水位下降对库岸陡坡地基稳定性影响分析.pdf

思茅至澜沧高速公路某大桥位于糯扎渡水电站库区内，该大桥在水库淹没区之上顺着陡坡的等高线布设。在高速公路施工期间，桥下陡坡已经出现浅层滑移，滑移边界逼近正在施工的桥梁基础，给桥梁基础带来较大安全风险。因此，研究桥下陡坡浅层失稳机理和陡坡地基稳定性是十分必要的。库水位的波动，极大地影响到库岸边坡岩土体的力学性质及边坡的稳定性。针对此问题，目前主要通过数值模拟与模型试验等手段进行研究。在数值模拟方法方面，丁秀丽等 运用有限差分法，考虑渗流应力耦合作用效应，研究了库水位波动条件下滑坡的破坏机理与演化趋势；王骑虎等 运用数值软件对库水位作用下的桥台岸坡的稳定性进行了研究，最后对桥台岸坡给出了针对性的防护措施；戚胜辉等 针对某高速公路路基边坡工程，根据工程地质调查结果，采用数值模拟方法，研究了库水位升降过程中边坡稳定系数的变化规律；林仕祥等 以猴子石滑坡为背景，研究了不同水位及不同降落速度情况下的坡体稳定性，得到了水位降落速度越快、滑坡稳定性越差的结论；陈韶光等 以某库岸滑坡为背景，研究了库水位作用下，针对不同坡体渗透性时，滑坡体内孔隙水压力的动态响应；廖红建等 针对不同渗透性的滑坡体，对水位不同降速下的稳定性进行了研究，得到了边坡稳定性与水位降速之间的相互关系。在模型试验方法方面，陈晓平等 基于离心机模型试验，对边坡在库水位升降作用下的变形失稳过程进行了分析；赵代鹏等 进行了库水升降作用模型试验研究，结果显示滑坡体随着库水位升高（降低），坡体内有效应力随之减小（增大）；苗发盛等 以三峡库区某滑坡为背景，进行了库水位作用下模型试验，研究了滑坡的破坏形式。据统计，库水位下降诱发的库岸滑坡数量远大于库水位上升诱发滑坡数量，文献 研究了库水位下降作用下不同类型边坡稳定性的变化规律。斜坡失稳一般是在触发因素作用下，斜坡某个部位先行衰变并扩张引起斜坡失稳的过程，文献 通过研究深孔位移监测曲线，确定了高陡硬质岩斜坡变形的失稳源。库水位下降引起陡坡地基失稳的过程较为复杂。因此，本文对库水位作用下思澜高速公路某桥梁陡坡地基稳定性开展了研究，分析了不同库水位时陡坡的瞬态渗流场，得到坡体内水压力和地下水位线分布，然后采用刚体极限平衡法分析该陡坡地基在不同工况的稳定性，最后对该段桥梁陡坡地基给出建议性的工程应对措施。库岸陡坡基本特征 库岸坡体结构思澜高速某桥梁陡坡地基位于构造剥蚀 侵蚀中山河（沟）谷地貌区，坡面凹凸起伏，冲沟发育。如图 所示，该段陡坡坡体前缘标高约 ，位于糯扎渡库水位变动带范围，后缘位于 公路附近，标高约 。变形区总体呈长舌状，顺坡长约 。该大桥横穿变形区上部，桥位段自然地面标高 。坡体变形区地层岩性主要为上覆新近人工填土、耕植土和糜棱岩。库岸为上软下硬的风化岩陡坡，从上至下为糜棱岩的全风化和强风化。上部全风化岩呈灰黄、褐黄色，物理及化学风化强烈，风化物中含较多石英残粒，呈土状；下部强风化岩呈青灰色，物理风化强烈，似土状。第 期胡惠华，等：水位下降对库岸陡坡地基稳定性影响分析图 陡坡工程地质平面图 库水位变动区浅层滑坡特征根据糯扎渡库区历史水位资料，在 年 月到 年 月，库水位从正常蓄水位 下降到高程 ，年 月中旬发现桥梁以下的陡坡出现滑移变形，主要体现为坡体中上部出现弧形裂缝，裂缝宽约 ，长度 不等，坡体下部具有明显的隆起现象。滑坡西部边缘滑移更明显，滑坡裂 缝延伸 长度 大，裂 缝 宽 ，深 。库水位下降诱发陡坡滑移全景如图 所示。图 库水位下降诱发陡坡滑移全景 监测数据分析 年 月中旬，发现库水位变动区的陡坡失稳滑移迹象后，在该陡坡 典型剖面，自上而下布置了测斜孔（）（见图），并在该陡坡体地表变形严重的部位布置了测斜孔（见图 ），测斜孔均穿过全风化和强风化糜棱岩分界面以下 ，用以监测陡坡体内部滑移变形。图 思澜高速某段库岸边坡 纵断面 根 据测 斜 孔 监 测 位 移 曲 线 显 示（见 图 ），年 月 日 年 月 日期间，号测斜孔和 号测斜孔在深度 处出现了较为明显的滑移位错带。其中 测斜孔变形位于全风化糜棱岩中，水平位移为 ；测斜孔明显变形位于全风化糜棱岩中，水平位移为 ，该位错带深度处于陡坡体的前缘，受库水位波动影响较大。