大中河水庫(kù)順層巖質(zhì)邊坡覆蓋層開(kāi)挖整治模擬分析

沈新建

（惠州市水電建筑工程有限公司，惠州516000）

1 前言

隨著國(guó)內(nèi)大量水庫(kù)的修建，形成了不少庫(kù)岸邊坡，特別是順層巖質(zhì)邊坡，其穩(wěn)定性問(wèn)題對(duì)水庫(kù)的正常運(yùn)行影響很大［1-3］。大中河水庫(kù)位于云南省思茅市六順鄉(xiāng)境內(nèi)，距思茅城50km，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧發(fā)電、人畜飲水和防洪的中型水利工程。為進(jìn)一步合理利用水資源，在保證下游河道生態(tài)、本流域農(nóng)業(yè)灌溉和生活用水需求后，引水至信房水庫(kù)，向思茅壩區(qū)調(diào)水，供給城鎮(zhèn)生活和工業(yè)用水，解決普洱市城市規(guī)?？焖侔l(fā)展對(duì)水資源的需求問(wèn)題，支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。調(diào)水工程完工后，預(yù)計(jì)每年可從大中河水庫(kù)調(diào)入思茅城區(qū)水量4730萬(wàn)m3，可滿足預(yù)計(jì)的用水需求。大中河水庫(kù)思茅壩區(qū)引水工程2013年5月8日開(kāi)工建設(shè)，工程概算總投資5.6億元，工程直接費(fèi)用4.2億元。

大中河水庫(kù)引水工程涉及大量邊坡開(kāi)挖，庫(kù)岸邊坡基巖大部分裸露，且表層覆蓋較厚的第四系殘坡積層，加之巖層走向近乎與坡面線平行，屬于順層巖質(zhì)邊坡，導(dǎo)致開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定性很差。因此，為保障引水工程建設(shè)的順利開(kāi)展，應(yīng)對(duì)庫(kù)岸邊坡進(jìn)行整治加固。

基于大中河水庫(kù)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告，建立水庫(kù)典型邊坡斷面，采用有限元法［4-6］對(duì)邊坡覆蓋層的開(kāi)挖和加固過(guò)程進(jìn)行模擬分析，旨在對(duì)施工過(guò)程中邊坡的各項(xiàng)指標(biāo)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并優(yōu)化加固參數(shù)。

2 工程概況

2.1 大中河水庫(kù)引水工程

大中河水庫(kù)多年平均來(lái)水量7180萬(wàn)m3，水庫(kù)死水位1039m，正常蓄水位1075.53m；水庫(kù)總庫(kù)容5600萬(wàn)m3，興利庫(kù)容4327萬(wàn)m3，死庫(kù)容210萬(wàn)m3。按2030水平年，P=95%供水保證率下大中河水庫(kù)可向思茅壩區(qū)調(diào)水3150萬(wàn)m3，以滿足思茅壩區(qū)需水要求。

工程總體布置，從大中河水庫(kù)壩后零級(jí)電站壓力鋼管取水，一級(jí)泵站提水后繞大中河水庫(kù)右岸向思茅壩區(qū)方向輸水，一級(jí)泵站提水至1211.5m高程，隨后自流經(jīng)過(guò)大中河1#箱涵、大中河水庫(kù)1#隧洞、大中河水庫(kù)2#箱涵、大中河水庫(kù)2#隧洞等14個(gè)建筑物，到達(dá)位于曼彎村西北側(cè)900m山脊的二級(jí)泵站，經(jīng)二級(jí)泵站提水至山頂水池，水位高程1391m，隨后自流經(jīng)過(guò)平掌梁子箱涵、丫口寨渡槽、大地山隧洞、曼歇倒虹吸等26個(gè)建筑物，于信房水庫(kù)西側(cè)副壩右岸進(jìn)入信房水庫(kù)，線路全長(zhǎng)43.64km。

2.2 二級(jí)泵站工程地質(zhì)條件

二級(jí)泵站位于曼灣村西北方向900m處，泵房處于山坡坡腳下，所處區(qū)域?yàn)闃?gòu)造侵蝕淺切割低中山溝谷斜坡地貌，下伏基巖為中侏羅統(tǒng)花開(kāi)左組（J2h）砂泥巖，巖層微傾向山內(nèi)，傾角30°～35°，地形坡度一般30°左右，巖層走向與坡面線近平行，屬于典型的順層巖質(zhì)邊坡。另外，邊坡表面覆蓋殘坡積層（Qedl），分布于區(qū)內(nèi)山坡表層，主要為褐紅色砂質(zhì)黏土、粉土，厚度1.5～3m，膠結(jié)差，浸水后易于崩解。廠房開(kāi)挖邊坡為順向坡，表面覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化巖石抗剪強(qiáng)度低，開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性較差，需及時(shí)采取加固處理措施。

