库水位升降对桥区堆积体岸坡稳定性影响分析_刘品.pdf

公路 年月第期 文章编号：（）中图分类号：文献标识码：库水位升降对桥区堆积体岸坡稳定性影响分析刘品，龙维，史鹏飞，刘欢（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳市 ；中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司贵阳市 ）摘要：水库岸坡水位升降导致岸坡岩土体物理力学行为的劣化，进而影响水库岸坡的稳定性。现以惠罗高速公路朗桃号大桥桥区堆积体为研究对象，结合水文、地质和堆积体的力学特性勘察结果，对水位升降条件下影响边坡稳定性的关键因素进行数值分析。影响因素包括静止水位条件下暴雨的影响和动水位条件下滑坡角度、水位上升速度和渗透系数等。研究结果表明：在静水位条件下，高水位堆积体岸坡稳定较差，尤其是在暴雨条件下；在动水位条件下，水位上升时，堆积体岸坡安全系数表现出先增加再降低的趋势，峰值出现在水位上升 ；水位下降时，堆积体岸坡安全系数逐渐降低，当下降 时，安全系数趋于稳定。当边坡的安全系数不满足工程需求，如水位下降时，需对工程进行加固，处治措施可为削方放缓、坡脚抗滑桩支挡、局部回填反压及加强截排水等，分析结论对工程具有一定的指导意义。关键词：堆积体岸坡；稳定性分析；水位升降；正交试验概述堆积体岸坡处治已成为公路水运等基础设施建设不可避免的工程问题。水库岸坡的活动与水位升降变化有很大关系，水库水位的快速变化是导致水库岸坡失稳的重要原因，水位骤降是影响岸坡稳定的主要外在因素，水库水位上升期水库滑坡的发生要少于水库水位骤降期。岸坡稳定性计算分析关键在于处理水的作用，库水位变化引起的岸坡失稳主要是流体与岸坡岩土体综合作用的结果，水位的升降导致堆积体岸坡岩土体物理力学参数、地下水位、渗透压力等动态变化，计算工况极其复杂。水库水位的升降导致堆积体岸坡稳定性变化的研究对涉水库工程的建设以及安全运营有着重要意义。水位变化影响下岸坡稳定性问题，不少学者开展了相关研究，并取得一定成果。郑颖人等基于布西涅斯克非稳定渗流方程研究了库水位下降过程中坡内浸润线的简化计算；仉文岗等研究认为，库水位下降时岸坡稳定性最危险水位大致位于坡体下处；邓珊珊等研究表明，涨水速率增加则岸基金项目：贵州省交通运输厅科技基金项目，项目编号 ；收稿日期：陈星光高速公路改扩建工程纵坡设计公路，（）：黄润秋 岩石高边坡发育的动力过程及其稳定性控制岩石力学与工程学报，（）：周德培软岩高边坡工程的信息施工岩石力学与工程学报，（）：谢桂华 岩土参数随机性分析与边坡稳定可靠度研究中南大学，李典庆，周创兵，陈益峰，姜清辉，荣冠 边坡可靠度分析的随机响应面法及程序实现岩石力学与工程学报，（）：核电厂工程勘测技术规程：二部分：岩土工程田胜清 核动力工程厂址选择专家系统核工程研究与设计，（）：徐晓斌，秦晶晶，高飞某核电站强风化花岗岩原位直剪试验研究工程勘察，（）：陈祖煜，汪小刚，杨健，等岩质边坡稳定分析 原理、方 法、程 序 北京：中国水利水电出 版 社，：郑文棠，程小久，李焯芬，等 核电厂边坡地震动力响应研究 岩 石 力 学 与 工 程 学 报，（）：年第期刘品等：库水位升降对桥区堆积体岸坡稳定性影响分析坡稳 定 性 增 大，退 水 速 率 增 加 则 岸 坡 稳 定 性 减小；杨帆等对堆积体库水位变动时渗流场变化模拟得出岸坡潜水位线位置、压力水头与库水位变动关系；刘新喜研究表明，库水位下降阶段，渗透系数越小，滑坡稳定性越差。