某高边坡不同削坡方案稳定性对比分析

2022-04-11任斌

陕西水利 2022年3期

任斌

（中铁十一局集团有限公司,湖北武汉 430061）

1 引言

边坡的稳定直接影响工程的安全稳定甚至人民生命财产安全。对于大型高边坡工程更是可能造成更加深远和严重的危害,因此在修建道路、桥梁、水利工程过程中,对高边坡的边坡稳定性进行评价是一个非常重要的工作,特别是降雨之后更加会引起边坡的失稳破坏,一旦发现高边坡可能产生失稳就必须采取有力的预防和处理措施［1-2］。在工程运行过程中高边坡也可能产生过大的变形,此时对边坡进行处理也必不可少［3-4］。某工程高边坡运行过程中监测到产生了较大变形,对工程造成潜在危害,因此计划对边坡采取削坡处理以控制边坡的进一步变形。本文对各削坡方案展开对比分析,评价各削坡方案的可行性。

2 工程概况和背景

某高边坡属于超高边坡,是某工程中的一个重要边坡。在工程施工之前,便对该边坡进行过相关的加固措施。水位及各测点位移变化见图1。蓄水初期,水库水位升降较快,边坡变形速率随水库水位快速升高而升高,水库水位快速下降也会导致边坡变形速率快速下降。蓄水后期,水库水位不会再出现速升速降的现象,边坡变形速率也逐渐趋于稳定。在水库蓄水后,库岸边坡产生了位移变化。据调查是因该水库浸水部分岩体产生弱化效应,浸水岩体受压变形增大而致。

图1 2009/8/1~2010/5/1水位及各测点位移变化

根据变形监测结果有必要对边坡进行加固处理,工程提供了3种削坡方案,本文对三种削坡方案下该高边坡开挖加固效果展开对比分析和评价,并最终确定建议削坡方案。

3 边坡削坡方案

根据边坡的实际工程地质和边坡变形的实际情况,同时考虑到实际完成的可能性,实际工程中对该高边坡提出三种可能的削坡方案。这三种削坡方案具体信息如下：削坡方案4A：该方案计划从坡顶阶梯状开挖至2660 m高程,开挖方量约为960 万m3。该方案首先被提出,并且考虑到施工的可能性和经济性的结合在论证各开挖方案之前便作为其中的一个首先方案。削坡方案4B：该削坡方案计划从坡顶至2800 m高程,LF1 前缘全部挖除,开挖方量约为1900 万m3,由于该方案挖处量较大,所以总体的开挖量也较大,同时该方案施工时间也将会相对较长；削坡方案4C：该方案计划从坡顶至2800 m高程,LF1 前缘全部挖除,2800 m高程以下,按照方案1阶梯状开挖,该方案相当于是方案1 和方案2 的结合,因此开挖量将显著较大,总体开挖方量约为2300 万m3,虽然该方案开挖量较大,但是基本上可以将产生较大变形的现有边坡挖除,边坡可以大大提升自身安全稳定。

4 不同削坡方案的比较分析

4.1 边坡横向位移分析

采用有限元强度折减法对不同削坡方案的稳定性进行分析。削坡方案4A边坡及剖面开挖后回弹位移等值线图见图2。削坡方案4B边坡及剖面开挖后回弹位移等值线图和削坡方案4C边坡及剖面开挖后回弹位移等值线图限于篇幅并未列出,计算结果将与削坡方案4A的计算结果进行对比。由计算结果可以得出：边坡顶部处有大量屈服区集中,并有较大的不平衡力。边坡顶部中心处附近屈服区最多,水平向向山体内延伸约90 m,竖直向延伸约70 m。边坡顶部两侧屈服区少于中心处,且竖直向延伸约为30 m。由于顶部存在较多的屈服区,存在较大的倾倒变形,使边坡顶部进入了塑性变形。边坡中部处存在较少屈服区,并分布少量的不平衡力。边坡坡脚处应力集中,存在较多屈服区,存在很大的不平衡力。此边坡内部不平衡力主要集中在断层上,断层LF1 有较大的不平衡力。屈服区与不平衡力可以准确的反映边坡的稳定状况,根据当前屈服区与不平衡力分布判断该边坡顶部处于临界失稳状态,且边坡局部存在破坏状况。

