基于穩(wěn)定分析的某水庫邊坡動態(tài)跟蹤設(shè)計及必要性

連振宏

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，成都，610072)

引言

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，水利工程項目越來越多。山區(qū)開挖不可避免會出現(xiàn)開挖高邊坡的情況，削坡改變了山體自然邊坡的平衡條件，開挖后的高邊坡在外荷載(地震、填土等)、重力和水的滲流、巖土的膨脹等作用下易失去平衡狀態(tài)，發(fā)生邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，給人民生命財產(chǎn)和工程建設(shè)帶來了巨大的損失[1-3]。

目前，對于邊坡穩(wěn)定性分析最常用的極限平衡方法有：瑞典條分法、簡化Bishop法、Janbu普通條分法等[1，4-5]，計算分析理論成熟，能夠滿足工程建設(shè)需要。隨著計算機的發(fā)展普及，出現(xiàn)多種邊坡穩(wěn)定分析軟件，如理正邊坡穩(wěn)定分析軟件[6]、AutoBank軟件[7]及Geo-Studio軟件[3]等，各分析軟件計算得到的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)相差不大[8]，計算成果對邊坡開挖施工具有重要指導(dǎo)意義。

工程實踐表明，在山體邊坡開挖過程中，盡管邊坡穩(wěn)定分析計算結(jié)果滿足穩(wěn)定要求，但在實際施工中局部仍出現(xiàn)邊坡坍塌或滑落等現(xiàn)象，因此，必須在對開挖邊坡的穩(wěn)定性進行分析與評價的基礎(chǔ)上，進行現(xiàn)場動態(tài)跟蹤設(shè)計，及時調(diào)整采取合理對策和措施，確保邊坡開挖過程的穩(wěn)定安全。

1 工程概況

某水庫為西南一座以灌溉、防洪、城鄉(xiāng)生活及工業(yè)供水等綜合利用的水利工程，由攔河大壩、左岸泄洪隧洞(兼導(dǎo)流洞)、右岸溢洪道和右岸引水隧洞等水工建筑物組成。水庫正常蓄水位650m，最大壩高104.8m，水庫總庫容1.68億m3，屬大(2)型水利工程。該工程大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，所需壩體填筑料和混凝土骨料由料場開采供應(yīng)。

通過現(xiàn)場鉆孔取得試樣，進行室內(nèi)物理力學(xué)試驗，得出邊坡巖體的物理力學(xué)參數(shù)取值如表1。

表1 力學(xué)參數(shù)取值

2 邊坡穩(wěn)定分析及支護設(shè)計

本文利用理正邊坡穩(wěn)定分析軟件、AutoBank軟件及Geo-Studio軟件建立山體開挖邊坡的計算模型，進行開挖高邊坡安全穩(wěn)定性分析，求解邊坡最小安全系數(shù)的滑動面，指導(dǎo)設(shè)計邊坡支護方案，確保邊坡安全穩(wěn)定。

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL 386-2007)中對邊坡級別劃分的要求，結(jié)合本工程屬Ⅱ等工程，泄洪洞為主要建筑物按2級建筑物設(shè)計，料場位于泄洪洞及大壩基坑以上，相距高差較大，開挖邊坡破壞后對水工建筑物的危險程度不嚴重，確定料場開挖邊坡的級別為4級，相應(yīng)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表2。

表2 開挖邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準

2.1 模型的建立

料場開采利用自上而下分梯段方式，沿河開采最大長度434.80m，開采最大寬度336.15m，開采面積8.41萬m2。邊坡最大高度210m，每隔15m設(shè)一道寬2m的馬道，弱風(fēng)化及以下開挖坡比為1∶0.5，強分化巖體開挖坡比為1∶0.75。根據(jù)巖土工程勘察資料提供的邊坡剖面圖，選取某剖面為典型剖面進行邊坡穩(wěn)定分析，如圖1所示。

圖1 料場開挖邊坡剖面

根據(jù)工程經(jīng)驗及模型對邊界條件的敏感性，為計算得到的安全系數(shù)更準確，坡腳到水平邊界的距離大于邊坡高度的1.5倍距離，坡頂?shù)剿竭吔缇嚯x大于邊坡高度的2.5倍距離，并且上下邊界總高度大于2倍邊坡高度。因此，建立開挖高邊坡的二維計算模型[9]，如圖2，巖石的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)由表1確定，模型的邊界條件為：底邊為X、Y方向約束，左右為X方向約束。對于開挖后高邊坡為天然邊坡，外荷載僅為重力，不考慮地下水的影響。

