強(qiáng)震作用下某高邊坡的穩(wěn)定加固分析

潘欽鋒

( 福建工程學(xué)院 土木工程系，福建 福州 350108)

0 引言

地震是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要原因之一。2008 年四川汶川發(fā)生Ms8 ．0 級強(qiáng)烈地震，地震觸發(fā)了大量的滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，其數(shù)量之多、分布之廣、類型之復(fù)雜、破壞之巨大，舉世罕見［1］。由地震引起的邊坡失穩(wěn)造成的次生災(zāi)害甚至超過地震本身。因此，有必要對地震下的邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行分析研究。

地震邊坡穩(wěn)定性常用擬靜力法和Newmark 有限滑移法進(jìn)行分析。前者基于極限平衡理論，用地震安全系數(shù)表示邊坡的穩(wěn)定性，后者則以地震永久變形作為邊坡穩(wěn)定性的評價(jià)指標(biāo)［2］。采用巖土專業(yè)有限元軟件，以擬靜力法和動力時(shí)程法分析地震作用下某高邊坡在天然狀態(tài)、開挖及加固處理等情況下的穩(wěn)定性，為其它同類邊坡的穩(wěn)定性分析和加固改造提供技術(shù)借鑒。

1 工程概況

某水電站水庫正常蓄水位732．0 m，最大壩高115．0 m，迴水長約48．0 km，總庫容2．1 ×109m3，裝機(jī)容量為1 100 MW。發(fā)電樞紐中心采用壩后式廠房，位于在下壩址左岸邊坡開挖區(qū)，場地工程地質(zhì)條件復(fù)雜。

該工程位于岡底斯-念青唐古拉褶皺系( Ⅳ) 內(nèi)的二級構(gòu)造單元福貢-鎮(zhèn)康褶皺帶( Ⅳ1) 的西部邊界附近，外圍區(qū)域斷裂發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動表現(xiàn)為大面積整體掀斜抬升和斷塊間的差異升降運(yùn)動，其次表現(xiàn)為斷裂的新活動與強(qiáng)烈的火山活動，工程區(qū)地震烈度高?？辈旖沂鞠聣沃穮^(qū)有多條斷層，斷層帶寬度一般為0．05 ～0．30 m，帶內(nèi)主要為碎裂巖、角礫巖夾糜棱巖，其中F86 與下壩線左岸樞紐區(qū)河漫灘相距較近，呈近似平行分布，形成寬度10 ～30 m 的破碎帶。

樞紐中心所在區(qū)域下壩址左岸山體分布有較大范圍的第四系覆蓋層，為崩坡積物及階地沖洪積物。表層以沉積為主，形成Ⅰ級階地及河漫灘，崩坡積物成分上部主要以粘性土夾碎( 塊) 石為主，碎石含量為20% ～30%，塊石少量，松散～稍密狀;下部以碎( 塊) 石夾粘性土為主，碎( 塊) 石含量為70% ～80%，中密狀;底部沿古河床多分布有砂卵( 礫) 石等沖洪積物。中低高程厚度一般厚達(dá)7 ～30．0 m，局部最大厚度為48．80 m，向高處厚度逐漸變薄為5．0 ～10．0 m。覆蓋層基巖為弱風(fēng)化白云巖。

2 邊坡工程失穩(wěn)模式

該工程左岸階地及岸坡覆蓋層厚度較大，樞紐區(qū)廠房側(cè)邊坡開挖中將使坡積體下部臨空，其最大高度約140 m( 廠區(qū)地面高程以上永久開挖邊坡最大高度約90 m) ，上部土質(zhì)邊坡可能失穩(wěn)。潛在的失穩(wěn)模式主要有以下幾種:(1) 沿第四系邊界接觸帶的平面型失穩(wěn)破壞;(2) 沿崩坡積體內(nèi)部的圓弧型滑動;(3)沿?cái)鄬拥钠矫嫘褪Х€(wěn)滑動;(4) 復(fù)合型的滑動破壞。

3 地震作用下邊坡穩(wěn)定性分析

影響邊坡穩(wěn)定性的因素復(fù)雜，工程條件繁多。就地震因素而言，該邊坡工程區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，多條活動性斷開從工程區(qū)通過。根據(jù)國家地震局分析預(yù)報(bào)中心提供的地震安全性評價(jià)成果，該場地的地震基本烈度為Ⅷ度，50 a 超越概率為63．2%、10%及5%對應(yīng)的水平方向加速度峰值分別為65．2 cm/s2、188．6 cm/s2、243．0 cm/s2，100 a 的超越概率為2%對應(yīng)的設(shè)計(jì)水平加速度峰值為395．0 cm/s2?？梢姡搱龅氐牡卣饎蛹铀俣确逯递^大，地震發(fā)生時(shí)可能誘發(fā)較嚴(yán)重的邊坡失穩(wěn)，造成相應(yīng)危害。因此，壩址區(qū)的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)和支護(hù)處理措施必須考慮地震的影響。