因水位升降条件下岸坡稳定性的影响因素复杂，加之大型水库岸坡地质勘察存在一定困难，精度不足，参数选取考虑不够充分，以上分析计算方法可能存在与工程实际不符的情况，难于指导工程处治设计。为尽可能考虑岸坡稳定性各项影响因素并指导工程处治方案设计，以贵州黔南州惠罗高速公路朗桃号大桥桥区堆积体为研究对象，对堆积体的成因进行研究，同时对岸坡堆积体稳定性进行动水位多因素组合正交试验计算，并结合静水位条件下稳定性计算结果对比分析，为本工程处治方案的选取及设计提供依据，为类似工程提供参考。工程概况惠罗高速公路位于贵州省黔南洲境内，项目路线起于惠水城南龙田寨，终点为黔桂省界红水河中心。项目第合同段沿红水河支流蒙江展布，本路段地形地质条件差，桥隧比高，堆积体、软土地基等不良地质较发育，尤其蒙江沿线岸坡堆积体最为典型，对公路的建设影响大。朗桃号大桥位于项目第合同段，上部结构为梁，下部结构为桩基础，全长 。朗桃号大桥 段左 右 堆积体发育，桥梁桩基穿过堆积体，见图。堆积体约宽 ，长 ，一般厚 ，体积约 ，组成物质为粉砂质泥岩块碎石及粉质黏土等，结构密实，稍湿。堆积体前缘自然坡度 ，中上部自然坡度 。龙滩水利枢纽工程一、二期正常蓄水位分别为 和 。大桥处于龙滩水利枢纽工程二期回水范围之内。堆积体前缘高约 处于 水位以下，受龙滩水利枢纽工程水位升降的影响，堆积体有失稳风险，危及大桥安全。工程建设区地处云贵高原与广西丘陵过渡的斜坡地带，受构造运动及侵蚀剥蚀作用强烈，地势起伏变化大，属侵蚀剥蚀中低山地貌，区域属珠江流域红水河水系涟江一级支流，气候条件为亚热带湿润季风气候，年平均降雨量为 。场区地下水类型为第四系松散覆盖层孔隙水及图郎桃号大桥基岩裂隙水，大气降雨向下补给第四系松散土层后，少部分赋存于土层孔隙内和向下伏基岩节理裂隙运移，大部分雨水则以坡面流形式排泄。场区上 覆 第 四 系 残 坡 积 层（）碎 石 土、（）坡积层块石土、含碎石粉质黏土；下伏三叠系中统许满组（）薄至中厚层状粉砂质泥岩。场区属扬子准台地黔南台陷贵定南北向构造变形区。桥位及其附近有向斜及背斜发育，受构造影响，岩层局部扭曲，场区岩体节理发育。区域地震动峰值加速度为 ，地震基本烈度为度。桥区堆积体岸坡特征结合场区地形地质条件，通过详细的野外地质调查，分析认为堆积体的形成主要受控于地形、地层岩性、构造个方面条件。地形条件堆积体位置处于山间沟谷低洼地带，堆积体东北侧、西北侧及西南侧均为山脊，堆积体位置与东北侧山脊高差约 ，与西北侧山脊高差约 ，与西南侧山脊高差约 ，东南侧开口，为典型三面环山一面开口的“圈椅状”地形。堆积体周围山体自然坡度 ，局部较陡地段自然坡度达 以上，堆积体底部原地面自然坡度 ，见图。这种地形具有良好的物源汇集条件，为崩塌、洪冲而来的岩土体提供了良好的堆积场所。地层岩性条件场区上覆第四系含碎石粉质黏土（），可塑图堆积体区域地形条件硬塑状，含 粉砂质泥岩碎石，厚，下伏基岩为三叠系中统许满组（）薄至中厚层状粉砂质泥岩，在区域温热湿润气候条件下，岩体极易风化，强风化层较厚，达 ，加之受构造活动影响，基岩结构面发育，岩体破碎。