3 邊坡模型建立與計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)大中河水庫(kù)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告得到了引水工程二級(jí)泵站某典型邊坡斷面內(nèi)部巖土體巖層走向及分布，邊坡斷面地層從上至下可劃分為：表面覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化帶、中風(fēng)化帶和弱風(fēng)化帶，另外，選取斷面內(nèi)含泥質(zhì)砂巖藏于中風(fēng)化帶內(nèi)部。

基于相關(guān)勘測(cè)結(jié)果及地質(zhì)資料，建立了邊坡有限元模型，邊坡模型高40m，長(zhǎng)80m，坡角30°，如圖1。

圖1 某開(kāi)挖邊坡斷面有限元模型及巖層分布

選取不同風(fēng)化帶土樣進(jìn)行相關(guān)土工試驗(yàn)，得到了數(shù)值計(jì)算所需的力學(xué)參數(shù)，如表1。

表1 邊坡巖體有限元計(jì)算力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 邊坡位移場(chǎng)

大中河水庫(kù)庫(kù)岸邊坡覆蓋層開(kāi)挖后邊坡發(fā)生的水平位移場(chǎng)，如圖2。其中圖2（a）為開(kāi)挖不支護(hù)，圖2（b）為開(kāi)挖并支護(hù)，規(guī)定位移向左為正，向右為負(fù)。

圖2 邊坡坡積層開(kāi)挖后水平位移

由圖2（a）可知，當(dāng)覆蓋層開(kāi)挖后不采取支護(hù)時(shí)，位于強(qiáng)風(fēng)化帶的巖體出露，在開(kāi)挖卸荷作用的影響下，巖體應(yīng)力得到釋放，以前受壓的巖體變?yōu)槭芾?，所以邊坡表面發(fā)生面向臨空方向的水平位移，且主要集中在邊坡中上部位，最大水平位移4.75mm，而邊坡坡腳位置發(fā)生位移較小；當(dāng)邊坡覆蓋層開(kāi)挖，并及時(shí)采取加固措施后（邊坡表面采用網(wǎng)格梁植草護(hù)坡，邊坡中下部加抗滑樁），邊坡表面發(fā)生位移和范圍均大大減小，最大水平位移也僅有1.7mm。說(shuō)明邊坡覆蓋層開(kāi)挖后，及時(shí)采取加固措施，可大大減小邊坡表面發(fā)生的位移。

為進(jìn)一步分析大中河水庫(kù)庫(kù)岸邊坡覆蓋層開(kāi)挖前后邊坡穩(wěn)定性變化情況，采用邊坡節(jié)點(diǎn)最大位移突變作為指標(biāo)，計(jì)算了3種情況不同折減系數(shù)［7-9］下邊坡的最大節(jié)點(diǎn)位移，得到了3種情況下邊坡的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 不同工況邊坡最大節(jié)點(diǎn)位移隨折減系數(shù)增加變化曲線

分析發(fā)現(xiàn)，邊坡最大位移隨折減系數(shù)的增加而逐漸增大，剛開(kāi)始增加幅度不大，最后發(fā)生突變，急劇增加。計(jì)算結(jié)果表明：邊坡在自然狀態(tài)下，當(dāng)折減系數(shù)增加到1.4時(shí)，位移由11mm突然增加到26mm，可認(rèn)為自然狀態(tài)下計(jì)算邊坡的安全系數(shù)為1.4；同理，可以得出邊坡開(kāi)挖后（不加固）安全系數(shù)為1.9，說(shuō)明削坡減壓有助于提高邊坡穩(wěn)定性，而當(dāng)采取加固措施后，安全系數(shù)進(jìn)一步增加到2.6。

4.2 邊坡破壞模式

通過(guò)有限元法自動(dòng)搜索得到了3種工況下大中河水庫(kù)庫(kù)岸邊坡的危險(xiǎn)滑裂面，如圖4。

圖4（a）表明，自然狀態(tài)下邊坡的最危險(xiǎn)位置位于距離坡腳一定高度的邊坡覆蓋層，容易在外界作用下發(fā)生覆蓋層滑動(dòng)，為了保障工程安全，應(yīng)當(dāng)及時(shí)對(duì)表層覆蓋體進(jìn)行開(kāi)挖清除；當(dāng)覆蓋層開(kāi)挖后，邊坡穩(wěn)定性得到一定提升，滑裂面向內(nèi)擴(kuò)展，危險(xiǎn)滑裂面位于強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層之間，最終沿坡腳位置剪切滑出，如圖4（b）；當(dāng)進(jìn)行加固后，如圖4（c）。網(wǎng)格梁可有效控制邊坡表面發(fā)生的位移，抗滑樁則插入到不穩(wěn)定地層以下，將強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層連接起來(lái)，通過(guò)抗滑樁將受力傳遞到中風(fēng)化層的巖體，大大增加了邊坡的抗滑力，與上述安全系數(shù)分析結(jié)果吻合。此時(shí)，邊坡破壞時(shí)的滑裂面則進(jìn)一步向內(nèi)擴(kuò)展，位于中風(fēng)化層和弱風(fēng)化層之間，說(shuō)明采用網(wǎng)格梁和抗滑樁加固邊坡效果明顯。

