基于简化Bishop法的船闸超高边坡整体稳定性计算分析

王彬谕 苏平

文章以广西某船闸工程超高边坡为例，基于简化Bishop法对边坡整体稳定性进行计算分析，评估边坡稳定性，并研究对比不同地下水位变化对边坡稳定性的影响，提出采用多种方式相结合的综合排水方案降低边坡地下水位，以保证边坡安全，为工程实践提供技术参考。

高邊坡;简化Bishop法;稳定性计算;地下水位

U641.2-A-51-182-3

0 引言

高边坡稳定问题是水利枢纽船闸工程中经常遇到的问题。高边坡的设计方案直接决定着工程建设的可行性与合理性，也影响到工程的投资经济性以及建成后的运行安全。高边坡的地质构造往往较为复杂，影响边坡稳定的因素也很多，因此边坡稳定计算需选择合理可靠的计算方法[1]。

极限平衡分析法是目前评价边坡稳定性的主要方法，是一种基于平衡理论的数学模型计算分析方法[2]。该方法是工程实践中应用最早、也是目前使用最普遍的一种定量分析方法。目前已有了多种极限平衡分析方法，如Fellenius法、Bishop法、Jaubu法、Morgenstern-Prince法、Sarma法、楔体极限平衡分析法等。该方法以安全系数作为度量边坡稳定的指标，经过长期的工程实践证明是目前最成熟、应用最广泛、有效和实用的边坡稳定性分析方法[3]。

本文以广西某船闸工程上游引航道右岸超高边坡为例，运用极限平衡分析法中的简化Bishop法进行边坡稳定计算分析。

1 工程概况

工程区域地貌为侵蚀～剥蚀低山丘陵地貌。根据地质勘察结果揭示，地层主要为第四系地层大面积覆盖，按其成因可分为人工堆积层（Qs）、冲积层（Qal）和残积层（Qel），下伏基岩为燕山早期侵入的花岗岩（γ1 5）。丘陵顶面高程为120～210 m，山体坡度一般约20°～25°，地表大部分为第四系残积层覆盖，厚0～15 m，下伏花岗岩多呈全风化状出露。全风化花岗岩广泛分布于整个场地，厚度一般>25 m，且随地形的增高风化厚度明显增大（最厚达55 m）。强风化花岗岩层厚度分布不均，一般为1.5～4 m，局部厚达20 m。弱风化花岗岩层厚度分布不均，厚度一般为10～30 m。

本文以船闸上游引航道右岸高边坡为研究对象，该边坡最大高差接近120 m，因此其边坡整体稳定安全成为本项目重点关注的主要工程地质问题。上游右岸边坡自引航道设计底高程50.00 m往上基本以全风化、弱风化花岗岩为主，属于岩土混合边坡。主要开挖地层部分为全风化花岗岩，少量冲积黏性土、强风化花岗岩及弱风化花岗岩。

以右岸高边坡群中一典型断面进行具体分析。该段边坡底高程为50.00 m，坡顶高程约为146 m，每级边坡坡比均为1∶2。由于边坡高差较大，考虑其稳定安全，因此边坡每隔10 m设一级马道作为减载平台。其中：50.00 ～80.00 m高程段马道宽2 m;80.00 m高程处为一条宽12 m的船闸上游右岸对外交通公路，同时兼作为一级减载平台;80.00～140.00 m高程段间隔布置2 m和8 m宽马道。边坡结构断面及地质情况如图1所示。

2 边坡整体稳定计算分析

该段边坡高差达到96 m，对于这种开挖高度及规模都较大的高边坡来说，需要对高边坡的稳定性进行专门的研究，以保证工程的安全、经济、可靠。根据《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2007）第5.2.7条相关规定，本文选用简化Bishop极限平衡方法计算边坡在不同控制工况下的整体稳定性，并对计算结果进行了比较，为工程实践提供参考。

边坡整体稳定采用有效应力法计算最小安全系数，计算公式如下：

K=∑[c′ ib i+（q ib i+W i-u ib i）tgφ′ i]cosα i+sinα itgφ′ iK∑（q ib i+W i）sinα i（1）

其中：

K——安全系数;

C′ i——第i个土条滑动面上土的粘聚力（kPa）;

b i——第i个土条的宽度（m）;

q i——第i个土条顶面上作用的荷载（kN/m2）;

W i——第i个土条的重度（kN/m），设计低水位以下用浮重度计算，设计低水位以上、浸润线以下用饱和重度计算;

α i——第i个土条弧线中点与水平线的夹角（°）;