厚含碎石粉质黏土覆盖层及强风化粉砂质泥岩为堆积体的形成提供了充足物质条件。构造条件场区受区域构造运动影响，构造活动较强烈。堆积体所在沟谷有北西南东向向斜通过，核部大致位于桩号 （）处，受构造影响，岩层局部扭曲，向斜及背斜横剖面，见图。图向斜及背斜横剖面背斜顶部受张力作用，节理裂隙异常发育，主要发育节理有 、三组，节理间距 ，岩性脆弱，易被侵蚀。因背斜处于山脊，与堆积体所在山谷高差为 ，岩体风化剥蚀后，岩块沿坡面搬运堆积于山谷。堆积体位于向斜核部，向斜岩层向下弯曲，受力集中于中心，向斜底部岩性较坚硬，不易侵蚀，易接受堆积。同时，向斜两侧岩层倾向山谷，东北侧岩层层面倾角为 ，西南侧岩层层面倾角为 ，为“顺层”斜坡。向斜处于山谷地带，场区汇水面积较大，坡脚发育有冲沟，两侧“顺层”斜坡底部长期被水流冲刷，坡脚被切割侵蚀后形成临空面，岩土体沿岩层层面滑落而堆积于谷底，由此形成堆积体，见图。图堆积体上部堆积的块片石及侧面冲沟堆积体稳定性数值分析岸坡稳定性的影响因素分内在因素和诱发因素，内因包括岩土体物理力学性质以及岸坡的形貌特征等，诱发因素包括降雨、水位变动、人类活动、震动荷载等，其中水位升降变化是岸坡稳定性主要影响因素。结合现场地质勘探结果，建立基于 软件，水位升降条件下堆积体岸坡稳定性模型进行分析。并对静水条件下的不利工况和水位变动条件下影响堆积体岸坡稳定性的个关键因素，即迎水面坡 角、水 位 升 降 速 率 和 渗 透 系 数，进 行 了 深入研究。静水位条件下不同工况对比项目区域内无活动断裂发育，地震基本烈度为度，故计算分析不考虑地震影响。分析计算主要考虑堆积体自重、暴雨、库水位变化。结合龙滩水利枢纽工程一期 水位和二期 水位。计算分为个工况，见表。表静水位条件下稳定性计算工况工况工况工况工况工况组合 水位暴雨 水位 水位暴雨 水位采用有限元强度折减法对堆积体岸坡稳定性进行计算分析，基于 准则，利用岩土工程界常用软件 建立三维模型加以实现，见图。强度折减法基本原理为将材料的抗剪强度参数进行折减后不断迭代计算直至失稳破坏，相应折减系数值即为稳定性系数，参数折减见式（）和式（）：（）（）式中：为黏聚力；为内摩擦角；为折减后黏聚力；为折减后内摩擦角。公路 年第期 年第期刘品等：库水位升降对桥区堆积体岸坡稳定性影响分析图三维计算模型岩土体物理力学参数来源于工点地勘成果资料，岩土体物理力学参数见表。堆积体稳定性计算结果见表。其计算结果表明，工况和工况条件下，堆积体岸坡稳定安全系数分别为 和 ，均处于稳定状态。随着水位升高到 ，堆积体前缘大部分浸没于水下，工况和工况条件下，堆积体稳定安全系数均小于，工况位移和塑性区云图见图。由图可以看出，堆积体产生明显位移，堆积体前缘大部分塑性区已经贯通，表明堆积体发生失稳破坏。表岩土体物理力学参数地层重度（）（）天然饱和天然饱和天然饱和渗透系数弹性模量 泊松比含碎石粉质黏土 块石土 强风化粉砂质泥岩 中风化粉砂质泥岩 表不同工况条件下堆积体稳定性计算结果工况工况工况工况工况稳定性安全系数 图工况位移和塑性区云图 动水位条件下关键因素对比 关键因素堆积体岸坡迎水面坡角为 ，为分析不同坡角条件下稳定性，坡角选取 、共种情况，分析不同坡角受水位升降影响下的稳定性。