某水庫公路邊坡強度參數反演及其穩定性分析

代朝科 西寧市大通回族土族自治縣水利局

李生暉 李海慧 青海經緯水利水電設計有限公司

1.引言

邊坡失穩破壞造成的影響在公路施工、房屋建設等工程中越來越顯著，邊坡穩定性分析已成為工程地質領域中研究的重要內容。邊坡穩定性分析中極限平衡法是建立在（剛體）極限狀態時的靜力基礎上，分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態來評價其穩定性。由于極限平衡法可以給出物理意義明確的邊坡穩定安全系數以及可能的破壞面，且力學模型簡單而得到廣泛應用。常用的極限平衡分析的主要方法有:Fellenius法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、Spencer法、Sarma法、平面直線法、推力傳遞系數法等。本文基于庫岸公路邊坡的工程地質條件，通過Geostudio 軟件的SEEP/W模塊及SLOPE/W模塊建立計算模型，進行邊坡參數反演確定出合理的強度參數，分析天然、暴雨、地震和庫水位升降工況下邊坡穩定性。

2.工程概況

2.1 地形地貌

該段公路路段位于我國西南部某大型水庫庫岸沿線，地形地貌上總體為東、西側為砂巖、粉砂質頁巖構成的凸起的山脊，中間向北向傾斜，地形稍緩呈槽狀，目前形成陡坎地形（圖1）。后緣高程約187～189m，寬8m，前緣高程在161～162m之間，寬40m，其縱向長約48m，呈扇形分布在斜坡上。后緣縱向長約30m，深入公路路面下，主要在原崩坡積體上碾壓修建公路而成。

圖1 庫岸公路邊坡工程地質平面簡圖

2.2 地質結構

該段庫岸為巖土組合岸坡，岸坡坡體主要為碎塊石土，土石比約為1：1，滑移面附近粘粒含量較高，土石比可達1.5：1，主要為崩坡積物。后期建設公路亦在此基礎上整平形成，該層厚度大約9.3～15.3m，呈后緣淺，前中緣厚的特點。坡面坡度為30°～40°，平均坡度32°左右，地質剖面如圖2所示。

圖2 1-1`地質剖面圖

2.3 邊坡破壞模式分析

公路邊坡破壞模式大致可以概括為三類：滑動型、落石型、流動型坍塌。該岸坡段主要存在三方面的不利地質因素。

（1）水庫水位漲落的原因。主要受庫區水位及其升降的影響：當庫水位最高時，斜坡坡腳部分碎塊石土受到水浸泡作用，其力學強度會降低，導致坡腳產生變形位移；當庫水位下降過程中，造成坡腳巖土體產生動水壓力，也會導致坡腳甚至整體產生變形位移。

（2）地形因素。該路段所在斜坡為橫向結構,路段自然斜坡坡度30°～40°，具有較大的坡度，公路開挖后加大了斜坡坡度，造成斜坡更不穩定。

（3）組成物質因素。該路段斜坡的組成物質分軟硬兩層，上部軟層為崩塌的碎塊石土，下部基巖為砂巖夾粉砂質頁巖。頁巖具有力學及抗剪強度低、易風化、易變形等特點，易造成滑坡等地質災害。

3.邊坡參數反演及穩定性分析

3.1 反演思路

采用GeoStudio軟件建模計算時，參數反演中該公路邊坡的碎石土塊土層發生滑動的可能性比較大，所以將碎石土塊土層做為主要滑動層來進行參數的反演計算。因為該邊坡的工程地質條件及水文地質條件等因素，本文對天然工況進行參數反演計算。反演時，通過以c、φ建議值為中心，向兩邊擴展，多取幾組值，計算出不同參數下的邊坡安全系數。通過數值模擬的方法，可以將c、φ值的線性關系表達出來，再選擇一組較為合理的參數作為本次計算的初始參數。

3.2 反演條件

該段庫岸坍塌治理工程的研究對象主要為岸坡坡體的覆蓋層碎塊石土，計算選取1-1`剖面進行參數反演分析，剖面如圖2所示。根據地質資料提供的堆積體邊坡的初始力學參數，該段塌岸邊坡穩定計算參數建議值表如表1。

表1 邊坡穩定計算參數建議值表

3.3 二維極限平衡力學模型及反演過程

該邊坡需要通過反演1-1'剖面在天然工況下的安全系數來確定岸坡覆蓋層（碎塊石土）的力學計算參數，1-1'剖面的計算模型如圖3所示。利用GeoStudio軟件基于極限平衡理論對1-1'剖面覆蓋層的參數進行反演，統計出不同φ值下的安全系數K與摩擦角c的關系曲線如圖4所示。

圖3 1-1'剖面計算模型圖

圖4 1-1'剖面K-c關系曲線

3.4 反演結果

根據上一步利用GeoStudio軟件基于極限平衡理論對1-1'剖面覆蓋層的參數反演結果所繪制的K-c關系曲線，通過計算關系曲線與其相對應的安全系數的交點，可以得出臨界情況下（K=1.05）不同φ值情況下所對應的c值，表2為其反演結果。

表2 1-1'剖面反演：K=1.05（天然工況）

根據以上表格的數據并結合地質資料，選取1-1'剖面的最危險滑帶反演參數，將反演結果進行分析并選取合適的力學參數如表3所示。

表3 變形體反演參數結果

3.5 穩定性計算及分析

根據工程地質資料、現場勘查及當地自然環境考慮了四種工況（天然工況、天然暴雨工況、天然地震工況、庫水位升降工況），并計算這四種工況對應的安全系數。使用GeoStudio軟件對1-1'剖面四種計算工況進行模擬，并分別計算出自動搜索滑帶和指定滑帶的安全系數。按樞紐區邊坡和庫區邊坡，分別將1-1'剖面各工況的安全系數計算結果進行匯總，結果如表4所示。

表4 不同工況下邊坡安全系數

天然工況屬于持久工況，天然暴雨工況和庫水位升降工況屬于短暫工況，地震工況屬于偶然工況。取規范中相應工況中安全系數下限值進行比較，可以得出結論：該邊坡1-1'剖面各工況計算得出的安全系數較低，1-1'剖面中搜索滑帶和指定滑帶在天然工況、暴雨工況、地震工況三種工況下安全系數均達不到規范要求值，說明該邊坡存在局部欠穩定現象。

4.結論

本文通過使用GeoStudio軟件，使用極限平衡理論對該公路邊坡的1-1'剖面進行了參數反演，確定了邊坡在天然工況下的穩定性計算參數（c=25kPa，φ=14.7°），使用參數反演得到的參數值來計算邊坡在天然工況、暴雨工況、地震工況、庫水位下降四種工況下的安全系數。通過在這幾種工況下對剖面進行穩定性計算分析，發現該邊坡在不進行任何加固措施處理時，在自然狀態下遇到暴雨或地震，非常容易發生滑坡，穩定性比較差。結合該段庫岸的地質結構和塌岸型式，建議該庫岸段應采用抗滑樁和臨時擋土板組合作為防護措施。此方案能夠提供較大的側向阻力，支擋滑體的滑動力從而整治變形體的穩定性起到穩定邊坡的作用。