φ′ i——第i个土条滑动面上内摩擦角（°）;

u i——第i个土条滑动面上的孔隙水压力（kPa）。

根据规范要求，结合本工程的特点，选取计算控制工况为：（1）工况1：正常运用条件;（2）工况2：非常运用条件Ⅱ（正常运用+地震）。计算结果（详见图2和表1）表明，采用坡比为1∶2的断面形式，边坡稳定满足规范要求，安全系数处于较合理的范围内，说明该坡比选取是合适的。

3 不同地下水位对边坡稳定影响分析

影响边坡稳定的因素复杂多样，但许多相关研究表明，地下水位的变化通过不同方式对边坡的整体稳定性产生不利影响。例如地下水位升高会降低土体的黏聚力和内摩擦角，影响土体重力、滑动力和抗滑力等，因此在进行边坡稳定计算时需要重点分析地下水位变化情况[4-5]。

分析选取的边坡段全风化花岗岩层厚达55 m，边坡开挖后全风化层呈松散砾状结构，遇水浸泡后强度指标下降较多，在降雨（尤其是突发性大暴雨）的作用下，有可能产生滑动变形。因此，本文以地质勘察阶段监测所得正常地下水位线为基准，通过设置不同高度的地下水位线（水位分别升高2 m、4 m和6 m）进行边坡稳定计算，进而研究其对边坡稳定的影响。不同地下水位情况下边坡稳定计算结果详见表2。

根据表2中不同地下水位情况下的边坡稳定计算结果可知，水位抬升2 m时，安全系数处于规范要求的安全范围内，边坡仍处于稳定状态;水位抬升4 m和6 m时，安全系数已经不能满足规范要求，边坡存在失稳与滑动的风险。根据计算结果推测，当地下水位不断抬升时，边坡整体稳定安全系数在不断降低，两者呈较显著的负相关关系。

4 边坡排水措施

上述计算分析表明，高边坡的整体稳定性与地下水位的变化十分密切，具有非常大的关联性。因此在进行边坡防护设计时，要查明地下水位的变化情况，做好边坡的截水和排水设计，减小地下水对边坡的不利影响。结合相关工程的经验，提出以下几点提升边坡排水性能的建议：

（1）深層排水管设置：右岸边坡整体较高，全风化层厚度较大，因此在边坡稳定性较差的区域设置深层排水管，用于降低地下水位。深层排水管采用软式透水管，沿航道中心线长度方向每10 m设置一根，处于全风化层的边坡每级马道布置一排，根据地形变化现场布置。深层排水管能够较好地将坡体深处的地下水导出至马道排水沟后排走。

（2）护坡坡面截排水沟设置：在边坡开挖边线外侧5 m设置截水明沟，拦截后方更高山体的来水;在护坡平台（马道）坡脚处设置排水明沟，每级平台排水沟末端设置1个集水坑;在护坡上相应设置护坡急流槽，急流槽设跌水坎，最后汇入位于80.00 m高程处的道路排水边沟。

（3）坡面排水突坎设置：本项目土质边坡采用混凝土网格+草皮的防护方式，在各个混凝土网格上沿坡面方向设置一个100 mm×50 mm（宽×高）的排水突坎，引导降水顺坡面方向汇入各级马道上的排水沟，可以在一定程度上减少雨水顺坡面流入坡体内。

高边坡应尽量采用地面截水、坡面排水与深层排水等多方面相结合的综合排水方案[1]，最大程度减少雨水下渗，降低边坡体地下水位，有利于提高边坡稳定性。

5 结语

本文以广西某船闸工程上游引航道右岸超高边坡为例，基于极限平衡分析法中的简化Bishop法对边坡整体稳定性进行计算分析。计算结果表明，采用坡比1∶2的断面形式下的边坡稳定能够满足规范要求，安全系数处于较合理的范围内，说明该坡比选取是合适的，可为工程实践提供一定的技术参考。

地下水位变化是影响边坡稳定的重要因素，文中研究对比了不同地下水位情况对边坡稳定的影响。结果表明，地下水位越高边坡稳定安全系数就越小。此外，建议采用多种方式相结合的综合排水方案，降低突发暴雨时山体的地下水位，保证边坡安全。

参考文献：

[1]林观涛.论述水利水电工程中高边坡的加固治理措施[J].建筑工程技术与设计，2016（19）：2 170.

[2]姚艳领.基于Bishop法的边坡稳定性分析[J].中国锰业，2016，34（4）：68-70.

[3]黄昌乾，丁恩保.边坡工程常用稳定性分析方法[J].水电站设计，1999，15（1）：53-58.

[4]刘新喜，夏元友，张显书，等.库水位下降对滑坡稳定性的影响[J].岩石力学与工程学报，2005，24（8）：1 439-1 444.

[5]肖志勇，邓华锋，李建林，等.库水位间歇性下降对堆积体滑坡稳定性的影响[J].长江科学院院报，2016，33（8）：114-119.