巖質邊坡的穩定性分析及支護措施研究

王庭元，盛建龍，胡 斌

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081；

2.冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081)

0 引 言

隨著我國基礎工程建設速度的加快以及資源開發力度的增強，工程建設中出現了大量的自然斜坡和工程邊坡，因邊坡失穩產生的問題在房建、電力、隧道、礦業等建設工程中的影響越來越凸顯。邊坡一旦受到破壞，往往會帶來災難性的后果[1]。邊坡穩定性分析一直是巖土工程研究中的重要問題。與市政民用建筑等工程邊坡相比，電力工程開挖邊坡因地質條件及地理環境復雜，加之開挖高度大、坡度陡，處理難度大，因此在工程建設中成為各方關注的核心問題之一[2]。確保邊坡工程的安全，研究邊坡在多種工況下尤其是極端工況下的穩定性，對工程長期運營、建設投資具有重要意義[3-4]。

本文以某電廠建設過程中形成的巖質邊坡為研究對象，運用基于極限平衡理論的巖土工程數值模擬軟件，對該邊坡在不同工況下的穩定性進行計算分析，提出了相應的治理措施及防治建議，并對加固后的邊坡進行了計算分析對比，邊坡安全系數得到較大提高，滿足建筑邊坡國家技術規范的要求。

1 極限平衡法

極限平衡法是目前工程實踐中應用最為廣泛的一種計算方法，其推導嚴謹，較為成熟，對于平面滑動、曲面滑動、楔體滑動等多種滑動模式均有相應的計算公式，規范也將其列為邊坡穩定性分析的基本計算方法[5]。極限平衡法的一般步驟是先假設破壞是沿著土體內某一確定的滑裂面滑動，做一定的假設來消除超靜定力，再根據滑裂土體的靜力平衡條件和M-C破壞準則計算沿該滑裂面發生滑動的可能性，即安全系數的大小或破壞概率的高低，然后系統選取多個可能的滑動面，用同樣的方法計算安全系數或破壞概率，安全系數最低或破壞概率最高的滑動面就是可能性最大的滑動面[6]。基于極限平衡法原理的邊坡穩定計算有多種方法，根據不同的適用條件，主要有瑞典條分(Ordinary)法、畢肖普(Bishop)法、簡布(Janbu)法、摩根斯坦—普瑞斯(M-P)法等[7]。

(1)Ordinary法。該法假定滑動面是1個圓弧面，僅考慮對圓弧中心的下滑力矩與抗滑力矩的平衡，未考慮臨界滑動面及最小安全系數的問題，只滿足滑動塊體整體力矩平衡條件而不滿足條塊的靜力平衡條件。該法應用時間較長，積累了豐富的工程經驗，根據土條的靜力平衡條件和安全系數的定義，由力矩平衡條件得安全系數的表達式為

(1)

式中，Fs為安全系數；ci為第i土條的內聚力；li為第i土條所在的滑弧的長度；Wi為第i條土條的自重；αi為第i土條底面中點的法線與豎直線的交角；φ為第i土條所在滑動面上的內摩擦角[8]。

(2)Bishop法[9]。該法考慮了條塊兩側的反力，但均假定反力為水平方向，因此又可叫做簡化Bishop法，要滿足力矩平衡與沿條塊豎向力的平衡，未考慮臨界滑動面及最小安全系數問題。

(3)Janbu法[10]。該法更適用于非圓弧形滑動情況，能滿足力與力矩平衡條件。但當φ值很小或條塊劃分得太細時會出現不收斂問題。

(4)M-P法。M-P法是嚴格條分法，假定條間力的傾角的正切值為某一函數分布，每條塊均能嚴格滿足力和力矩的平衡條件，且不要求滑面的形狀為圓弧形，更適宜于一般情形下邊坡的穩定分析計算[11]。

2 工程概況

該電廠項目位于魯東半島城市開發區，地形為起伏較大的溝谷地形。因電廠工程廠區場平開挖，于廠區北側、西側和南側形成挖方邊坡。邊坡最高約50 m，坡率在1∶0.5～1∶0.75之間。由于受區域地質構造影響，場地小型褶皺、巖體節理裂隙較為發育，局部破碎巖體極易崩落掉塊，需進行支護治理。廠區邊坡區域地貌成因類型為剝蝕丘陵，原始地貌類型為低丘。

圖1 工程地質平面

圖2 9-9′工程地質剖面

擬建場地地下水類型主要為基巖裂隙水，以大氣降水為其主要補給方式，以人工開采及地下徑流為主要排泄方式。邊坡地段山體地勢較高，可不必考慮地下水的影響。

3 邊坡穩定性分析

3.1 計算模型的建立

根據鉆孔資料和該邊坡的邊界特征模型，以現場詳細勘查得到的地質原型為基礎，考慮了軟弱層對邊坡穩定性的影響，在數值模擬軟件中導入CAD圖后定義分析類型、材料屬性、生成材料區域，最后繪制滑移面出入口范圍，從而建立穩定性分析計算模型。考慮到邊坡仍有在土巖交界處發生破壞的可能性，通過完全指定滑動面，建立發生在土巖交界面處的邊坡穩定性系數計算模型。計算模型見圖3。

