某堆渣場地穩定性分析及治理措施研究

2021-03-26 08:08:52王小波楊玉川張永清

水電站設計 2021年1期

王小波，楊玉川，張永清

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072)

0 前言

在西南高山峽谷地區水電工程的修建過程中，由于施工設施的布置往往需要大量的場地，而由于天然平地較少，往往需要堆渣來制造場地。水電工程的建設周期往往維持數年，有些人工堆筑的施工場地在長期使用過程中會出現變形破壞的情況。為了避免堆渣場地出現滑坡災害，造成較大的經濟損失及人員傷亡，設計人員必須合理評價堆渣場地的穩定性并進行有針對性的治理。

目前，國內外學者對邊坡穩定性評價及治理措施進行了大量的研究，并取得了許多成果[1-3]。在研究過程中，許多學者將工程地質學、土力學及巖土力學應用于邊坡穩定研究中，在邊坡穩定研究的理論、方法和綜合治理技術方面取得了許多成就[4-6]。杜九博等[7]通過建立三維邊坡開挖模型，采用基于強度折減法的三維有限元軟件對西藏某水利工程邊坡進行了穩定性分析；楊玉川等[8]基于傳壓原理，利用極限平衡方法分析了噴錨支護邊坡的穩定性；王孝哲和劉林林[9]應用強度折減法，分析了傾斜微型樁群加固堆積層邊坡，研究了樁傾角與支護效果間規律等。工程中常用的分析方法有：費倫紐斯(Fellenius)法、畢肖普(Bishop)法、泰勒(Taylor)法、簡布(Janbu)法、摩根斯頓-普賴斯(Morgenstern-Price)法、剩余推力和楔形體法等[10-11]。

目前，由于對堆渣場地的加固治理研究相對還比較少，那么根據場地的變形情況進行參數的反演分析，并結合反演結果進行加固措施的研究對人工堆渣場地的安全均至關重要。本文利用西南山區某人工堆渣場地的加固治理研究過程，提出了一套場地邊坡的穩定分析及加固治理方案，最后通過實際治理效果檢驗該研究思路的合理性。

1 堆渣場地概況

本文研究的堆渣場地位于某水電工程壩址右岸下游約2 km的沖溝內，沖溝底部為下游低線混凝土生產系統。該沖溝在公路施工階段堆積大量施工棄渣，渣體采取防護措施后形成約4 000 m2平臺，曾作為施工場地利用，部分區域通過少量開挖和渣料回填形成，修建有引水發電系統工程標前方指揮中心，具體位置如圖1所示。

圖1 場地平整示意

該場地長期受降雨及不均勻沉降影響后被發現，場地前緣下方漿砌石擋墻已出現一處豎向裂縫、多條水平裂縫，平臺前緣地面出現多處裂縫；臨邊護坡出現多處漿砌石起翹、開裂情況，如圖2所示。

圖2 場地治理前的變形破壞情況

該場地變形較大，且變形在每年汛期均有緩慢增長，同時土工格柵下方漿砌石擋墻出現沉降、裂縫、起翹等情況，問題較突出。建設單位要求根據該場地原平整設計情況及近年來場地變形情況，綜合評估該場地作為電廠永久場地的穩定性，并依據該場地穩定性評價結果提出永久的治理方案。

2 場地穩定評價基礎資料

2.1 工程地質情況

勘探揭示，場地覆蓋層分為人工堆渣及原始覆蓋層兩層：人工堆渣主要位于場平部位，垂直深度3～12 m，組成物質主要為灰色(孤)塊碎石土，結構松散，另平臺外側溝內存在少量人工掛渣；原始覆蓋層垂直深度10～25 m，組成物質為沖洪積及坡積灰色～褐黃色塊碎石土，結構相對較緊密。場地基巖巖性主要為粉砂質板巖，局部夾變質砂巖。勘探揭示巖體強卸荷，弱上風化垂直深度10～25 m；巖體弱卸荷，弱下風化垂直深度15～30 m。

2.2 計算模型

場地原平整加固方案中，場地前緣采用“衡重式漿砌石擋墻+土工格柵加筋土邊坡”的形式。衡重式漿砌石擋墻高度小于6 m，土工格柵加筋土邊坡高度在20 m以內，斷面形式為“土工格柵加筋土邊坡(1:0.1)+底部衡重式擋墻”。自坡頂往下每10 m設2 m寬馬道，場地頂面以下5.0 m范圍內壓實系數不小于0.90；5.0 m范圍以外區域壓實系數不小于0.85；場地后緣開挖邊坡坡比為1:0.75，漿砌石護坡，厚度50 cm，坡腳及場地周邊設置排水溝，其平面布置及典型剖面如圖3所示。

圖3 場地的平面布置及典型剖面

2.3 計算參數

該場地巖體物理力學參數采用壩區相關參數，覆蓋層參數結合物質組成及其成因，通過工程類比后確定堆渣場地邊坡計算參數(見表1)。

表1 堆渣場地計算參數取值

3 場地邊坡穩定性分析

3.1 計算方法

本次計算采用剛體極限平衡原理對場地堆渣體邊坡進行穩定性定量評價。分析采用Rocsience公司的Slide程序，該程序是巖土分析軟件中一個計算邊坡穩定性的軟件。其原理采用剛體極限平衡法，包含簡化Bishop法、Janbu修正法、Spencer法、M-P法等，目前在全國大型水電工程中得到了廣泛運用。本次邊坡穩定計算分析采用圓弧滑動面的簡化Bishop法和Morgenstern-Price法。

