复杂堆积层边坡开挖变形机理及加固效果评价.pdf

文章编号：1007-2993（2024）02-0169-06复杂堆积层边坡开挖变形机理复杂堆积层边坡开挖变形机理及加固效果评价及加固效果评价涂新斌1王彦兵1杨相斌2牛彦博2袁明生2高献3林少远4陈熙隆3（1.国网经济技术研究院有限公司，北京102209；2.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川成都610021；3.国网福建省电力有限公司经济技术研究院，福建福州350011；4.国网福建省电力有限公司，福建福州350003）【摘要】针对某电力工程换流站高挖方边坡，分别采用极限平衡法和强度折减法对边坡的稳定性和变形特征进行分析。分析结果表明，边坡的稳定性受降雨和地震作用影响显著，两种工况下边坡均处于不稳定状态，地震作用对斜坡地带堆积体结构形成损伤，不但使边坡整体稳定性下降，还促使坡体内裂隙大量发育，利于降雨入渗，进一步恶化边坡的水文地质条件，导致坡体孔隙水压力增加、有效应力降低。边坡加固设计采用桩板墙+坡面格构锚杆支护措施，加固后边坡稳定性系数达到 1.406，最大总位移由加固前的 425 mm 降至 9 mm，大幅提高边坡稳定性，表明防护方案能保障边坡安全性，达到防治和风险管控的目的。【关键词】堆积体滑坡；高挖方边坡；边坡稳定性；强度折减法；数值模拟【中图分类号】P642 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2024.02.008Deformation Mechanism and Reinforcement Effect for SlopeExcavated in Complex Accumulative FormationTu Xinbin1Wang Yanbing1Yang Xiangbin2Niu Yanbo2Yuan Mingsheng2Gao Xian3Lin Shaoyuan4Chen Xilong3(1.State Grid Economic and Technological Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 102209,China；2.Southwest Electric Power Design In-stitute Co.,Ltd.of CPECC,Chengdu 610021,Sichuan,China；3.Economic and Technological Research Institute,State Grid FujianElectric Power Company,Fuzhou,350011,FuJian,China；4.State Grid Fujian Electric Power Company,Fuzhou 350003,FuJian,China)【Abstract】For a high excavation slope of a converter station in a power engineering project,the stability and deformation char-acteristics of the slope were analyzed using the limit equilibrium method and the strength reduction method,respectively.The resultsshowed that the stability of the slope is significantly affected by rainfall and earthquakes.The slope was in an unstable state under bothworking conditions.Earthquake induced damage to the accumulation structure of slope zones.Not only does it reduce the overall stabil-ity of the slope,but it also promotes the extensive development of cracks within the slope.It was beneficial for rainfall infiltration andfurther deteriorating the