圖2 開挖邊坡計算模型

2.2 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算

2.2.1 理正軟件

采用簡化Bishop法，自動搜索最危險滑動面得到最小安全系數(shù)1.35，滑動半徑110m，計算結(jié)果如圖3。

圖3 理正軟件邊坡穩(wěn)定性計算

2.2.2 AutoBank軟件

采用簡化Bishop法，自動搜索最危險滑動面得到最小安全系數(shù)1.37，計算結(jié)果如圖4。

圖4 AutoBank軟件邊坡穩(wěn)定性計算

2.2.3 Geo-Studio軟件

采用Slope/W模塊自動搜索最危險滑動面得到最小安全系數(shù)1.30，計算結(jié)果如圖5。

圖5 Geo-Studio軟件邊坡穩(wěn)定性計算

2.3 邊坡穩(wěn)定性分析

通過不同分析軟件對料場開挖高邊坡進行穩(wěn)定分析，得到同一工況下的安全系數(shù)，如表3。

表3 同一工況下開挖邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果

從表3中可以看出，邊坡開挖后各軟件計算的最小安全系數(shù)相差不大，且均大于《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL 386-2007)規(guī)定的在正常運用條件下邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準，說明開挖后邊坡整體是穩(wěn)定的。

2.4 邊坡支護設(shè)計方案

通過對料場開挖邊坡穩(wěn)定分析計算，邊坡整體穩(wěn)定性較好，穩(wěn)定安全系數(shù)滿足要求。結(jié)合工程經(jīng)驗，對開挖邊坡主要采取掛網(wǎng)噴錨支護，并在頂部設(shè)置排水溝，邊坡面設(shè)置排水孔，解決開挖邊坡淺層脫層掉塊問題，確保邊坡安全穩(wěn)定，具體支護設(shè)計參數(shù)見表4。

表4 開挖邊坡支護設(shè)計參數(shù)

3 邊坡開挖動態(tài)跟蹤設(shè)計

在料場開挖過程中，整體地質(zhì)情況基本一致，但在947.0m～960.0m高程，樁號0-123.29～0-48.97局部范圍內(nèi)巖層由緩變陡，沿巖層層面存在充填有次生夾泥現(xiàn)象，邊坡開挖后在高程960.0m、957.5m和956.0m出現(xiàn)三條長約17m～23m不等的裂縫，其中960.0m高程處的裂縫發(fā)育最長，為23m，其現(xiàn)場裂縫發(fā)育照片見圖6。

通過現(xiàn)場及時勘測及變形觀測，基本確定該裂隙形成機制為開挖施工局部切腳開挖，造成前緣抗體厚度不夠引起的邊坡巖體的牽引式變形。為確保開挖邊坡安全穩(wěn)定，現(xiàn)場設(shè)計根據(jù)現(xiàn)場實際揭示的地質(zhì)情況及施工情況，對開挖邊坡進行穩(wěn)定分析，及時調(diào)整邊坡支護參數(shù)。

本次計算剖面見圖7，采用AutoBank軟件和剛體極限平衡計算方法[10-11]對比分析，具體支護設(shè)計方案為：100t錨索+錨索橫梁，錨索間距6m，L=40m，952m和957m靠陡崖側(cè)各1根錨索，鉆孔方向為N10°E，其余鉆孔方向均為N5°E，俯角23°；錨筋束332，L=12m，間距3m，鉆孔方向為N5°E，俯角23°；部分高程布置32mm錨桿，L=12m，間距3m，鉆孔方向為N5°E，俯角23°。支護邊坡安全穩(wěn)定分析見表5。

圖7 實際開挖邊坡計算剖面

表5 開挖邊坡支護穩(wěn)定安全系數(shù)

由表5可知，開挖邊坡在天然狀態(tài)下穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，在增加支護措施后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，且支護設(shè)施實施后至今邊坡運行穩(wěn)定，變形裂縫不再增加，料場邊坡目前已開挖結(jié)束約2年時間，開挖邊坡整體穩(wěn)定，未出現(xiàn)坍塌或滑落現(xiàn)象。

4 結(jié)語

(1)邊坡穩(wěn)定分析理論成熟[12]，計算方法滿足工程需要，且采用不同分析軟件計算結(jié)果基本一致，能夠為邊坡支護設(shè)計提供依據(jù)，合理有效地指導(dǎo)工程建設(shè)。

(2)在邊坡穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)上，對邊坡開挖施工進行現(xiàn)場動態(tài)跟蹤設(shè)計具有重要意義。在邊坡開挖施工過程中，根據(jù)開挖揭示的實際地質(zhì)情況，及時調(diào)整邊坡支護設(shè)計方案，采取合理有效的措施，確保邊坡開挖穩(wěn)定安全，更有力地推動工程建設(shè)和發(fā)展。

(3)通過工程實踐，應(yīng)用錨筋束能快速施工迅速形成支護作用的特點，解決變形邊坡應(yīng)急穩(wěn)定問題，再利用錨索支護，實現(xiàn)變形邊坡深層穩(wěn)定，相應(yīng)支護措施實施后效果明顯，開挖施工期和運行約2年多時間邊坡未出現(xiàn)坍塌或滑落，整體運行安全穩(wěn)定，說明邊坡支護設(shè)計方案相對合理，對其他工程邊坡支護具有一定借鑒意義。