水位升降作用会对堆积体内细小颗粒物含量产生影响，从而影响坡体渗透系数，现堆积体渗透系数为 ，在此基础上扩大范围，采用 、共种情况进行分析。依据龙滩水利枢纽工程水位升降现状，一期水位 到二期水位 水位升降速率取、共种情况进行分析。堆积体岸坡稳定性影响因素见表。基于以上条件，结合龙滩水利枢纽工程一期蓄水位 和二期蓄水位 ，探究不同迎水面坡角、不同渗透系数、不同水位升降速率对堆积体岸坡稳定性的影响，为制定堆积体岸坡处治措施提供依据。表影响堆积体岸坡稳定性的关键因素条件堆积体坡角（）升降速率（）渗透系数（）正交试验设计因迎水面坡角、水位升降速率、渗透系数均包含多组数据，常规计算由于存在多种组合将会产生极大的计算工作量，这种情况下可采用正交试验方法解决。正交试验通过从全面数据中筛选出具备“均匀分散，齐整可比”的代表性数据进行计算并统计分析，正交表中不同条件规律分布且等次数出现。使用正交表来制定计算分析数据组合，对数据进行均衡抽样，从而使每次计算都具有强代表性。常规条件下，种因素组数据会产生 种组合，而本次研究考虑水位上升和下降两种情况下，则会产生 种组合，利用正交试验对数据进行重组，只需 种组合就可进行直观地分析，从而使计算进程大大缩短。正交试验组合方案见表。表正交试验组合方案编号条件 库水位上升期间岸坡稳定性分析对库水位从 上升到 进行模拟分析，在库水位上升期间，不同的影响因素组合条件下，堆积体岸坡稳定性系数的大小随库水位上升高度变化曲线，见图。图水位上升期间堆积体岸坡稳定性系数变化曲线（）从组试验的结果曲线可知，随着水位的持续上升，堆积体岸坡稳定性变化为上凸型曲线，表现为小大小的变化趋势。初始阶段，堆积体岸坡稳定性随水位上升而增大，且存在最稳定状态。不同的组合条件下，最稳定状态对应水位高度有所差异。从整体曲线来看，稳定性最大值对应的库水位大致位于 。随着水位进一步上升，堆积体岸坡稳定性逐渐降低，当水位上升到 并维持稳定后，地下水大范围浸润堆积体，稳定性安全系数趋于与 静水位条件下相同。（）岸坡堆积体稳定性受水位上升速率影响显著，水位上升速率越大，稳定性系数越大。（）岸坡坡脚从 、到 的变化中，坡度的大小决定了岸坡初始稳定性，随着坡度的变大，稳定性系数显著降低。（）渗透系数越大，越有利于岸坡堆积体稳定性。水位上升过程，坡体内地下水位上升速率慢于库水位上升速率，库水流向坡体，产生指向坡体内部的动水压力及静水压力，动静水压力及浮力对坡体稳定性增大的贡献要大于地下水对坡体岩土体软化而对其稳定性减小的作用。水位上升到一定高度，当各种影响因素对坡体稳定性正负贡献基本相当时，堆积体岸坡稳定性达最大值。随着库水位持续上升，堆积体岸坡大范围岩土体受软化作用，岩土体抗剪强度成为堆积体岸坡稳定性主控因素，稳定性降低。库水位下降期间岸坡稳定性分析对库水位从 下降到 进行模拟分析，在库水位下降期间，不同的影响因素组合条件下，堆积体岸坡稳定性系数的大小随库区水位下降高度变化曲线，见图。图水位下降期间堆积体岸坡稳定性系数变化曲线 公路 年第期 年第期刘品等：库水位升降对桥区堆积体岸坡稳定性影响分析（）随着库水位持续下降，堆积体岸坡稳定性系数变化表现为大小大变化趋势，这一变化趋势说明在库水位下降期间稳定性系数逐渐降低，且存在一个最小值，最小值水位下降高度为 ，对应库水位高程为 ，之后随着水位下降，稳定性系数略有增加。