hydrogeological conditions of the slope,and it caused an increase in pore water pressure and a decrease in ef-fective stress in the slope.The slope reinforcement design adopted the support measures of pile sheet wall and lattice anchor rod.Thestability coefficient of the reinforced slope reached 1.406,and the maximum total displacement decreased from 425 mm before rein-forcement to 9 mm.It significantly improved slope stability and indicated that the protection plan can ensure the safety of the slope andachieve the purpose of prevention and risk control.【Key words】accumulation landslide；high excavation slope；slope stability；strength reduction method；numerical simulation 0 引言在高山峡谷地区，工程建设选址不可避免会遇到向坡地拓展用地空间的情况1，因此而形成高陡边坡。工程上导致的高陡边坡稳定性问题日益突出，施工开挖不仅改变了原有的地表形态，同时也改变了岩土体内部原本稳定的应力状态2，多数边坡在设计上 基金项目：国家电网有限公司总部管理科技项目（5200-202156074A-0-0-00）作者简介：涂新斌，男，1971 年生，汉族，湖北孝感人，博士，正高级工程师，从事岩土工程与地质工程研究。E-mail： 第 38 卷第 2 期岩土工程技术Vol.38 No.22024 年4 月Geotechnical Engineering TechniqueApr，2024采用人工分级放坡后仍存在安全隐患，长期易变形进而失稳，威胁工程设施安全3。影响高陡边坡稳定性的因素众多，总体上可分为自然因素和人为因素，自然因素包括岩土体物理力学性质、地下水、外力（地震）作用等4，人为因素则有边坡设计形态、开挖方式、支护治理措施等5。因此，研究边坡变形破坏的发生机理，分析不同条件下边坡的稳定性，据此采取有效可行的治理措施，是工程设计中的一项重要内容6。目前常用的边坡加固措施有抗滑桩、挡土墙、桩板墙、锚杆（索）、格构以及截排水等措施，具体应用应根据实际工程情况采取多种措施相结合，以达到限制边坡变形、加固边坡的目的7-8。堆积体滑坡是山区常见的滑坡类型之一9-11。山区地质构造活动和地表地质营力作用强烈，浅表层第四系堆积作用形成大量复杂堆积体，在工程扰动、降雨、地震等外在诱因作用下，堆积体极易沿土石界面或堆积体内部地层界线发生整体滑动，形成堆积体滑坡。某电力工程换流站场区挖方边坡属于堆积层高陡边坡，地质条件复杂。本文以该边坡工程为例，研究该堆积层边坡变形机理及其稳定性。研究过程中除采用工程地质理论分析、岩土工程勘察、室内土工试验等传统手段外，分别采用极限平衡法和强度折减法对边坡的稳定性和变形特征进行分析，并根据分析结果，结合工程实际提出有效且可行的边坡加固方案。1 工程概况拟建换流站位于四川省甘孜藏族自治州，站址西南侧斜坡不良地质作用发育，浅表层坍滑、零星崩塌落石较多；场址地层结构包括崩坡积、河流冲洪积、泥石流堆积、坡洪积及早期冰水堆积等混杂堆积体，堆积体成因、物质来源复杂，大致具有成层分布特征。堆积体粒度大小不一，根据勘探成果按工程地质分层可分为：第四系冲洪积碎石土，杂色，骨架颗粒以强中等风化片岩、千枚岩、花岗岩为主，大小混杂，呈棱角状次圆状，松散层厚度 0.36.0 m，稍密层厚度 0.47.4 m，中密密实层厚度 0.757.8 m；泥盆系上统上、下组（D31、D32）片岩、千枚岩，灰色、灰黑色，变晶结构，片状、千枚状构造，岩质极软较软，节理裂隙发育，强风化层厚度片岩 2.113.2 m、千枚岩 1.717.4 m。拟建场区总体地势南西高北东低（见图 1），站址临近山体开挖边坡坡向整体倾向北东，沿走向长度约 1060 m，最大开挖高度接近 30 m。