以圖1 所示Ⅲ-Ⅲ剖面為例進(jìn)行地震作用下的邊坡穩(wěn)定性分析，先采用有限元強(qiáng)度折減法對天然狀態(tài)的邊坡進(jìn)行地震荷載( 作用) 擬靜力法分析，尋找和判斷出滑動面，計(jì)算相應(yīng)的安全系數(shù)，再進(jìn)一步采用極限平衡法進(jìn)行分析。

3．1 有限元強(qiáng)度折減分析

有限元強(qiáng)度折減分析采用荷蘭Delft 技術(shù)大學(xué)開發(fā)的巖土專業(yè)有限元分析軟件Plaxis。分析中，地震荷載( 作用) 只計(jì)水平地震慣性力，其值按《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］第4．5．9 條規(guī)定計(jì)算，取水平向地震加速度代表值ah為188．6 cm/s2，不計(jì)入質(zhì)點(diǎn)沿高程的動態(tài)放大系數(shù)對地震慣性力的影響。表1 為在有限元分析中設(shè)置的參數(shù)。

表1 邊坡有限元分析的計(jì)算參數(shù)

通過計(jì)算，得到Ⅲ-Ⅲ剖面邊坡的變形破壞趨勢和規(guī)律如圖1 和圖2。結(jié)果表明，該剖面范圍內(nèi)的最大變形發(fā)生在坡體的中上部軟硬接觸帶，強(qiáng)度折減分析得到的安全系數(shù)為1．253，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。該方法得到的安全系數(shù)可與后面極限平衡法的計(jì)算結(jié)果比校，進(jìn)而用于滑動模型的判斷。

圖1 Ⅲ-Ⅲ剖面變形網(wǎng)格

圖2 Ⅲ-Ⅲ剖面剪應(yīng)變增量云圖

3．2 極限平衡分析

剛體極限平衡法原理簡單，被大量的工程實(shí)踐所應(yīng)用，在安全標(biāo)準(zhǔn)的控制等方面有著廣泛的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本工程采用GeoStudio 軟件對邊坡坡體進(jìn)行極限平衡分析，其中地震動力響應(yīng)分析由該軟件的quake/w 模塊完成。然后將結(jié)果導(dǎo)進(jìn)Slope/w 模塊中進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，從而得到動力條件下邊坡的穩(wěn)定性。

地震動力響應(yīng)采用時(shí)程分析法。根據(jù)邊坡工程的場地條件、設(shè)防烈度和地震波形特征，選用如表2所列的1952 年7 月21 日發(fā)生在當(dāng)?shù)氐恼鸺墳镸s7 ．2 的真實(shí)地震紀(jì)錄，地震記錄的加速度時(shí)程按Ⅷ度50年超越概率為10%的多遇地震的峰值進(jìn)行模擬，水平與豎直的加速度幅值按1∶ 0．65 進(jìn)行調(diào)幅。圖3、圖4 即為所選地震紀(jì)錄中主頻域持時(shí)為50 s，并經(jīng)低通濾波處理后的兩個(gè)方向的加速度時(shí)程曲線圖。

圖3 模型輸入的水平方向地震加速度時(shí)程曲線圖

圖4 模型輸入的垂直方向地震加速度時(shí)程曲線圖

表2 地震波的基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖5 Ⅲ-Ⅲ剖面滑面1 穩(wěn)定性分析成果圖

有限元動力時(shí)程分析時(shí)，剖分單元格的尺寸為5 m，為減少邊界對入射地震波的反射，指定模型四周為自由場邊界。巖土的阻尼比( %) 分別為:塊狀玄武巖取1．2，灰?guī)r、砂巖取1．5，全風(fēng)化玄武巖取2，強(qiáng)風(fēng)化玄武巖取1．8，弱風(fēng)化玄武巖取1．6，坡積層取3，沖積層取4，F(xiàn)86 取2。

由計(jì)算可得圖5、圖6 所示分析成果。在天然狀態(tài)下，Ⅲ-Ⅲ剖面滑面1 為自動搜索，位于軟硬接觸面( Morgenstern-Price 法) 、滑面2 位于坡腳第四系地層內(nèi)部( Janbu 法) 。