圖3 計算模型

3.2 計算工況及荷載組合的確定

根據該工程巖土工程勘測報告書、GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》[12]，該邊坡工程安全等級為一級，危害等級為一級。根據區域地震資料可知，研究區地震烈度為7度，地震峰值加速度為0.10g，綜合水平地震系數aw=0.025，且由于該邊坡屬于永久性邊坡，設計中必須考慮地震荷載對邊坡的影響；煙臺地區的降雨量普遍較大，因此必須考慮雨水對邊坡穩定性的影響。因此，本次穩定性計算工況設為天然工況(坡體自重)、暴雨工況、地震工況及暴雨疊加地震工況。

綜合考慮GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》、DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設計規范》[13]等相關規范的要求，確定此次邊坡治理設計天然工況下的安全系數取值為1.35，暴雨工況下取值為1.15，地震工況下取值為1.15，暴雨疊加地震工況下取值為1.05。

3.3 計算參數的選取及影響因素

根據本次地質測繪調查成果，中厚層中等風化大理巖和閃長巖巖體中結構面為硬性結構面，結合一般；薄層大理巖夾黑云片巖、強風化煌斑巖、黑云片巖中的結構面為軟弱結構面，結合很差。各種巖石中節理面的強度參數按表1取值；薄層大理巖夾黑云片巖、強風化煌斑巖等碎裂巖體的等效內摩擦角按表2取值[12-13]。

表1 結構面抗剪強度指標

表2 邊坡碎裂巖體力學參數

根據工程地質勘察報告、工程地質類比法、反算法及經驗值綜合分析，且同時考慮降雨滲入坡體等因素的影響，確定邊坡巖土體物理力學計算參數取值，見表3、4。

表3 天然工況下邊坡穩定性計算參數

表4 暴雨工況下邊坡穩定性計算參數

采用擬靜力分析法考慮地震因素，通過在軟件中設置地震加速度(水平地震系數aw=0.025)，反映地震荷載對邊坡穩定性的影響。

3.4 穩定性計算及分析

依據上述計算模型、計算工況以及計算參數，利用數值模擬軟件，計算該邊坡在不同工況下基于4種計算方法的最小穩定性系數，結果見表5。以M-P法為例，4種工況下最小安全系數計算結果見圖4。考慮到邊坡有在土巖交界處發生破壞的可能性，根據圖3計算模型，計算不同工況下基于4種方法土巖交界處滑移面的安全系數，結果見表6。

表5 邊坡最小安全系數計算結果

表6 土巖交界處滑移面安全系數計算結果

圖4 穩定性計算結果

天然工況下，采用4種方法計算的邊坡整體安全系數均在1.33～1.35之間，小于規范規定的一級邊坡安全系數取值大于1.35的要求，即穩定性計算結果不能滿足邊坡穩定安全系數的要求；地震工況下，采用4種方法計算的邊坡安全系數均在1.15以上，穩定性計算結果能達到邊坡穩定安全系數的要求；在暴雨工況下，采用4種方法計算的邊坡安全系數均在1.15以下，穩定性計算結果不能滿足要求；在暴雨疊加地震工況下，采用4種方法計算的邊坡安全系數均在1以下，穩定性計算結果不能滿足要求，處于不穩定狀態。

在4種工況下，邊坡整體最小安全系數的潛在滑移面均在粉質粘土層；土巖交界處的安全系數均大于邊坡整體最小安全系數，且均大于規范規定的一級邊坡安全系數取值要求，處于穩定狀態，土巖交界處不會發生失穩破壞。

綜上，該邊坡在天然工況下安全系數雖小于技術規范中的要求，但均在1.33～1.35之間，發生整體失穩的可能性較小；邊坡在暴雨、暴雨疊加地震時存在較大可能性邊坡失穩，且場地小型褶皺、巖體節理裂隙較為發育，局部破碎巖體極易崩落掉塊，有必要對該邊坡進行支護。

4 邊坡治理

由于本工程邊坡巖體的地層結構和構造情況比較復雜，巖體比較破碎，坡底廠區道路和建筑物比較多，若出現巖體坍塌將會造成比較嚴重的工程后果和經濟損失，因此必須保證加固后邊坡的長期穩定。此外，由于山體開挖改變了原來的排水通道，加之煙臺地區降雨量普遍較大，雨水的滲透會降低巖體的強度，使邊坡在暴雨、暴雨疊加工況下處于極易失穩的狀態，因此必須考慮雨水對邊坡穩定性的影響，保證坡頂、坡面和坡底地表水的有序排放，設置系統的截排水溝措施。

