传递系数法在金沙江岸坡稳定性分析中的应用

(四川君信工程项目管理咨询有限公司，成都，610091)

图1 堤防工程沿线地势影像

1 研究背景

某拟建堤防工程位于宜宾市安边镇金沙江干流下游，距上游的向家坝水电站坝址约3.50km。堤防工程区总体上为河流侵蚀堆积及构造剥蚀地貌。地形北高南低，最高点位于豆坝村西北侧的不当岩村长冲湾，高程约680.0m，最低点为金沙江河谷约245.0m，相对高差约435m。主要地貌单元从北向南分别为中低山、阶地、河漫滩、河床，部分地段地形坡度较陡，缺失阶地。拟建堤防二标段主要位于金沙江左岸Ⅰ级阶地前缘或漫滩，仅局部为地形坡度较陡的基岩斜坡段。漫滩广泛分布于工程区，紧临金沙江，总体沿江呈南西至北东向展布，工程区内主要分为两段，即起点豆坝电厂至杨湾段和杨湾至乌木沱段。豆坝电厂至杨湾段滩面平缓，宽一般60m～220m，高程259.5m～274.5m，地势较平缓，其中豆坝电厂至豆坝水泥厂段因砂石料开挖使滩面高低起伏不平；杨湾至乌木沱段岸坡上陡下缓，枯水位以上岸坡坡角一般25°～45°，枯水位以下一般小于10°。阶地位于漫滩后缘，为河流堆积阶地。阶面高程一般280.0m～291.5m，宽度一般大于200m，地表坡度小于8°。受大沟、天心桥沟、新田湾沟、大溪沟、小溪沟等的切割，将阶地平台分成多块，下切深度一般5m～14m。拟建堤防工程沿线影像见图1。

由于当地经常出现特大暴雨和洪水，经常出现金沙江水位陡然上升和骤降的工况，在岸坡土体内动水压力进一步作用下，极易引发部分稳定性较差的天然边坡滑体产生塌滑，同时也将造成岸坡线的局部调整。当水位经常变化时，岸坡地下水位也逐渐变化，岸坡岩、土体长期处于非饱和状态，岩土体的抗剪强度逐渐降低，对天然岸坡的稳定性具有非常不利影响[1-3]。因此，有必要对该工程区内典型天然岸坡的稳定性进行评估，对后期工程建设采取合理的滑坡治理措施提供参考。

2 工程地质条件

该堤防工程区的基岩为侏罗系上沙溪庙组地层(J2s)：该地层主要由灰白、灰紫、暗紫色厚层至块状细—中粒砂岩、粉砂岩与暗紫、灰紫、紫红色泥岩不等厚互层组成的多韵律层。单韵律层厚度变化较大，薄者10m～20m，厚层100m～200m，总厚789.7m～812.2m。该组的特点是多韵律，颜色暗；泥岩普遍含钙质或钙质结核、团块，及含黄绿色粉砂岩条带或团块；砂岩具交错层理或斜层理，常见冲刷现象，底面不平整。砂岩层极不稳定，呈凸镜状或分岔、尖灭、再现现象，并含砂岩、灰岩、泥岩砾块或凸镜状砾岩，具高岭土化，粒度由下往上由粗变细。泥岩、泥质砂岩网状风化裂隙发育，底部分布砂质页岩。工程区内各类岩性分述如下：

(1)泥岩(Cr)：暗紫、紫红色，主要矿物成分为粘土矿物，泥质、粉砂质泥质结构，块状构造，含少量灰绿色粉砂质团块，夹少量极薄层砂岩。

(2)粉砂岩(St)：灰白、灰紫、暗紫色，主要矿物成分为长石、粘土矿物及云母等，粉砂质、泥质粉砂质结构，块状构造，泥、钙质胶结。偶夹薄层砂岩条带。

(3)砂岩(Ss)：灰白、灰紫色，主要矿物成分为长石、石英及云母等，中～细粒砂质结构，块状构造，钙质胶结。

(4)砂质页岩(Sb)：灰绿色，主要矿物成分为粘土矿物，以及石英、长石、云母等，泥质、粉砂质泥质结构，薄层状，片理发育。该层未在二标段钻孔中揭露，仅分布于水牛岩上游侧岸坡。

工程区位于石城山向斜的北翼。构造线呈北东向展布。地层产状：总体走向约30°，倾向112°～129°，倾角6°～11°；局部倾向NW(上游烧瓦沱至豆坝电厂段)，倾角一般小于9°。通过地质调绘及地质勘探：工程区内未见断层；泥岩裂隙不发育；强风化岩体风化微裂隙发育，发育无规律，延伸长度一般小于3m；粉砂岩、砂岩局部裂隙较发育。

