某水库顺层岩质边坡稳定性及抗滑桩防护研究

张冬冬

（陕西省宝鸡峡引渭灌溉中心，陕西 咸阳 712000）

0 引言

随着我国西部大开发以及交通强国战略的不断推进，西部地区的交通工程建设得到了进一步的发展，但西部地区因其复杂的工程地质条件，导致相关工程的设计与施工均存在诸多问题，其中，层状岩质边坡开挖导致边坡失稳的问题就是其中之一[1］。层状岩质边坡根据其节理方向可分为顺层岩质边坡与反倾岩质边坡，其边坡破坏模式受众多节理控制，破坏模式较为复杂，因此有必要对开挖过程中的边坡进行稳定性的相关研究，讨论是否需要进行边坡支挡以及使用何种支护形式。边坡支护形式包括起支挡作用的挡土墙、抗滑桩和起锚固作用的系统锚杆、预应力锚杆（索）等，在实际的支护结构设计中，有时也会采用支挡与锚固共同作用的结构类型，如锚拉桩、预应力锚索框格梁等。其中抗滑桩在提高有显著软弱滑动面的边坡稳定性上效果较好，常用于顺层岩质边坡的支挡工程中[2］。本文以某一顺层岩质边坡的实际支挡工程为例，利用FLAC3D 软件分析其自然状态下的稳定性，讨论抗滑桩对边坡稳定性的影响。

1 工程实例及计算模型

本文依托某水库边坡支挡工程，坡体顺倾节理发育，稳定性较差，且因其临近自然保护区，考虑环境因素，无法通过刷坡将边坡放缓以提高边坡稳定性，故需进行计算分析其边坡稳定性，讨论是否需要进行支挡。

利用FLAC3D 软件建立计算模型并基于有限差分强度折减法进行计算。建立计算模型可在保证其符合工程实际情况的基础上尽可能简化其计算模型，本文考虑建立二维边坡模型以简化计算，故需在三维模型中选取最不利的边坡剖面。对于该边坡而言，其最大高度为35 m，其层面倾角基本一致，约为45°，故当坡角与层面倾角相等时，边坡稳定性最差。建立计算模型见图1。

图1 计算模型示意图

如图1 所示，模型右侧计算高度为65 m，左侧计算高度为30 m，即边坡最大计算高度为35 m，计算模型采用理想弹塑性模型作为本构模型，屈服准则采用摩尔-库伦屈服准则。模型的力学参数选取见表1。

表1 岩体力学参数取值

2 自然条件下边坡的稳定性分析

根据FLAC3D 的计算结果，利用有限差分强度折减法，得到边坡在自然工况下边坡在自然工况下的安全系数为1.12，边坡最危险剖面达到临界破坏状态下的位移趋势以及潜在滑动面见图2 和图3。

图2 临界破坏状态下的边坡位移趋势图（放大系数：100）

图3 临界破坏状态下的潜在滑动面分布

由图2 和图3 可知，当边坡达到临界状态时，边坡沿潜在滑动面有明显的滑动趋势，潜在滑动面的位置主要位于全风化片麻岩岩层内部以及全风化片麻岩与强风化片麻岩岩层交界处，潜在滑动面大体呈圆弧状，深度约在坡表下6 m～13 m 之间。根据《公路路基设计规范》（JTGD 30-2015）[3］的要求，边坡在一般工况下安全系数不小于1.15，因此，对于该边坡在自然工况下的安全系数为1.07 这种情况，必须对边坡进行工程支护，使其满足规范要求。

3 边坡支护设计及效果评价

3.1 支护方案设计

通过对在自然工况条件下原始边坡的稳定性计算结果可知，对于该顺层岩质边坡，其潜在滑动面倾角与层面倾角近乎相等，破坏模式即为在达到临界破坏状态后，边坡沿潜在滑动面发生滑动破坏。对于此类型的边坡，常用的支护方法是在边坡潜在滑动面中下部的位置设置抗滑桩[4］。

在坡体中下部设计抗滑桩结构，桩身截面尺寸为1.8 m×2.4 m，长度16 m，共计16 根。在桩身上部布设两根锚索，长度为25 m，倾角为25°，锚固段长度为10 m。

3.2 支护效果评价

分别对有无抗滑桩两种情况的开挖边坡进行数值计算。

3.2.1 应力

由图4 所示，当边坡开挖后，对于无抗滑桩的情况，边坡的开挖位置附近拉应力区明显增大，形成大面积的塑性区，即将达到临界破坏状态。对于有抗滑桩支护的情况，边坡应力分布均匀，未出现大面积的拉应力区，说明抗滑桩对于减小开挖过程中边坡内部的拉应力，提高边坡的稳定性有显著作用。

图4 边坡应力分布图

3.2.2 位移

由图5 所示，当边坡开挖后，对于无抗滑桩的情况，开挖位置附近位移区面积增大，而有抗滑桩支护的情况边坡整体位移量保持较低水平。对比图5 可知，抗滑桩对于减小边坡开挖产生的位移有非常明显的效果，抑制顺层岩质边坡沿层面发生滑动。同时，抗滑桩还会使临近桩体的岩土体位移方向发生偏转，随着坡体临近抗滑桩，位移方向逐渐由沿层面向下转向水平向前，垂直于桩体，这样更有利于提升边坡稳定性。

图5 边坡位移分布图

3.2.3 剪应变率增量

剪应变率增量可以反应边坡变形趋势，剪应变率增大区常常可将其视为潜在滑动面。由图6 所示，当边坡开挖后，对于无抗滑桩的情况，边坡形成大面积的剪应变率增大区，表明其潜在滑动面已经形成。而对于有抗滑桩支护的情况，边坡整体剪应变率增量保持较低水平，边坡未形成潜在滑动面，表明抗滑桩可以阻止边坡的塑性变形以及塑性区的形成，提高边坡稳定性。

图6 边坡剪应变增量分布图

3.3 桩体深部位移

在有抗滑桩支护的情况下，在对应2 号孔的位置处，坡面下2 m、6 m 和10 m 分别设置监测点以监测不同时间深部水平方向的位移。结果见图7。早期的位移变化较为明显，随着时间的延长位移变化逐渐趋于稳定，且Y 方向上的位移量明显小于X 方向，抗滑桩支护下的边坡有着良好的稳定性。

图7 深部位移监测

4 结论

为研究顺层岩质边坡的稳定性和破坏机制，以及抗滑桩在顺层岩质边坡上的支护效果，本文以顺层岩质边坡的实际支挡工程为例，基于有限差分强度折减法，利用FLAC3D 软件分析其自然状态下的稳定性，讨论抗滑桩对边坡稳定性的影响。所得结论如下：

（1）顺层岩质边坡在达到临界破坏状态时，其潜在滑动面一般呈圆弧形沿层面方向分布，对于有明显软弱滑动面顺层岩质边坡，常用的支护方法是在边坡潜在滑动面中下部的位置设置抗滑桩。

（2）抗滑桩可以减小开挖过程中边坡内部的拉应力，减小边坡内部的位移量以及使临近桩体位置的位移方向发生偏移，阻止边坡的塑性变形以及塑性区的形成，进而阻止滑动面的形成。从而有效提高顺层岩质边坡的稳定性。