挖方边坡设计拟采用桩板墙+放坡形式，桩板墙露高 8 m，上部梯级放坡，每级坡高 6 m，坡率均为 1:1，分级马道平台宽2 m。拟建厂址 图 1 研究区航拍图（镜向西南）研究区属地震烈度度区，地震动峰值加速度为 0.20g，场地东北侧顺河谷发育早中更新世断层，断层对站址场地影响小。站址属于高山峡谷区山前洪积扇与河流阶地交接的复合地带，场地西南侧为山体，植被发育，堆积扇地势平缓，坡度约 515，局部受耕地改造呈台坎状。站址区年均降雨量 575 mm，每年 5 月9 月为雨季，平均降雨占全年总降雨量 75%以上。地下水类型包括松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，由大气降水及地表径流补给，通过蒸发、出露为泉或向深层下渗等方式排泄，水位、水量均不稳定，受季节影响明显。边坡开挖主要涉及层第四系冲洪积碎石土，土层密实度从松散到密实不等，且由于前期耕种、建房修路等人类工程活动，局部有耕植土、人工填土等软弱土层。在降雨等因素影响下，边坡土体强度减弱，加剧开挖后边坡的不稳定性。2 挖方边坡稳定性分析 2.1 计算剖面及参数选取根据勘察成果，选取 77-77剖面作为典型计算剖面（见图 2），此处位于泥石流沟口附近，地下水位较高，挖方高度 27 m，设计桩板墙上部采用三级放坡，放坡高度约 19 m。根据设计坡面线建立计算模型，边坡稳定性分析分别考虑天然、暴雨、地震 3 种工况以及暴雨+地震的最不利工况组合。岩土物理力学参数按岩土工程试验成果采用（见表 1）。2.2 极限平衡法采用简化 Bishop 法进行边坡稳定性计算，考虑破坏模式为圆弧形滑动，将滑体分为 9 个条块，条块宽度 23.2 m 不等，在2稍密碎石层中搜索滑面，最大搜索半径 25 m，得出滑移面最大深度约 8.5 m（见图 3），不同工况下计算得到的边坡稳定系数见表 2。从表 2 可知，边坡开挖后在天然工况下处于基本稳定状态，但安全系数偏低，暴雨、地震等工况下，边坡均处于不稳定状态。在暴雨工况下，边坡稳定性170岩土工程技术2024 年第 2 期系数仅为天然状态的 72.6%，降雨入渗后，由于堆积层渗透系数大，饱和状态下黏聚力快速降低，岩土体抗剪强度下降，并且自身重度增加，静水作用力增强，有效应力降低，大大加剧了边坡失稳的趋势。抗滑桩挖方区挖方线地面线地层分界松散角砾、碎石层稍密角砾、碎石、块石层碎石、块石层强风化片岩、千枚岩图例297010桩板墙挖方放坡线高程/m距离/m2030405060702975298029852990299530003005301030153020218K1473007.52C1793011.09K1463018.62中密密实角砾、图 2 挖方边坡纵剖面图（剖面 77-77）表 1 岩土物理力学参数岩土名称天然重度/（kNm3）饱和重度sat/（kNm3）天然抗剪强度饱和抗剪强度c/kPa/()c/kPa/()1松散碎石层19.020.05252212稍密碎石层20.021.010288243中密密实碎石层21.022.015311225层强风化片岩、千枚岩22.022.028302028 987654321 图 3 77-77剖面滑面稳定性及推力计算条分图 表 2 极限平衡法计算结果计算工况稳定性系数稳定状态安全系数天然1.001欠稳定1.35暴雨0.727不稳定1.25地震0.667不稳定1.15地震+暴雨0.660不稳定1.05同时，采用 Geo-Studio 中的 Slope/W 模块对边坡稳定性进行计算分析。SLOPE/W 模块同样也使用极限平衡理论，采用 Bishop 法，自动搜索最危险滑动面，并考虑岩土体中孔隙水压力的作用。根据岩体工程地质特征分层建立计算模型如图 4 所示，由于边坡开挖未涉及基岩地层，故在计算模型中未设置基岩地层。计算结果如表 3 所示。1松散角砾碎石层2稍密角砾碎石层3中密密实角砾碎石层 图 4 开挖后边坡计算模型 表 3 边坡稳定性系数对比计算工况稳定性系数（极限平衡法）稳定性系数（Geo-Studio）天然工况1.0011.121暴雨工况0.7270.881地震工况0.6670.846暴雨+地震0.6600.713 由表 3 可看出，两种方法计算的结果基本相似，Geo-Studio 计算结果均略高于极限平衡法的相应数值，不同工况下结果偏高 8.03%26.84%，这是由于极限平衡法采用简化 Bishop 方法计算，忽略了土条间的切向作用力。边坡开挖后天然状态下稳定性系数为 1.121 处于基本稳定状态，而在暴雨、地震工况下稳定性系数均小于 1，未达到边坡稳定性要求。