邊坡優(yōu)化的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析及應(yīng)用

王立明

(國電大渡河深溪溝水電有限公司，四川漢源 625300)

1 概述

對于人工邊坡，選擇合適的邊坡坡角和坡高、在確保安全的前提下能夠降低邊坡開挖量和支護(hù)量，減少經(jīng)濟(jì)投入。1970 年，Hoek［1］建立了坡高、坡角和邊坡體參數(shù)的關(guān)系，并繪制了斜坡穩(wěn)定性計(jì)算曲線。國內(nèi)亦對巖質(zhì)邊坡做了大量平面破壞模型試驗(yàn)。付永勝和李雋蓬［2］基于統(tǒng)計(jì)分析方法建立了鐵路巖石邊坡坡角α與巖體質(zhì)量RQ間的相關(guān)關(guān)系，提出了考慮坡高和水體因素影響的、確定鐵路巖石邊坡角的關(guān)系式。唐秋元和劉建寧［3］分析了不同情況下同向巖質(zhì)邊坡的極限穩(wěn)定坡角及邊坡極限高度。利用這些方法，可以對邊坡設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益。

筆者結(jié)合數(shù)學(xué)原理和優(yōu)化原理，以可靠性分析、費(fèi)用分析以及風(fēng)險(xiǎn)分析為主線，建立了以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為設(shè)計(jì)目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，從中推求出安全性較高、費(fèi)用較低、風(fēng)險(xiǎn)較小的邊坡開挖方案，并以某電站右壩肩為例，對邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案進(jìn)行了評估。

2 Hoek的穩(wěn)定性算圖

Hoek經(jīng)過大量研究，對地下水及張裂隙的不同條件繪制算圖，用于快速確定均質(zhì)邊坡的安全系數(shù)，可分析地下水位和邊坡剖面的改變對安全系數(shù)的影響。

對于圓弧形破壞形式的均質(zhì)邊坡，Hoek認(rèn)為可通過穩(wěn)定因數(shù)來初步快速的確定邊坡安全系數(shù)或極限坡角，該穩(wěn)定因數(shù)定義為，式中，γ為巖土體的重度;H為坡高;c和φ分別為巖土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

3 特定邊坡坡角設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法

一般認(rèn)為，邊坡馬道的設(shè)置可以將一個(gè)較高邊坡分成幾個(gè)坡高較小的邊坡。要達(dá)到此效果，馬道的寬度需滿足一定的條件，即給定安全條件下的最危險(xiǎn)圓弧滑動面在馬道位置，且不得滑到上一級邊坡內(nèi)，否則馬道對邊坡安全性的改善程度將大大降低。

大量試算說明，假定1/2坡高以下部位利用巖土體自重壓載有利于提高邊坡穩(wěn)定性，即工程上常用的“壓腳”方法，則邊坡的分級數(shù)和馬道寬度可通過以下步驟確定:(1)根據(jù)坡高H選擇合適的分級數(shù)n，各級馬道與坡腳o點(diǎn)的垂直高度為H/2n;(2)根據(jù)H和巖土參數(shù)確定穩(wěn)定因素，即可根據(jù)要求的安全系數(shù)查圖1確定坡角α;(3)從o點(diǎn)開始，按第一級邊坡的坡高查圖1確定邊坡坡角，得圖2中的oa段;(4)根據(jù)第二級邊坡至坡腳的坡高，查圖1，確定第二級邊坡的坡角(oc);(5)第一級水平馬道寬即為ab，b點(diǎn)為oc與水平線的交點(diǎn);(6)按第三級邊坡坡高，查圖1的第三級坡角(be)，第二級馬道寬為cd;(7)依此類推，可得第四級坡角dg，第三級坡寬ef。最后所得坡面形狀如圖2所示。

圖1 無地下水條件的圓弧破壞算圖

由圖2優(yōu)化前后的坡面形狀可以看出，減少開挖量的關(guān)鍵在于最下面一級邊坡的坡角和坡高的選擇。

4 某電站右壩肩邊坡優(yōu)化的應(yīng)用

依據(jù)圖2所示的基本原理，對某水電站右壩肩邊坡進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。原設(shè)計(jì)邊坡坡比見圖3，其中，Ⅱ類巖體按 1∶0.2、Ⅲ類巖體按 1∶0.3、Ⅳ類巖體按1∶0.5 設(shè)計(jì)。