圖4 不同工況下邊坡的危險(xiǎn)滑裂面

分析可見(jiàn)，對(duì)于順層巖質(zhì)邊坡，邊坡的穩(wěn)定性往往受巖層走向控制。特別是巖層傾角和邊坡坡角相當(dāng)時(shí)，邊坡處于最不穩(wěn)定狀態(tài)，更應(yīng)引起重視。

4.3 加固參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

大中河水庫(kù)邊坡加固主要采用了表面網(wǎng)格梁植草護(hù)坡和中下部抗滑樁加固處理。其中網(wǎng)格梁護(hù)坡作用通過(guò)在模型中輸入對(duì)應(yīng)強(qiáng)度參數(shù)即可，網(wǎng)格梁截面如圖5。

圖5 網(wǎng)格梁植草護(hù)坡設(shè)計(jì)

抗滑樁采用板單元模擬，選用彈性材料，主要參數(shù)包括軸向剛度EA和抗彎剛度EI，表示抗滑樁單位寬度受力（kN/m）?？够瑯遁S向剛度主要體現(xiàn)其抗壓和抗拉能力，而抗彎剛度則反映了抗剪斷能力，由于順層邊坡破壞模式多屬于失穩(wěn)剪切破壞，故只分析抗滑樁不同抗彎剛度對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響。

計(jì)算結(jié)果如圖6。當(dāng)抗彎剛度在1600kN/m以下時(shí)，隨著抗彎剛度的增加，邊坡的安全系數(shù)增加明顯；而當(dāng)抗彎剛度超過(guò)1600kN/m時(shí)，隨著抗彎剛度的增加，邊坡的安全系數(shù)增加很小，幾乎維持在2.8左右。計(jì)算結(jié)果表明，本工程中抗滑樁抗彎剛度在1600kN/m為宜，太小難以保證加固效果，過(guò)大則會(huì)造成浪費(fèi)。

圖6 邊坡安全系數(shù)隨抗滑樁抗彎剛度增加變化

5 結(jié)語(yǔ)

基于大中河水庫(kù)引水工程地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告相關(guān)數(shù)據(jù)，建立了二級(jí)泵站廠房邊坡斷面，對(duì)邊坡表面覆蓋層的開(kāi)挖和加固過(guò)程進(jìn)行模擬分析，計(jì)算結(jié)果表明：

（1）泵站廠房邊坡覆蓋層開(kāi)挖后，邊坡的穩(wěn)定性得到一定提升，安全系數(shù)由1.4增加到1.9，但開(kāi)挖將導(dǎo)致強(qiáng)風(fēng)化帶巖層出露，局部位置將發(fā)生較大位移，采取加固措施后，位移得到有效控制，邊坡穩(wěn)定性進(jìn)一步提升。

（2）計(jì)算得到了不同工況下邊坡的危險(xiǎn)滑裂面。自然狀態(tài)下，邊坡最危險(xiǎn)位置位于坡腳上部的覆蓋層，易出現(xiàn)覆蓋層滑移；當(dāng)邊坡覆蓋層開(kāi)挖后，滑裂面位于強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層之間；而采用網(wǎng)格梁和抗滑樁加固后，危險(xiǎn)滑裂面向內(nèi)擴(kuò)展，位于中風(fēng)化層和弱風(fēng)化層之間。

（3）計(jì)算了抗滑樁不同抗彎剛度對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性大小的影響，發(fā)現(xiàn)抗彎剛度在1600kN/m時(shí)，提升邊坡穩(wěn)定性較大，且最為經(jīng)濟(jì)。

［1］李楊鵬，薛新華，楊興國(guó)，等．錦屏一級(jí)水電站左岸高邊坡施工動(dòng)態(tài)仿真模擬［J］．水利水電技術(shù)，2014，45（8）：121-124．

［2］鄧華峰，李建林，易慶林，等．軟巖高邊坡開(kāi)挖卸荷變形研究［J］．巖土力學(xué)，2009，30（6）：1731-1734．

［3］皺麗春，王國(guó)進(jìn)，湯獻(xiàn)良，等.復(fù)雜高邊坡整治理論與工程實(shí)踐［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

［4］鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［5］黃夢(mèng)宏，丁樺.邊坡穩(wěn)定性分析極限平衡法的簡(jiǎn)化條件［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（12）：2529-2536.

［6］王漢輝.邊坡穩(wěn)定的有限元塑性極限分析法研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2003.

［7］鄭穎人，趙尚毅，張魯渝．用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析［J］．中國(guó)工程科學(xué)，2002，4（10）：57-62．

［8］趙 川，付成華．基于局部強(qiáng)度折減法的某水電站邊坡穩(wěn)定性分析［J］．人民珠江，2015，36（3）：66-69.

［9］劉小麗，周德培.有軟弱夾層巖體邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，37（4）：382-386.