图2 方案4A正常工况下I-I剖面横河向位移云图

由计算结果可以看出：（1）按照方案4 A进行开挖,边坡回弹位移横河向最大值为65.9 mm,顺河向为-45.4 mm,竖直向为-119.2 mm。（2）按照方案4 B进行开挖,边坡回弹位移横河向为59.0 mm,顺河向为104.7 mm,为-126.8 mm。（3）按照方案4 C进行开挖,边坡回弹位移横河向为88.7 mm,顺河向为103.6 mm,竖直向为-154.6 m。总体而言各方案回弹位移量值均较小。

4.2 屈服区分析

对削坡方案4A边坡及剖面屈服区,削坡方案4B边坡及剖面屈服区和削坡方案4C边坡及剖面屈服区展开对比分析。由分析结果可以看到：（1）按照方案4A进行开挖,开挖区域的下部有较多屈服区,边坡与坡脚处屈服区明显减小,大大提高了边坡的整体稳定性；（2）按照方案4B进行开挖,边坡屈服区也明显减小,屈服区主要集中在边坡中部和开挖区域下部,坡脚处屈服区比方案4A略小,但边坡中部屈服区比方案4A大；（3）按照方案4C进行开挖,边坡除了表面存在少量屈服区,边坡内部基本没有屈服,边坡屈服区体积进一步减小。综合上述分析,可以看到,从屈服区体积来看,方案4C最好,方案4B与4A相差不大。

4.3 不平衡力分析

对削坡方案4A边坡及剖面不平衡力,削坡方案4B边坡及剖面不平衡力和削坡方案4C边坡及剖面不平衡力展开对比分析。

由对比分析结果可以看到：（1）按照方案4A进行开挖,边坡不平衡力明显减小,特别是顶部和中部,由于表层岩体开挖,不平衡力显著减小。（2）按照方案4B进行开挖,由于顶部不稳定岩体大部分被挖除,不平衡力主要存在于边坡中部及坡脚处。（3）按照方案4C进行开挖,边坡仅在开挖区域下部及顶部部分岩体分布有不平衡力,量值较小,反映边坡局部失稳的可能进一步降低。（4）从不平衡力的分布来看,按照方案4A、方案4C进行开挖,边坡出现滑坡的可能性较小；按照方案4B进行开挖,边坡中部可能出现滑坡。综合上述分析,可以看到,从不平衡力分布来看,方案4C最好,方案4A比方案4B好。

4.4 余能范数分析

从图3 可以看出,初始降强时,各方案余能范数都较小,降强到1.3 倍后,方案2 余能范数急剧增大,反映边坡整体稳定性急剧下降。水位上升至2452 m（方案3）,余能范数曲线与方案2 非常接近,表明边坡整体稳定性变化不大。采用方案4A进行开挖,余能范数显著减小,边坡整体稳定性提高。方案4B余能范数比4A略大,稳定性比4A差一些。采用方案4C,余能范数进一步减小,降强到1.5 倍后,其余能范数仅为方案2 的三分之一,为方案4A的三分之二。边坡整体稳定性进一步提高。

图3 各方案降强过程中余能范数变化

综上所述,边坡在当前工况下,稳定性较差,局部出现失稳破坏,或处在临界失稳状态。通过降强分析,边坡安全余度较低。进行开挖后,边坡位移、屈服区、不平衡力、余能范数均显著减小,稳定性提高。三个开挖方案均能取得较好的效果。

4.5 开挖方案建议

综合考虑三种削坡方案发现,削坡方案4A从坡顶阶梯状开挖至2660 m高程,开挖方量约为960万m3。削坡方案4B从坡顶至2800 m高程,LF1 前缘全部挖除,开挖方量约为1900 万m3；削坡方案4C从坡顶至2800 m高程,LF1前缘全部挖除,2800 m高程以下,按照阶梯状开挖,开挖方量约为2300 万m3。考虑削坡方案4C开挖方量较大,而边坡变形主要集中在顶部表面,对于削坡方案4C进行调整,将2800 m高程提高为2860 m。2860 m高程以下阶梯状开挖,2860 m高程以上对LF1前缘进行适当挖出。开挖方量将减少约1000万m3。从屈服区、不平衡力、余能范数的对比看,方案4C效果最佳。而从实现的难度和经济效益来看方案4A是较为合适的,最终方案应该综合工程实际情况最终确定。