在二标段起点上游三块石XQ40公路旁的巨厚层砂岩内进行裂隙统计，主要发育2组裂隙：第一组，走向70°～85°，倾向340°～355°，倾角60°～75°，裂隙微张～闭合，裂隙面较平直，未见充填，结合程度一般，贯通性较差，裂隙发育间距3.0m～5.0m，延伸长度10m～15m。第二组，走向275°～280°，倾向5°～10°，倾角72°，裂隙微张～闭合，裂隙面较平直，未见充填，结合程度一般，贯通性较差，裂隙发育间距4.0m～6.0m，延伸长度10m～15m，极少数>15m。砂岩岩体内还偶发育走向20°的陡倾角裂隙，倾向110°，倾角73°，裂隙局部微张，裂隙面平直较粗糙，无充填，结合程度较好，贯通性差，裂隙发育间距大于10m/条，延伸长度5m～10m。工程区大地构造属新华夏系第三沉降带四川盆地之西南，行迹以一系列北东—南西向的舒缓褶皱为主，近场区主要褶皱有宜宾背斜、田坝向斜、双河背斜、高县双河背斜、蟠龙场向斜及青杠坪背斜等，主要发育断裂有北东—南西向的华莹山大断裂和北西—南东向的峨眉—宜宾大断裂。

3 传递系数法计算原理

目前，常用的边坡稳定性计算主要有极限平衡法和有限元强度折减法[4-6]。传统极限平衡法是根据作用于岩土体中潜在破坏面上块体沿破坏面的抗剪力与该块体沿破坏面的剪切力之比，求该块体的稳定性系数，此法理论推导严格，国内相关边坡规范建议也采用极限平衡法计算边坡安全系数。传统的极限平衡法包括瑞典法、简化Janbu法、Bishop简化法、严格Janbu法等，随着极限平衡法的逐步发展，我国工程技术人员创造了一种实用滑坡稳定分析方法——传递系数法[7，8]。该法相比传统的圆弧法，适应性更强，计算结果也更加准确，并且能够为滑坡治理提供设计推力。因此，在国家规范和行业规范中都将其列为推荐的计算方法。当滑动面为折线形时，滑坡稳定性分析可采用折线滑动法，而不仅限于圆弧滑动，传递系数法原理如下[9-11]：

图2 传递系数法计算简图

第i条块的下滑力：

Ti=(Wi1+Wi2)sin θi+Dicos (αi-θi)

(1)

Ni=(Wi1+Wi2)cos θi+Disin (αi-θi)

(2)

第i块的抗滑力：

Ri=((Wi1+Wi2)cos θi+Disin (αi-θi))tan φi+ciLi

(3)

条块的天然重量、浮重量分别为：

计算渗透压力Di，渗透压力的几何意义是：土条中饱浸水面积与水的重度及水力坡降i≈sin αi的乘积，其方向与水流方向一致，与水平向的夹角为αi。

Di=γWiVid

(4)

则Di=γWhWLisin αicos θi

(5)

式中：γW——水的容重(kN/m3)；

γ——岩土体的天然容重(kN/m3)；

γ′——岩土体的浮容重(kN/m3)；

Viu——第i计算条块单位宽度岩土体的水位线以上的体积(m3/m)；

Vid——第i计算条块单位宽度岩土体的水位线以下的体积(m3/m)；

Wi1——第i条块水位线以上天然重量(kN/m)；

Wi2——第i条块水位线以下的浮重度(kN/m)；

θi——第i计算条块地面倾角(°)，反倾时取负值；

αi——第i计算条块地下水流线平均倾角，一般情况下取侵润线倾角与滑面倾角平均值(°)，反倾时取负值；

li——第i计算条块滑动面长度(m)；

ci——第i计算条块滑动面上岩土体的粘结强度标准值(kPa)；

φi——第i计算条块滑带土的内摩擦角标准值(°)。

当滑块在水下时，不考虑渗透压力，条块的重量用浮容重即可。

图3 水下条块的水压力计算

第i条块的剩余下滑力Pi：

Pi=KTi-Ri-Pi-1Ψi-1

(6)

第1条块：P1=KT1-R1

第2条块：P2=(KT2-R2)+(KT1-R1)Ψ1

第3条块：P3=(KT3-R3)+(KT2-R2)Ψ2+(KT1-R1)Ψ1Ψ2

第4条块：P4=(KT4-R4)+(KT3-R3)Ψ3+(KT2-R2)Ψ2Ψ3+(KT1-R1)Ψ1Ψ2Ψ3

……

(7)

