極限平衡法在引江濟(jì)漢工程邊坡穩(wěn)定計(jì)算中的應(yīng)用

王中發(fā) 邵元純

(湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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·水利工程·

極限平衡法在引江濟(jì)漢工程邊坡穩(wěn)定計(jì)算中的應(yīng)用

王中發(fā) 邵元純

(湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

為解決南水北調(diào)中線工程引江濟(jì)漢段引水渠挖方段邊坡開挖的安全性問題，結(jié)合該邊坡的地質(zhì)情況，利用極限平衡法，對擬挖邊坡按照設(shè)定的坡度進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算，將邊坡滑移土體進(jìn)行條分，按照不同的滑動(dòng)半徑進(jìn)行試算，得出了最危險(xiǎn)的穩(wěn)定系數(shù)。

南水北調(diào)，邊坡，極限平衡法，試算法

1 概述

引江濟(jì)漢工程是與南水北調(diào)中線水源工程配套的漢江中下游四大工程之一，其引水渠段全長67 km，有挖方段、填方段和半填半挖段，全線開挖深度為2 m～18 m，開挖的坡角為30°，地表為廣泛發(fā)育和覆蓋厚層第四系堆積物，區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造等不發(fā)育。其中對于區(qū)內(nèi)出露和分布地層主要為第四系中更新統(tǒng)白洋組，下部為厚10 m～20 m砂礫石層(內(nèi)摩擦角為32°～40°，內(nèi)聚力c≈0)，上部為厚10 m～25 m紅色、桔黃色含灰白色、灰綠色網(wǎng)紋粉質(zhì)粘土、粘土，按塑性土分類圖定名，屬高液限粘質(zhì)土(內(nèi)摩擦角為22°～30°，內(nèi)聚力c=15 kPa～20 kPa，土的重度γ=18 kPa)。通過分析該地區(qū)的地質(zhì)條件可以發(fā)現(xiàn)，上覆土層(10 m～25 m)為強(qiáng)度較低的粘性和膨脹土，下層為強(qiáng)度較高的砂礫石層。邊坡土體的滑動(dòng)破壞面存在兩種可能，一是破壞面在上層強(qiáng)度較低的土層內(nèi)；二是破壞面在下層強(qiáng)度較高的砂礫石層內(nèi)。根據(jù)巖土理論，滑動(dòng)面應(yīng)在上覆土層內(nèi)，因此上覆土層的滑動(dòng)穩(wěn)定性是計(jì)算的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的摩爾—庫侖強(qiáng)度法計(jì)算邊坡穩(wěn)定要求邊坡土體為無粘性土，其用于該邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算誤差較大；有限元法計(jì)算較為復(fù)雜，在應(yīng)用上有一定的局限性。本文用極限平衡法進(jìn)行該邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算，簡便可行，還保證了足夠的精度。不但解決了該邊坡在開挖時(shí)穩(wěn)定問題，還可以對同類邊坡的穩(wěn)定計(jì)算提供借鑒意義。

2 邊坡穩(wěn)定極限平衡算法基本原理

2.1 計(jì)算模型

考慮到引水渠長度為67 km，近似直線型，坡面走向遠(yuǎn)大于坡高，且上覆土層土質(zhì)單一，又由于土體為較軟弱的塑性土，滑動(dòng)面可以看作是圓弧，其計(jì)算模型如圖1所示。

2.2 滑動(dòng)面的位置、圓心和滑動(dòng)半徑的確定

確定圓弧滑動(dòng)面與上坡面的交點(diǎn)和下坡面的交點(diǎn)，根據(jù)大量的工程實(shí)例，結(jié)合GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范，可以發(fā)現(xiàn)軟土在發(fā)生圓弧滑動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)面與上坡面的交點(diǎn)距離坡頂為0nH～0.1nH(n為邊坡的坡度，H為坡高)，滑動(dòng)面與下坡面的交點(diǎn)距離也為0nH～0.1nH，其值與滑動(dòng)半徑有關(guān)。