测斜孔与 测斜孔处于陡坡体不同公路工程 卷位置，由于测定所处地形、岩性、临空面等条件的不同，测斜孔位移大小亦有差异，但两孔总位移方向基本一致。监测表明，库水位变动区的失稳滑动面在坡面以下 深处，属于浅层滑移。（）测斜（）测斜图 部分测斜管位移数据 库水位下降作用下渗流场分析 渗流计算分析方法渗流分析中，材料按多孔介质均质体考虑，渗流微分方程式为：()()（）式中：为总水头；为时间；为施加边界上的单宽流量；、为 、方向的渗透系数；为水的 容 重；为 单 位 水 压 的 改 变 下，单 位体积的土体含水量的改变，即进出的水量，并可通过式（）计算：（）式中：为土的压缩系数；为土的孔隙比。计算中，同时考虑饱和与非饱和渗流问题，在地下水位线以下，土体为饱和的，孔隙水压力是正值；在地下水位线以上，土体为非饱和的，孔隙水压力是负值。相应的，渗透系数（）、单位体积含水量随孔隙水压力而变化，呈现连续函数。根据工程地质剖面建立计算模型如图 所示。计算边界条件为：左侧设置动水位边界条件，右侧设置为定水头边界，底部为隔水边界。图 计算模型 计算参数取值基于勘察成果，结合原位直剪试验（固结不排水）和室内土工试验结果，通过类比和反演，确定计算采用的力学参数如表 所示。表 陡坡地基稳定计算参数表（表中，表示经验值）（，）材料名称重度（天然 饱和）（）变形模量 泊松比 抗剪强度（天然 饱和）（）渗透系数（）表土 全风化糜棱岩 强风化糜棱岩 微风化糜棱岩 渗流计算结果分析糯扎渡库区的水位变动范围为 。在渗流分析时，考虑降落速度为 ，获得正常蓄水位 的稳态渗流场（见图 ），以及库水位降落过程中，由正常蓄水位分别降至 、及死水位 时的瞬态渗流场（见图 ）。如图 所示，在库水位下降过程中，水位刚开始消落时，因库水位降低速度比坡体内孔隙水压力消散速度快，浸润线在接近坡体外侧位置出现明显下弯现象，向坡内方向则接近水位下降前的浸润线。渗流场计算得到的坡体内水压力及库水位对坡面作用力，作为后文刚体极限平衡分析的水力作用条件。第 期胡惠华，等：水位下降对库岸陡坡地基稳定性影响分析图 正常蓄水位 时的稳定渗流场 图 图 水位降落过程的浸润线变动过程 极限平衡法稳定性分析 极限平衡法选取极限平衡分析通常采用条分法，其基本特点是遵循摩尔库伦强度准则和考虑静力平衡条件，通过分析岩土体在强度折减后的静力平衡以求得稳定系数。剩余推力法为边坡设计有关规范推荐的极限平衡方法。该方法假定条间力方向与底滑面平行，通过静力平衡建立求解方程。但当滑面较陡或较缓、是否考虑地下水时，条间力方向不一定与底滑面方向平行，并对剩余推力法的计算结果影响明显，且剩余推力法仅考虑力的平衡。考虑力矩平衡的剩余推力法假定条间力方向角为上一条块底滑面倾角与未知常数 的乘积，通过引入力矩平衡求解 ，由此实现问题求解。该方法条间力的方向角既满足力矩平衡，又具有合理的物理意义，且该方法在任意滑面中均适用。因此选用该方法 ，其计算原理简述如图 所示。水平方向力平衡：（）垂直方向力平衡：图 条块的受力情况 （）绕坐标原点的条块总力矩：()（）根据摩尔库伦强度准则：()（）在常规剩余推力法的基础上对条间力方向进行修正。假定条间力方向角为上一条块底滑面倾角与未知常数 （推力方向修正系数）的乘积。()（）()（）将式（）代入式（）得(：)()（）公路工程 卷将式（）、式（）代入式（）得(：)()（）将式（）、式（）看成求解、的二元线性方程组，则有：（）（）其中，、为未知量的系数；、为方程式右边项。以上各式中：为条块 的重量；为条块 底滑面的法向力；为条块 底滑面的阻 滑力；、为条块 受到的外加荷载水平分量、垂直分量；、为条块 顶部受到的水荷载水平分量、垂直分量；、为条块 左、右侧条间力的水平分量；、为条块 左、右侧条间力的垂直分量；、为条块 左、右侧面受到的水压力；为条块 底滑面倾角；为条块 水平宽度；为条块 底滑面长度，；、为条块 重心的 坐标，外加荷载 ，的 坐标；、为条块 滑面有效黏聚力、摩擦系数；为稳定系数。