上式中的K为防治工程的最小安全系数，对不同级别的防治工程，依据不同的荷载组合确定防治工程的最小安全系数。

当最后条块的滑坡推力Pn=0，K即为滑坡稳定性系数，用Fs表示。

(8)

(9)

式中，Ψi为推力传递系数，Ψi-1=cos (θi-1-θi)-sin (θi-1-θi)tan φi

(10)

4 计算条件设置及结果分析

由于工程区杨湾至乌木沱段岸坡以土质岸坡为主，稳定性差。该段岸坡总体以高程262.0m为界限，形成上陡下缓形态，上部为可塑状粉质粘土，中下部多为松散～稍密状粉细砂，局部底部分布砾石或卵石，坡脚基岩浅埋。局部岸段因人类活动采砂，产生了塌岸，形成的陡坎高达2m～6m。根据现场地质调查及勘探成果，选取坡度较陡、覆盖层厚度较大、前缘土体常年浸水的39-39′、44-44′代表性剖面进行稳定性计算。

4.1 计算参数的选取

根据各土层原位试验和室内物理力学性质试验的参数统计分析结果，结合有关规程规范的规定，以参数的统计平均值为基准，并类比地区经验对部分参数进行了修正，综合确定计算参数。根据三峡库区地灾治理勘察成果资料以及同类工程岩土体经验，综合确定岸坡稳定性计算参数。确定岸坡土体抗剪强度参数值时，一般以岸坡稳定性的宏观地质判断为前提。首先根据地质勘察成果，进行地质判断潜在滑带位置、形态、土质、可能滑面；根据滑坡现状进行反演分析得出的c、φ值验证；并参考类似工程的经验数据等多方面分析对比，充分考虑滑坡目前所处的环境、状态及地下水等诱发因素的影响。因此，根据本工程特点，并结合现场钻孔岩芯取样和试验，综合分析提出滑动面的抗剪强度指标及滑体的重度等计算参数，详见表1。

表1岸坡稳定性计算参数

4.2 计算工况及荷载组合

本工程岸坡后缘有内昆铁路经过，但对岸坡基本无影响，且无人类工程活动等其它动荷载，因此，在实际计算过程中只需要考虑土体自重。考虑到拟建堤防工程区岸坡所处的地质结构以及金沙江水位、暴雨对岸坡的影响，选取勘察期水位(即枯期水位)262.35m以及设计20年一遇洪水位284.6m为控制水位；选取20年一遇暴雨条件，并且滑动面选取饱和参数计算。根据国家地震局《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)，工程区位于Ⅶ度区，地震动峰值加速度值为0.1g，稳定性计算时应考虑地震荷载。参照《三峡库区地质灾害防治工程勘察技术要求》，根据上述条件选取4种典型工况进行稳定性计算，典型工况荷载组合见表2。

表2典型工况荷载组合及安全系数取值

4.3 计算结果及分析

采用传递系数法计算获得的断面39-39′、44-44′边坡稳定系数计算结果见表3，结果包含了表2中设置的4种工况。

表3金沙江滑移岸坡稳定性计算成果

从表3的稳定性计算结果可知，该拟建堤防工程区天然岸坡的现状稳定系数为1.211～1.221，即工况1(自重+地表荷载+勘察期间水位(枯期水位)262.35m)均大于临界安全系数1，处于稳定状态。而其它工况下均为欠稳定或不稳定状态，岸坡覆盖层可能产生滑动。而根据地质勘查资料显示，该段防洪堤内侧多为填方，而填方体的稳定将直接关系到建筑物基础的稳定，故在设计和施工过程中应采取必要的工程防护措施，保证建筑物基础及库岸的稳定。

5 结论

本文采用传递系数法对宜宾市金沙江某拟建堤防工程区内的2个天然岸坡断面进行稳定性分析，计算考虑4种工况，合理地考虑了金沙江水位升降的影响，通过分析不同工况下岸坡的稳定性计算结果，得到结论如下：在当前枯水期的天然工况下，两段岸坡的稳定系数为1.211～1.221，说明能基本保持自身稳定；而在考虑了暴雨、水位骤降和地震工况下的两段岸坡的稳定系数基本都小于1，说明此时的岸坡不能维持自身稳定，极有可能发生滑移或者垮塌，这是由于该地填方体较为松散造成的。因此，在后期防洪堤设计和施工过程中应采取必要的工程防护措施，从而保证建筑物基础及库岸的稳定。