某高邊坡不同削坡方案穩(wěn)定性對(duì)比分析

任 斌

（中鐵十一局集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430061）

1 引言

邊坡的穩(wěn)定直接影響工程的安全穩(wěn)定甚至人民生命財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)于大型高邊坡工程更是可能造成更加深遠(yuǎn)和嚴(yán)重的危害,因此在修建道路、橋梁、水利工程過程中,對(duì)高邊坡的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)是一個(gè)非常重要的工作,特別是降雨之后更加會(huì)引起邊坡的失穩(wěn)破壞,一旦發(fā)現(xiàn)高邊坡可能產(chǎn)生失穩(wěn)就必須采取有力的預(yù)防和處理措施［1-2］。在工程運(yùn)行過程中高邊坡也可能產(chǎn)生過大的變形,此時(shí)對(duì)邊坡進(jìn)行處理也必不可少［3-4］。某工程高邊坡運(yùn)行過程中監(jiān)測(cè)到產(chǎn)生了較大變形,對(duì)工程造成潛在危害,因此計(jì)劃對(duì)邊坡采取削坡處理以控制邊坡的進(jìn)一步變形。本文對(duì)各削坡方案展開對(duì)比分析,評(píng)價(jià)各削坡方案的可行性。

2 工程概況和背景

某高邊坡屬于超高邊坡,是某工程中的一個(gè)重要邊坡。在工程施工之前,便對(duì)該邊坡進(jìn)行過相關(guān)的加固措施。水位及各測(cè)點(diǎn)位移變化見圖1。蓄水初期,水庫水位升降較快,邊坡變形速率隨水庫水位快速升高而升高,水庫水位快速下降也會(huì)導(dǎo)致邊坡變形速率快速下降。蓄水后期,水庫水位不會(huì)再出現(xiàn)速升速降的現(xiàn)象,邊坡變形速率也逐漸趨于穩(wěn)定。在水庫蓄水后,庫岸邊坡產(chǎn)生了位移變化。據(jù)調(diào)查是因該水庫浸水部分巖體產(chǎn)生弱化效應(yīng),浸水巖體受壓變形增大而致。

圖1 2009/8/1~2010/5/1水位及各測(cè)點(diǎn)位移變化

根據(jù)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果有必要對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理,工程提供了3種削坡方案,本文對(duì)三種削坡方案下該高邊坡開挖加固效果展開對(duì)比分析和評(píng)價(jià),并最終確定建議削坡方案。

3 邊坡削坡方案

根據(jù)邊坡的實(shí)際工程地質(zhì)和邊坡變形的實(shí)際情況,同時(shí)考慮到實(shí)際完成的可能性,實(shí)際工程中對(duì)該高邊坡提出三種可能的削坡方案。這三種削坡方案具體信息如下：削坡方案4A：該方案計(jì)劃從坡頂階梯狀開挖至2660 m高程,開挖方量約為960 萬m3。該方案首先被提出,并且考慮到施工的可能性和經(jīng)濟(jì)性的結(jié)合在論證各開挖方案之前便作為其中的一個(gè)首先方案。削坡方案4B：該削坡方案計(jì)劃從坡頂至2800 m高程,LF1 前緣全部挖除,開挖方量約為1900 萬m3,由于該方案挖處量較大,所以總體的開挖量也較大,同時(shí)該方案施工時(shí)間也將會(huì)相對(duì)較長；削坡方案4C：該方案計(jì)劃從坡頂至2800 m高程,LF1 前緣全部挖除,2800 m高程以下,按照方案1階梯狀開挖,該方案相當(dāng)于是方案1 和方案2 的結(jié)合,因此開挖量將顯著較大,總體開挖方量約為2300 萬m3,雖然該方案開挖量較大,但是基本上可以將產(chǎn)生較大變形的現(xiàn)有邊坡挖除,邊坡可以大大提升自身安全穩(wěn)定。

4 不同削坡方案的比較分析

4.1 邊坡橫向位移分析

采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)不同削坡方案的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。削坡方案4A邊坡及剖面開挖后回彈位移等值線圖見圖2。削坡方案4B邊坡及剖面開挖后回彈位移等值線圖和削坡方案4C邊坡及剖面開挖后回彈位移等值線圖限于篇幅并未列出,計(jì)算結(jié)果將與削坡方案4A的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。由計(jì)算結(jié)果可以得出：邊坡頂部處有大量屈服區(qū)集中,并有較大的不平衡力。邊坡頂部中心處附近屈服區(qū)最多,水平向向山體內(nèi)延伸約90 m,豎直向延伸約70 m。邊坡頂部兩側(cè)屈服區(qū)少于中心處,且豎直向延伸約為30 m。由于頂部存在較多的屈服區(qū),存在較大的傾倒變形,使邊坡頂部進(jìn)入了塑性變形。邊坡中部處存在較少屈服區(qū),并分布少量的不平衡力。邊坡坡腳處應(yīng)力集中,存在較多屈服區(qū),存在很大的不平衡力。此邊坡內(nèi)部不平衡力主要集中在斷層上,斷層LF1 有較大的不平衡力。屈服區(qū)與不平衡力可以準(zhǔn)確的反映邊坡的穩(wěn)定狀況,根據(jù)當(dāng)前屈服區(qū)與不平衡力分布判斷該邊坡頂部處于臨界失穩(wěn)狀態(tài),且邊坡局部存在破壞狀況。

圖2 方案4A正常工況下I-I剖面橫河向位移云圖

由計(jì)算結(jié)果可以看出：（1）按照方案4 A進(jìn)行開挖,邊坡回彈位移橫河向最大值為65.9 mm,順河向?yàn)?45.4 mm,豎直向?yàn)?119.2 mm。（2）按照方案4 B進(jìn)行開挖,邊坡回彈位移橫河向?yàn)?9.0 mm,順河向?yàn)?04.7 mm,為-126.8 mm。（3）按照方案4 C進(jìn)行開挖,邊坡回彈位移橫河向?yàn)?8.7 mm,順河向?yàn)?03.6 mm,豎直向?yàn)?154.6 m。總體而言各方案回彈位移量值均較小。