4.1 邊坡支護方案比選

根據工程地質與水文地質條件，支護結構一般有鉆孔灌注樁、鉆孔咬合灌注樁、人工挖孔樁、SMW樁、噴錨+暗梁及噴錨+格構梁等幾種選擇方式。綜合考慮施工技術難度、施工耗時、對機械設備的要求及支護費用等因素，結合施工單位現場已有支護材料情況，對6種可行的圍護方案從支護費用、施工時效、技術難度和設備要求等幾個方面進行綜合分析比較。采用鉆孔灌注樁、鉆孔咬合灌注樁、人工挖孔樁、SMW樁的支護方案費用較高，施工工藝相對復雜，不宜采用；而噴錨+暗梁及噴錨+格構梁這2種支護方案在保證施工進度、提高施工時效、節約成本等方面都比較合適，是符合工程實際的基坑開挖支護方案。因此，在保證邊坡本身和周邊環境安全的前提下，選擇了經濟合理可行的加固設計方案，加固方式為噴錨+暗梁及噴錨+格構梁。

4.2 噴錨的布置及設計

錨桿主體筋采用直徑為28～32 mm的HRB400鋼筋，長3～15 m，錨桿成孔直徑130 mm，內灌純水泥漿，并采用二次壓漿。錨桿采用二次低壓注漿全粘結型錨桿，注漿壓力0.2～0.5 MPa，注純水泥漿，水灰比為0.4～0.5，灌漿材料28 d的無側限抗壓強度不小于25 MPa。沿錨桿主體每1.5 m設置1個撐力環。錨桿與水平向夾角為20°，邊坡噴層厚度為150 mm，掛雙層8@250×250的鋼筋網，鋼筋網搭接長度為300 mm。

4.3 格構梁和暗梁的布置及設計

格構梁采用400 mm×400 mm的鋼筋混凝土梁，底部基礎梁尺寸為400 mm×500 mm；梁的縱橫間距為2.5 m，格構梁之間噴射鋼筋混凝土面層，面層設置雙層鋼筋網片(直徑8@250×250的HPB300鋼筋)，厚150 mm。加強筋或暗梁都采用直徑為20 mm的HRB400鋼筋。

4.4 截排水措施

坡頂距離坡頂線設置寬300 mm、高500 mm的鋼筋混凝土擋水墻，擋墻底部采用植筋方式與穩定巖體連接，內罐結構膠。沿邊坡走向每25 m設置寬20 mm的伸縮縫，縫中填塞瀝青麻筋、瀝青木板或其他有彈性的防水材料。邊坡坡頂設置截水溝，邊坡坡底設置排水溝，截水溝和排水溝呈梯形，采用C25混凝土。截水溝沿邊坡兩側根據地形設置，確保排水暢通。坡頂至坡底沿坡面每30 m設置封閉的集水管，使坡頂雨水集中排放至坡底的排水系統，避免雨水對坡面產生沖刷。

4.5 加固后安全系數驗算

以9-9′剖面噴錨支護為例，對加固后的邊坡穩定性進行了驗算，驗算模型見圖5。M-P工況下支護后最小安全系數計算結果見圖6。邊坡支護后最小安全系數計算結果見表7。從表7可知，加固后的邊坡穩定性系數與未支護情況下邊坡安全系數相比有大幅提高，且支護后邊坡安全系數在基于不同計算方法的4種工況下均滿足相關規范要求，加固效果顯著。

表7 邊坡支護后最小安全系數計算結果

圖5 邊坡加固后計算模型

圖6 邊坡支護后穩定性計算結果

5 結 語

本文基于極限平衡分析方法，就某電廠邊坡在天然工況下、暴雨工況下、地震工況下和暴雨疊加地震工況下安全系數分別進行了支護前后的穩定性計算分析及評價，得到以下幾點結論：

(1)該邊坡在天然工況下雖不能滿足邊坡安全系數的要求，但數值相對較大，發生整體滑動的可能性較小；在地震工況下穩定性計算結果能達到邊坡穩定安全系數的要求，不會失穩；在暴雨、暴雨疊加地震工況下坡體穩定性大幅下降，穩定性計算結果不能滿足邊坡安全系數的要求，極易失穩。

(2)通過支護方案比選，確定噴錨+暗梁及噴錨+格構梁治理方案，且通過計算分析與現場實際情況調查，支護后邊坡安全系數得到大幅提高，加固效果顯著，對邊坡穩定有較大的改善作用，達到了規范要求。

(3)綜合考慮本工程邊坡的地質、地貌特性，設置了鋼筋混凝土擋水墻、伸縮縫、截水溝、排水溝、集水管等截排水措施。根據工程現場反饋，完善系統的截排水措施使地表水順暢排出，減少了降雨對邊坡穩定性的不利影響。