該電站右壩肩邊坡主要特性包括:(1)地層巖性為燈影組中厚層狀白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r;(2)邊坡巖體以弱風(fēng)化、強(qiáng)卸荷巖體為主;巖體結(jié)構(gòu)以鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)巖體為主，局部塊裂結(jié)構(gòu);(3)邊坡中上部巖體以Ⅳ級巖體為主，中下部以Ⅲ級巖體為主，其次為Ⅳ類。邊坡區(qū)主要軟弱結(jié)構(gòu)面為較平緩的順層擠壓破碎帶及層面裂隙。據(jù)產(chǎn)狀分析對邊坡穩(wěn)定性不起控制作用，因此邊坡整體穩(wěn)定。

根據(jù)規(guī)范和Hoek穩(wěn)定性算圖，對于Ⅰ類邊坡巖體類型(右壩肩邊坡巖體均屬Ⅰ類類型)，H≤25 m邊坡坡比取1∶0.25～0.35;對于Ⅱ類巖體，H≤15 m 坡比取1∶0.15，H≤8m取坡比1∶0.1，計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)取值表

圖3為原設(shè)計(jì)與優(yōu)化后的坡面比較圖，其中，細(xì)虛線表示初步設(shè)計(jì)方案，細(xì)實(shí)線為筆者所述方法的優(yōu)化方案，粗實(shí)線為最終實(shí)施方案。

圖3 原設(shè)計(jì)與優(yōu)化后的坡面比較圖

筆者采用簡化Bishop法對3種坡面計(jì)算了安全系數(shù)，并計(jì)算了相應(yīng)邊坡剖面的開挖面積(表2)。由計(jì)算可知:在應(yīng)用筆者的優(yōu)化方法對邊坡開挖面進(jìn)行優(yōu)化后，不僅邊坡穩(wěn)定性得到了改善，而且邊坡開挖量亦相應(yīng)減少。

表2 計(jì)算結(jié)果對比表

5 邊坡優(yōu)化的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

設(shè)計(jì)結(jié)合地質(zhì)條件，在實(shí)際施工過程中，將682.5 m 高程以下坡比調(diào)整為 1∶0.3～ 1∶0.2，682.5 m高程以上坡比調(diào)整為1∶0.5，邊坡最大開挖高度由160 m減少至120 m左右。將技施工程量與招標(biāo)工程量相比較，土方明挖節(jié)省工程量4.46 萬 m3，石方明挖節(jié)省工程量 54.5 萬 m3，共計(jì)節(jié)約投資2 184.79萬元。如果按筆者的算法進(jìn)行理論計(jì)算，還將在此基礎(chǔ)上減少約1.7萬m3的開挖量，投資節(jié)約成果顯著。

6 結(jié)語

筆者簡要介紹了基于Hoek穩(wěn)定性算圖的邊坡開挖優(yōu)化方法，并對某電站右壩肩邊坡進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，結(jié)果表明:

(1)基于Hoek穩(wěn)定性算圖的邊坡開挖優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對圓弧形滑面破壞的邊坡具有明顯效果;

(2)在不改變開挖剝落量的基礎(chǔ)上，可以增加邊坡穩(wěn)定性;

(3)在不改變邊坡穩(wěn)定性條件的基礎(chǔ)上，可以減少開挖剝落量，減少投資。

［1］ E.Hoek，J.Bray.Rock slope engineering［M］.London:Institution of Mining and Metallurgy，1981.

［2］ 付永勝，李雋蓬.鐵路巖石邊坡坡角的確定方法［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1991，26(2):56－60.

［3］ 唐秋元，劉建寧.同向巖質(zhì)邊坡極限穩(wěn)定坡角及極限高度分析［J］.西部探礦工程，2005，17(2):186－188.

［4］ 楊航宇，顏志平，朱贊凌，等.公路邊坡防護(hù)與治理［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［5］ 朱乃龍，張世雄.巖石深凹邊坡穩(wěn)定性坡角的初步確定方法［J］.工程力學(xué)，2003，20(5):130－133.

［6］ 《工程地質(zhì)手冊》編寫委員會.工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1992.

［7］ 徐世光，祝傳兵，殷 瑛.一個(gè)極限穩(wěn)定坡角與坡高的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2006，17(3):22－26.

［8］ 李新平，等.十漫高速公路SME1－SME6段巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性評價(jià)及加固研究報(bào)告［R］.武漢:武漢理工大學(xué)，2004.