4.2 屈服區(qū)分析

對(duì)削坡方案4A邊坡及剖面屈服區(qū),削坡方案4B邊坡及剖面屈服區(qū)和削坡方案4C邊坡及剖面屈服區(qū)展開對(duì)比分析。由分析結(jié)果可以看到：（1）按照方案4A進(jìn)行開挖,開挖區(qū)域的下部有較多屈服區(qū),邊坡與坡腳處屈服區(qū)明顯減小,大大提高了邊坡的整體穩(wěn)定性；（2）按照方案4B進(jìn)行開挖,邊坡屈服區(qū)也明顯減小,屈服區(qū)主要集中在邊坡中部和開挖區(qū)域下部,坡腳處屈服區(qū)比方案4A略小,但邊坡中部屈服區(qū)比方案4A大；（3）按照方案4C進(jìn)行開挖,邊坡除了表面存在少量屈服區(qū),邊坡內(nèi)部基本沒有屈服,邊坡屈服區(qū)體積進(jìn)一步減小。綜合上述分析,可以看到,從屈服區(qū)體積來看,方案4C最好,方案4B與4A相差不大。

4.3 不平衡力分析

對(duì)削坡方案4A邊坡及剖面不平衡力,削坡方案4B邊坡及剖面不平衡力和削坡方案4C邊坡及剖面不平衡力展開對(duì)比分析。

由對(duì)比分析結(jié)果可以看到：（1）按照方案4A進(jìn)行開挖,邊坡不平衡力明顯減小,特別是頂部和中部,由于表層巖體開挖,不平衡力顯著減小。（2）按照方案4B進(jìn)行開挖,由于頂部不穩(wěn)定巖體大部分被挖除,不平衡力主要存在于邊坡中部及坡腳處。（3）按照方案4C進(jìn)行開挖,邊坡僅在開挖區(qū)域下部及頂部部分巖體分布有不平衡力,量值較小,反映邊坡局部失穩(wěn)的可能進(jìn)一步降低。（4）從不平衡力的分布來看,按照方案4A、方案4C進(jìn)行開挖,邊坡出現(xiàn)滑坡的可能性較小；按照方案4B進(jìn)行開挖,邊坡中部可能出現(xiàn)滑坡。綜合上述分析,可以看到,從不平衡力分布來看,方案4C最好,方案4A比方案4B好。

4.4 余能范數(shù)分析

從圖3 可以看出,初始降強(qiáng)時(shí),各方案余能范數(shù)都較小,降強(qiáng)到1.3 倍后,方案2 余能范數(shù)急劇增大,反映邊坡整體穩(wěn)定性急劇下降。水位上升至2452 m（方案3）,余能范數(shù)曲線與方案2 非常接近,表明邊坡整體穩(wěn)定性變化不大。采用方案4A進(jìn)行開挖,余能范數(shù)顯著減小,邊坡整體穩(wěn)定性提高。方案4B余能范數(shù)比4A略大,穩(wěn)定性比4A差一些。采用方案4C,余能范數(shù)進(jìn)一步減小,降強(qiáng)到1.5 倍后,其余能范數(shù)僅為方案2 的三分之一,為方案4A的三分之二。邊坡整體穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。

圖3 各方案降強(qiáng)過程中余能范數(shù)變化

綜上所述,邊坡在當(dāng)前工況下,穩(wěn)定性較差,局部出現(xiàn)失穩(wěn)破壞,或處在臨界失穩(wěn)狀態(tài)。通過降強(qiáng)分析,邊坡安全余度較低。進(jìn)行開挖后,邊坡位移、屈服區(qū)、不平衡力、余能范數(shù)均顯著減小,穩(wěn)定性提高。三個(gè)開挖方案均能取得較好的效果。

4.5 開挖方案建議

綜合考慮三種削坡方案發(fā)現(xiàn),削坡方案4A從坡頂階梯狀開挖至2660 m高程,開挖方量約為960萬m3。削坡方案4B從坡頂至2800 m高程,LF1 前緣全部挖除,開挖方量約為1900 萬m3；削坡方案4C從坡頂至2800 m高程,LF1前緣全部挖除,2800 m高程以下,按照階梯狀開挖,開挖方量約為2300 萬m3。考慮削坡方案4C開挖方量較大,而邊坡變形主要集中在頂部表面,對(duì)于削坡方案4C進(jìn)行調(diào)整,將2800 m高程提高為2860 m。2860 m高程以下階梯狀開挖,2860 m高程以上對(duì)LF1前緣進(jìn)行適當(dāng)挖出。開挖方量將減少約1000萬m3。從屈服區(qū)、不平衡力、余能范數(shù)的對(duì)比看,方案4C效果最佳。而從實(shí)現(xiàn)的難度和經(jīng)濟(jì)效益來看方案4A是較為合適的,最終方案應(yīng)該綜合工程實(shí)際情況最終確定。

5 結(jié)論

本文對(duì)某工程高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析并對(duì)三種削坡方案進(jìn)行對(duì)比分析論證。從屈服區(qū)、不平衡力、余能范數(shù)的對(duì)比分析可以看出,三個(gè)開挖方案均有效果,整體靜力穩(wěn)定性可提高至1.3 以上。從屈服區(qū)、不平衡力、余能范數(shù)的對(duì)比來看,從坡頂至2800 m高程前緣全部挖除,2800 m高程以下按照階梯狀開挖方案效果最佳。