（）库水位下降速率直接影响堆积体岸坡稳定性，库水位下降速率越大，稳定性系数越低，达到最危险水位时的稳定性系数也越小。（）坡度的陡缓决定了岸坡初始稳定性，也决定了岸坡稳定性降低速率，坡度越缓，初始稳定性系数越大，稳定性降低速率越快。（）堆积体岸坡坡角相同时，对于同一库水位高度，岸坡稳定性随渗透系数的变小逐渐降低。在库水位下降过程中，在渗透压力的作用下细小土颗粒被带走，孔隙骨架空间增大，土体密实程度降低。坡体内孔隙水不能快速排走时，孔隙水压力增加而有效应力降低，土体抗剪强度下降，稳定性降低。同时，库岸地下水位下降速率低于库水位下降速率而形成水头差，产生动静水压力导致岸坡下滑力增大，稳定性降低。结语本文对岸坡堆积体成因、静水位及动水位条件下稳定性进行了研究，得到结论如下。（）明确堆积体的成因：三面环山一面开口的“圈椅状”地形为堆积体的形成提供了良好的堆积场所；较厚的覆盖层及节理裂隙强发育的粉砂质泥岩为堆积体形成提供了充足的物质来源；向斜成谷而背斜成脊为堆积体形成提供了特殊构造条件。（）龙滩水利枢纽工程一期 静水位条件下，堆积体岸坡处于稳定状态，不会发生失稳破坏，二期 静水位条件下，堆积体岸坡稳定性系数较低，不满足安全稳定性控制标准。（）随库水位持续上升，堆积体岸坡稳定性变化表现为小大小的变化趋势，当库水位为 时，堆积体岸坡处于最佳稳定状态，水位上升速率越大，稳定性系数也越大。（）随库水位持续下降，堆积体岸坡稳定性变化表现为大小大的变化趋势，当库水位为 时，堆积体岸坡稳定性最差，水位下降速率越大，堆积体岸坡稳定性系数越低。（）堆积体岸坡需采取处治措施，以确保郎桃号大桥的安全。鉴于堆积体规模较大并受库水位升降影响，建议处治方案为：桥梁右侧堆积体消方减载，坡脚采取抗滑桩支挡，桥下及桥梁左侧按 进行清方，在坡脚局部回填反压并设置护脚墙，疏通堆积体两侧排水沟，设置堆积体后缘截水沟并加强堆积体坡面排水。参考文献：朱冬林，任光明，聂德新，等库水位变化下对水库滑坡稳定 性 影 响 的 预 测 水 文 地 质 与 工 程 地 质，（）：杨帆，张发明，王文远，张四和考虑库水位变动影响的岸坡稳 定 性 分 析 科 学 技 术 与 工 程，（）：李大龙，齐洋，杨竞，等白鹤滩库区小江碎石土岸坡库水作 用 稳 定 性 规 律 分 析 科 学 技 术 与 工 程，（）：滕帅，王世梅，余文鹏三峡水库水位升降对土质岸坡塌岸力学影响机制研究水电能源科学，（）：贺林林，周莉，梁越水位骤降影响下岸坡稳定性简化分析水利水运工程学报，（）：中村浩之论水库滑坡水土保持通报，（）：史艳，赵卫冬，吴梓敬土坡稳定性计算公路，（）：王孟超，高秦，曹骏驹基于流固耦合作用的库区高速公路岸坡稳定性分析中外公路，（）：郑颖人，唐晓松库水位作用下边（滑）坡稳定性分析岩土工程学报，（）：仉文岗，王蔚，高学成库区水位下降对库岸边坡稳定性的影响武 汉大学学报：工学版，（）：邓珊珊，夏军强，李洁，周美蓉 河道内水位变化对上荆江河段岸坡稳定性影响分析水利学报，（）：刘新喜 库水位下降对滑坡稳定性的影响及工程应用研究 中国地质大学，