確定圓弧的圓心和半徑，實(shí)踐表明圓弧的半徑與邊坡土體的重度、粘聚力和內(nèi)摩擦角等因素有關(guān)，邊坡沿任何一個(gè)半徑滑動(dòng)都有可能，不同的圓弧半徑對應(yīng)有不同的穩(wěn)定系數(shù)，其中最小的穩(wěn)定系數(shù)就是最危險(xiǎn)的穩(wěn)定系數(shù)，通過試算法找到最小的穩(wěn)定系數(shù)，在指定的開挖角度下，若該最小的穩(wěn)定系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定系數(shù)，則表明該邊坡開挖是安全的。

2.3 計(jì)算單元的確定

應(yīng)用極限平衡法計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)采用條分法，首先確定計(jì)算單元，將滑動(dòng)土體沿豎直方向劃分為多個(gè)矩形窄條，本工程的邊坡高度為5 m，水平寬度在9 m以上，窄條的計(jì)算寬度宜取1 m。

2.4 邊坡的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算

根據(jù)前述的地質(zhì)條件，邊坡土體的內(nèi)摩擦角為22°～30°，內(nèi)聚力c=15 kPa～20 kPa，土的重度γ=18 kPa，偏安全考慮，將內(nèi)摩擦角取φ=20°，內(nèi)聚力c=15 kPa取不同的半徑R進(jìn)行試算，計(jì)算過程如下：

1)先取半徑為10 m，開挖深度為5 m，可以算出邊坡滑動(dòng)面的水平投影寬度為8.94 m，可以分作9個(gè)條形計(jì)算單元，將這些條形從下往上編號，依次編為1號～9號，如圖2所示。

試算的過程如表1所示。

2)再取半徑為12m的圓試算，結(jié)果如表2所示。

3)再取半徑為6 m的圓試算，結(jié)果如表3所示。

表1 圓弧半徑為10 m時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算

表2 圓弧半徑為12 m時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算

表3 圓弧半徑為6 m時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算

然后取其他不同的半徑依次計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)Fs，計(jì)算方法完全相同，經(jīng)過計(jì)算，可以得出兩者的對應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4 不同半徑對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)Fs

可以看出最危險(xiǎn)的半徑為6 m，對應(yīng)的圓心角大約為58°，最危險(xiǎn)的穩(wěn)定系數(shù)為Fs≈1.70，其值遠(yuǎn)大于1，也大于目前邊坡通用穩(wěn)定系數(shù)的1.15。為驗(yàn)證該結(jié)果的準(zhǔn)確性，將該邊坡的穩(wěn)定計(jì)算在adina軟件中實(shí)現(xiàn)，圖3是在adina軟件中演算的結(jié)果。

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)安全系數(shù)等于1.63時(shí)，邊坡的變形塑性開展區(qū)剛好貫通，表示此時(shí)邊坡處于破壞臨界狀態(tài)，此穩(wěn)定系數(shù)與用極限平衡法計(jì)算的系數(shù)接近。而且可以看出，坡面下塑性貫通區(qū)呈大致的圓形，和極限平衡法假定的圓弧面較為接近，而且破壞面和坡面的上、下交點(diǎn)都分別靠近坡頂和坡腳，這也與半徑為6 m時(shí)的圓弧與坡面的交點(diǎn)相吻合，可以得出結(jié)論，半徑為6 m的圓弧是最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面，其對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)是最危險(xiǎn)的穩(wěn)定系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述計(jì)算過程，可以總結(jié)出穩(wěn)定系數(shù)與滑動(dòng)圓弧半徑之間的對應(yīng)關(guān)系，如圖4所示。

4 結(jié)語

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The application of limit equilibrium method in Hanjiang River engineering slope stability calculation

Wang Zhongfa Shao Yuanchun

(HubeiWaterResourcesandHydropowerVocationalandTechnicalCollege,Wuhan430070,China)

In order to solve the security problems of slope excavation in diversion canal excavation section of Hanjiang River section of South-to-North water diversion min-line engineering, combining with the slope geological condition, using the limit equilibrium method, made stability calculation to dug slope according to set gradient, made slices to slope sliding soil, according to the different sliding radius made calculation, concluded that most dangerous stability coefficient.

South-to-North water diversion, slope, limit equilibrium method, trial method

1009-6825(2016)11-0227-03

2016-02-02

王中發(fā)(1979- )，男，碩士，講師； 邵元純(1976- )，男，高級工程師

TV861

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