圖6 Ⅲ-Ⅲ剖面滑面2 穩(wěn)定性分析成果圖

穩(wěn)定性分析結(jié)果見表3、表4，安全系數(shù)符合規(guī)范要求的允許值。

表3 Ⅲ-Ⅲ剖面滑面1 穩(wěn)定分析結(jié)果

表4 Ⅲ-Ⅲ剖面滑面2 穩(wěn)定分析結(jié)果

圖7 顯示，地震作用下該天然邊坡的最小安全系數(shù)為1．084，能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3．3 邊坡開挖與處理的穩(wěn)定分析

該工程發(fā)電樞紐區(qū)建在在下壩線左岸坡下，需對邊坡進(jìn)行臺階式開挖，每15 ～20 m 高( 覆蓋層及全風(fēng)化巖坡高控制在10 ～15 m) 的設(shè)3 ～6 m 寬的平臺。各巖土層的永久邊坡開挖坡比，根據(jù)各開挖邊坡巖體質(zhì)量及結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況確定。對覆蓋層及全風(fēng)化土層取1∶ 1．3 ～1∶ 1．5，強(qiáng)風(fēng)化巖體取1∶ 0．75，強(qiáng)風(fēng)化上帶巖體取1∶ 0．5，強(qiáng)風(fēng)化下帶巖體取1∶ 0．3 ～1∶ 0．5，微新巖體取1∶ 0．25 ～1∶ 0．3。

開挖形成臨空面，產(chǎn)生新的邊坡穩(wěn)定性問題。經(jīng)計(jì)算可得到對Ⅲ-Ⅲ剖面邊坡開挖后各種工況下潛在滑面的安全系數(shù)，分析成果見圖8。其中，上部第四系覆蓋層容易產(chǎn)生圓弧型滑動面，在強(qiáng)震下的安全系數(shù)最小，其值為0．993。可見，邊坡開挖后需要進(jìn)行加固處理。

圖7 Ⅲ-Ⅲ剖面動力有限元分析

圖8 Ⅲ-Ⅲ剖面開挖后穩(wěn)定性分析成果圖

加固方案一見圖9。采用框格梁+錨索加固，并在某一高度處設(shè)置抗滑樁，抗滑樁長度約為40 m。經(jīng)有限元分析，天然狀態(tài)下其穩(wěn)定性安全系數(shù)為1．259，地震荷載作用下，安全系數(shù)為1．107。

加固方案二見圖10。削除部分第四系覆土，采取分臺階開挖放坡，即按1∶ 1．2 放坡，每15 m 坡高設(shè)3 m 寬平臺，以減輕潛在滑動體的重量，提高邊坡的穩(wěn)定性。

圖9 Ⅲ-Ⅲ剖面加固方案一示意

圖10 Ⅲ-Ⅲ剖面加固方案二示意

削土減重后，邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖11 所示，采用Janbu 法計(jì)算，滑面位于斷層帶區(qū)域。不同工況下的穩(wěn)定分析結(jié)果見表5，可見分臺階削土放坡處理能使開挖后邊坡的穩(wěn)定性符合規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)允許值。

表5 Ⅲ-Ⅲ剖面穩(wěn)定分析結(jié)果

考慮到本工程覆蓋土層厚度大，采用方案一加固施工難度相對較大，造價(jià)高;而采用分臺階放坡，削除部分覆土，施工簡單方便，土方量適中，總造價(jià)較低，同時(shí)也能得到較好的穩(wěn)定性。放坡臺階可用作施工便道，又能阻止局部巖塊墜落，也便于今后觀測。綜合考慮，選用方案二作為本工程加固處理措施。

4 結(jié)語

邊坡的穩(wěn)定性與巖性參數(shù)、地應(yīng)力場、結(jié)構(gòu)面及軟弱夾層等很多因素有關(guān)，是實(shí)際工程中廣泛存在的問題。以某復(fù)雜地質(zhì)條件高邊坡為例，分析了其可能出現(xiàn)的失穩(wěn)模式，采用有限元軟件進(jìn)行了天然、強(qiáng)雨和強(qiáng)震等工況下的邊坡穩(wěn)定性分析，并針對強(qiáng)震作用下的邊坡穩(wěn)定性問題提出了兩種解決方案，通過比較建議采用分臺階削土放坡的方法，使減重后邊坡的穩(wěn)定性符合規(guī)范要求，同時(shí)也可達(dá)到施工簡便，經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)。

圖11 Ⅲ-Ⅲ剖面削土放坡計(jì)算圖

［1］黃潤秋，李為樂．“5·12”汶川大地震觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育分布規(guī)律研究［J］． 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，27( 12) :2585-2592 ．

［2］言志信，張森．地震邊坡失穩(wěn)機(jī)理及穩(wěn)定性分析［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010，18(6) : 844-850．

［3］中國水利水電科學(xué)研究院．DL5073—2000 水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國電力出版社，2001．