暴雨及地震工况下潜在最危险滑动面见图 5，两种工况下滑体集中于斜坡上部，剪出口位于坡脚临空面底部，相较暴雨工况，地震工况下破坏面深度加深了 0.15m，后缘拉裂位置后移了 0.4 m。(a)暴雨工况(b)地震工况 图 5 开挖后边坡潜在最危险滑动面涂新斌等：复杂堆积层边坡开挖变形机理及加固效果评价171 2.3 强度折减法采用 PLAXIS2D 软件进行二维有限元建模，边坡稳定性分析采用强度折减法，通过不断调整岩土体抗剪强度指标直至边坡达到临界状态，折减后的参数与实际参数的比值即为该工况下边坡稳定性系数7。有限元分析计算坐标系采用水平方向为 X 轴（边坡坡向为 X 轴正方向），垂直方向为 Y 轴（垂直向上为Y 轴正方向），模型大小为实际边坡比例。边界条件为模型左、右边界约束水平方向，下边界约束水平、垂直方向，上边界为自由边界。模型采用三角形网格划分，按照勘探成果将边坡岩土层结构共划分 4 层。建立计算模型共计 965 单元，7817 个节点（见图 6），图 6 中显示地层为堆积层1、2及3层，未涉及基岩地层。1松散角砾碎石层2稍密角砾碎石层8001020304050607080706050403020100距离/m3中密密实角砾碎石层 图 6 有限元分析计算模型 根据计算结果，边坡内水平应力分布在开挖前应力值向场地内部随深度增加而增大，开挖后水平应力随着坡形发生变化，边坡表部表现为拉伸应力（见图 7）。边坡竖向应力分布也具有相似特征（见图 8），开挖后的竖向应力根据坡形发生了变化，边坡表部亦表现为拉伸应力状态，应力增加最大值达 43.75 kPa，表明开挖对坡体起到卸荷作用，由此导致原有应力分布状态发生改变。通过边坡开挖后的最大剪应变增量分布云图（见图 9）及位移云图（见图 10）可看出，采用强度折减法计算得到边坡位移最大值达到 42.5 cm，最大剪应变增量呈集中现象，出现了明显的塑性贯通区，潜在滑动面从坡脚处剪出。强度折减法计算得到边坡稳定性系数为 1.118，与极限平衡计算结果接近，潜在滑动面分布基本一致。0102030405060708090706050403020100距离/m0102030405060708090706050403020100距离/m0404080120160200240280320360400440480520560600应力/kPa0404080120160200240280320360400440480520560600应力/kPa(a)边坡开挖前水平应力分布(b)边坡开挖后水平应力分布 图 7 开挖边坡水平应力分布云图通过以上稳定性分析，边坡开挖改变原有地形条件和应力分布状态，临空面增大，在边坡上部形成了不稳定滑体，在暴雨及地震作用下极有可能整体失稳，潜在滑动面剪出口位于坡脚部位。堆积层滑坡之所以受降雨的影响明显，主要与其自身的结构特征有关，其组成物质是第四系及近代松散堆积层，结构松散、空隙大、透水性强、易变形，下伏基岩透水性差，导致基岩面上部堆积体内降雨集聚，孔隙水压力增大，在孔隙水压力的作用下有效应力降低，边坡将逐渐发生位移并最终失稳破坏，因此降雨和地下水的共同作用是堆积层失稳破坏的主要因素之一。3 加固方案及治理后稳定性为防止开挖后边坡失稳威胁坡脚建筑物，需对边坡进行加固治理，以消除安全隐患。根据站址区地质条件，并结合换流站规划建设要求，设计采用桩板墙+桩顶坡面格构锚杆对挖方边坡进行支护。桩板墙抗滑桩截面尺寸 1.5 m2.0 m，桩心距 5 m，桩长 16172岩土工程技术2024 年第 2 期m，嵌固深度 8 m，嵌固端以上 8 m 桩间挂挡土板；格构锚杆孔径 90 mm，倾角 15，锚杆长度 6.0 m，锚筋采用 125（HRB400）钢筋，沿坡面共设置 9 道锚杆，竖向间距一般 2.0 m，水平间距 2.5 m。计算模型采用的支护结构参数见表 4。表 4 支护结构材料参数材料名称本构模型弹性模量/kPa泊松比重度/（kNm3）桩板墙弹性3.001040.2524.0锚杆弹性2.001050.3024.0 为评价支护措施的有效性，对边坡支护设计方案采用基于强度折减法的 PLAXIS2D 软件进行分析，计算得到天然工况下按设计方案加固后的边坡稳定性系数为 1.406，相较于加固前，稳定性系数增加了25.4%40.5%，满足规范安全系数 1.35 的要求。治理后边坡最大剪应变增量分布云图及位移云图如图 11、图 12 所示，对比治理前后挖方边坡的位移云图及最大剪应变增量分布云图，加固后滑体变形位移量级大幅减小，最大总位移由 42.5 cm 降低至 0.9 cm，较大的位移量出现于坡体表面。