3.2 計算工況

根據相關規定并結合工程的實際情況，且由于場地地下水埋藏較深，計算范圍內未見連續地下水出露，因此未考慮連續地下水的作用，本次計算選擇了其中三種工況進行穩定性計算分析。

(1)持久工況——自重。考慮巖土體天然自重，荷載組合為自重。

(2)短暫工況——“自重+暴雨”作用。在持久工況的基礎上，考慮暴雨下滲，荷載組合為“自重+暴雨”。暴雨工況在軟件Slide中采用Ru系數，考慮孔壓的簡單方法，孔壓大小定義為條帶豎直方向地應力的比例，根據相關工程實例，模擬暴雨工況并取值0.08。

(3)偶然工況——“自重+地震”作用。在持久工況的基礎上考慮地震荷載，荷載組合為“自重+地震”作用。地震荷載計算時不考慮其沿高程放大，不考慮豎向地震作用，采用擬靜力法，考慮0.25效應折減系數。

3.3 場地治理前穩定性計算

本場地原加固方案采用土工格柵TGDG200，其材料拉伸強度為200.0 kN/m。由邊坡治理范圍可知，需要復核天然狀況下剖面(1-1、2-2、3-3、4-4、5-5)的穩定性，如圖3(a)。本次場地邊坡穩定復核計算中材料的物理力學參數采用地質建議參數(見表1)，計算結果如圖4所示。

圖4 場地的典型剖面邊坡穩定計算成果(治理前)

由圖4可知，1-1剖面、4-4剖面和5-5剖面的最小滑動面絕大部分位于覆蓋層上，其穩定性受覆蓋層力學參數控制；而2-2剖面和3-3剖面的最小滑動面絕大部分位于人工堆渣上，其穩定性受人工堆渣力學參數控制。而根據計算結果可知，采用類比參數計算的邊坡安全系數偏小，滑裂面基本位于人工堆渣及覆蓋層上，除1-1剖面和4-4剖面邊坡安全系數Fs稍大于1以外，其他三個剖面邊坡最小安全系數均小于1，未達到邊坡穩定安全系數要求的最小值1.05。

另外，根據現場實際及監測數據可知，該場地作為臨時場地已經安全使用多年，雖然漿砌石擋墻出現裂縫、沉降、變形等問題(變形的主要原因為雨季受降水影響，擋墻基礎承載力不足和擋墻砂漿充填不飽滿所導致)，但該場地邊坡并未出現大的滑動變形問題，整體仍處于穩定狀態。由此可知，類比確定的人工填渣及覆蓋層物理參數偏小，若以此作為邊坡治理計算參數不合理。另外，由于場地D-A堆渣體不同剖面的穩定分別受覆蓋層及人工渣體參數控制，因此需要根據邊坡實際運行情況對人工堆渣及覆蓋層取值進行參數反演，從而選擇合理的物理力學參數。

3.4 力學參數反演

根據力學參數反演的相關規定以及該場地的設計資料，基于邊坡穩定的現場實際情況，將上述各斷面邊坡穩定安全系數最小值控制在不低于1.05[12]。首先，基于地質提供的力學參數進行敏感性分析，由圖4和表2可知，2-2剖面和3-3剖面的穩定性只需要將3-3剖面穩定系數控制在不低于1.05即可，而1-1剖面、4-4剖面和5-5剖面的穩定性只需要將5-5剖面穩定系數控制在不低于1.05即可。利用Slide軟件的穩定性、敏感性分析模塊，最終該場地的力學參數反演結果如表2所示。

表2 場地物理力學參數反演結果

為驗證反演參數的合理性，采用表2中的材料參數對典型剖面邊坡的穩定性進行重新復核，得到該場地堆渣體邊坡各剖面的穩定安全系數(見表3)。

表3 場地典型剖面邊坡穩定重新復核成果

考慮到該場地后期將作為永久場地，其邊坡性質由臨時邊坡變為永久邊坡，因此永久邊坡的安全系數需要進一步提高。根據計算結果得知，該場地堆渣體邊坡雖滿足臨時邊坡穩定要求，但難以滿足永久邊坡穩定要求。因此，該場地需要采取相應措施進行加固處理，才能滿足規范要求的永久邊坡安全系數。

4 場地治理

4.1 錨索支護

根據場地堆渣體邊坡現狀及邊坡穩定復核成果，結合相關工程邊坡成功治理經驗，采用單排錨索支護方案對堆渣體進行加固處理。由上述各典型斷面邊坡的最小滑弧位置可知，在邊坡下部采用錨索支護對相應滑動面進行支護。另外，為了保證錨索入巖具有一定的錨固深度，基于各剖面覆蓋層的不同深度，確定1-1剖面與4-4剖面之間的錨索長度為40 m，錨固段長度為10 m，而4-4剖面與5-5剖面之間的錨索長度為60 m，錨固段長度為20 m，所有剖面上均施加100 t的預應力錨索，錨索的間距為5 m。為了提高擋墻及邊坡的穩定性，錨索直接打到墻身上面，計算施加單排錨索后的邊坡加固效果。將錨索參數添加到相應計算模型中，計算三種工況下的邊坡安全系數，計算結果見表4。