敏感。该段库岸长度约800m，坡体由粉质粘土夹碎块石构成；目前岸坡已出现变形破坏现象。为土质岸坡。库岸在三峡水库蓄水运行时，处于欠稳定～不稳定状态，可能产生塌岸危害。预测库岸破坏方式以滑移型为主。