加固后坡脚未出现剪应变集中现象，整个坡体内剪应变增量较为均匀，未出现明显的塑性变形区。抗滑桩受力较均匀，安全性大幅提高。08162432404856647280886456484032241680距离/m64605256484044362832242012164804812应变103 图 11 治理后边坡最大剪应变增量分布云图 0102030405060708090706050403020100距离/m0102030405060708090706050403020100距离/m43.75100.0012.9068.75125.00181.25237.50293.75350.00406.25462.50518.75575.00631.25687.50743.75800.00应力/kPa43.75100.0012.9068.75125.00181.25237.50293.75350.00406.25462.50518.75575.00631.25687.50743.75800.00应力/kPa(a)边坡开挖前竖向应力分布(b)边坡开挖后竖向应力分布 图 8 开挖边坡竖向应力分布云图 0102030405060708090706050403020100距离/m10084685236204122844607692108124140应变103 图 9 挖方边坡最大剪应变增量分布云图 0102030405060708090706050403020100距离/m40.042.537.535.032.530.027.525.022.517.520.015.012.510.07.55.02.50位移/cm 图 10 挖方边坡位移云图涂新斌等：复杂堆积层边坡开挖变形机理及加固效果评价17308162432404856647280886456484032241680距离/m9.08.16.37.25.44.53.62.71.80.90位移/mm 图 12 治理后边坡位移云图 上述分析表明，加固设计方案可有效控制边坡变形，防止边坡发生整体滑动和越顶破坏，提高边坡稳定性。4 结论（1）受坡体物质组成和结构特征控制，堆积层高边坡稳定性对降雨、地震等因素较为敏感，在降雨、地震工况下易产生失稳滑动。（2）对于该堆积层结构边坡，极限平衡法与强度折减法的稳定性评价结论基本一致，即：天然工况下边坡处于欠稳定基本稳定状态，暴雨及地震工况下边坡处于不稳定状态。（3）基于强度折减法的 PLAXIS2D 有限元分析，不仅可以评价边坡的稳定性，同时可直观显现开挖后边坡位移、剪应变增量以及塑性变形区的发展情况，有助于判断边坡的变形特征。（4）为防止边坡变形失稳，对该堆积层边坡采用桩板墙+桩后坡面格构锚杆加固方案。数值分析结果显示，采取加固措施后边坡稳定性系数较加固前提高 25.4%40.5%，最大总位移降低近两个数量级，从 42.5 cm 降至 0.9 cm，坡体内未出现明显的塑性变形区，边坡呈稳定状态。参考文献 胡正涛.锚杆挡墙与锚喷结构在挖方边坡支护中的应用J.河南科技，2021，40（27）：66-68.1 徐伟，华锡昌.论环境边坡工程的设计与防治措施J.资源环境与工程，2009，23（4）：432-435.2 刘海亭，张小辉，朱有禄，等.高边坡稳定性评价、加固措施和监测分析J.岩土工程技术，2020，34（2）：76-80.3 吴祖成，郭山峰，何伟民.矿山高陡岩质边坡治理应用研究J.岩土工程技术，2021，35（1）：48-51.4 覃胸，吴俊良.采用Midas GTS NX软件进行中风化岩层垂直边坡开挖支护稳定性分析J.西部交通科技，2022，（2）：66-72.5 王佳男，孙叶俊，姚露.边坡支护技术在土木工程中的应用J.散装水泥，2021，（5）：81-83.6 杨逸飞，孙少锐，闵望，等.顺层岩质边坡稳定性分析及加固设计研究J.岩土工程技术，2023，37（1）：66-71.7 覃怡，颜志.岩质边坡稳定性分析及加固设计研究J.黑龙江交通科技，2018，41（8）：58-59.8 冉涛，陈浩，王羽珂，等.工程开挖活动诱发堆积层滑坡变形机理及加固效果分析J.地质与勘探，2022，58（6）：1236-1251.9 张秋霞，文丽娜，朱崇林，等.某堆积体滑坡成因机理及稳定性分析J.地质灾害与环境保护，2022，33（3）：3-9.10胡爱国，周伟.地震与强降雨作用下堆积体滑坡变形破坏机理及防治方案分析J.中国地质灾害与防治学报，2022，33（1）：27-34.11收稿日期：2023-02-10174岩土工程技术2024 年第 2 期