相应地，求解过程为：输入岩土力学参数及前文渗流场计算获得的地下水位线；假定未知常数 分别取 ，；给定稳定系数 的初值，求取、，推求最后一个条块的剩余推力 是否为零，若不为零则调整 的取值，直至其为零；在 的不同取值下，得到的、代入力矩方程式（），求取的结果；作 关 系 图，从 关 系 图 可 得 到为零时的，相应的 即为力矩平衡时的稳定系数。陡坡浅层失稳分析基于现场调查和深部位移监测，综合分析确定了陡坡浅层滑移的滑动面及剪出口，如图 所示。根据糯扎渡库区气象水文资料，库区降雨集中在 年 月至 月，月降雨强度最大；一般自 月开始，库水位从最高水位 开始下降，来年 月库水位降至最低水位 。因陡坡浅层灾变失稳过程发生在 年 月，因而，对陡坡浅层稳定性进行计算时，考虑陡坡处于正常工况。根据计算结果，绘制了陡坡稳定系数随库水位下降的变化曲线如图 所示，库水位从正常蓄水位 下降至高程 的过程中，正常工况下，浅层坡体稳定系数小于 ，坡体浅层已经失稳，这与陡坡浅层失稳的实际情况一致，而陡坡深层潜在滑面的稳定系数为 ，正常工况下属于稳定状态，但安全性不高。这证明了表 中的计算参数具有合理性，可用于该陡坡地基稳定性分析。图 陡坡稳定系数随库水位下降的变化曲线 陡坡地基深层稳定性分析陡坡地基深层滑移区的范围如图 所示，库水位下降作用下陡坡地基深层稳定系数计算结果见表、图 。根据规范 要求，在陡坡地基上设置基础时，应对陡坡地基的稳定性和变形进行分析。考虑到暴雨 地震工况发生为小概率事件，文中不予考虑，仅考虑正常工况（岩土体为天然状态）和非正常的暴雨工况（岩土体为饱和状态）。深层滑动面随着库水位的下降，滑动面剪出口可能发生变化，计算时考虑高程 、及 这 种不同高程剪出口情况。库水位下降过程中，因库水位降落造成坡内孔隙水压力消散，滞后于坡外水位的变化，陡坡地基的深层稳定性降低。若库水位匀速下降，陡坡地基的深层稳定系数降低 ，波动不大，潜在滑动面的剪出口位于库水位下方 处；库水位维持在最低水位时，陡坡内地下水作用的程度减弱，稳定系数上升。库水位在最高水位 及降落至高程 的过程中，正常工况下的陡坡地基稳定系数小于规第 期胡惠华，等：水位下降对库岸陡坡地基稳定性影响分析范要求的 ，安全贮备不足；非正常工况下，陡坡地基深层稳定系数比正常工况下低约 ，小于规范要求的 ，且在库水位下降过程中均小于 ，表明陡坡地基总体处于欠稳定状态。因库水位下降作用，从水中出露的全风化岩坡体将先行衰变失稳，是库岸陡坡地基的失稳源。表 库水位下降作用下陡坡地基深层稳定系数 工况剪出口高程 最高水位 降至 降至 降至 降至 最低水位 稳定系数 正常工况 最低稳定系数 稳定系数 非正常工况 最低稳定系数 图 库水位下降作用下陡坡地基深层稳定系数变化曲线 陡坡地基加固建议根据前文分析结果，在库水位下降作用下，该风化岩陡坡地基稳定性不满足规范要求，桥梁桩基存在因陡坡地基蠕变而断裂的风险，需要进行加固，建议采用抗滑桩。非正常的暴雨工况下陡坡地基稳定系数比正常工况下低约 ，而暴雨在该地区发生的概率较大，应基于非正常的暴雨工况进行加固设计。结论本文通过分析不同库水位时陡坡的瞬态渗流场，并采用刚体极限平衡法分析陡坡地基在不同工况的稳定性，结果表明：库水位下降过程中，坡内孔隙水压力消散滞后于坡外水位的变化，对陡坡的稳定性不利，稳定系数降幅明显。随着库水位的持续下降，陡坡地基深层稳定系数出现先降低后增大的趋势。若库水位匀速下降，陡坡地基深层的稳定系数较为接近，潜在滑动面的剪出口均位于库水位下方 处；库水位维持在最低水位时，陡坡内地下水作用的程度减弱，陡坡地基深层稳定系数上升。在非正常工况下，陡坡地基深层稳定系数小于 ，小于规范要求的 ，岸坡总体处于欠稳定状态。因库水位下降作用，从水中出露的全风化岩坡体先行衰变失稳，是斜坡失稳源，并将牵引整个库岸陡坡失稳。建议在桥梁与库水位变动区之间设置抗滑桩加固，提高陡坡地基的稳定性。参考文献 丁秀丽，付敬，张奇华 三峡水库水位涨落条件下奉节南桥头滑坡稳定性分析 岩石力学与工程学报，（）：王骑虎，陶连金，韩友续 刘家峡大桥桥台岸坡岩体特性及其稳定性研究 公路工程，（）：，戚胜辉，詹伟达，赵亚婉，等 库区水位变化条件下高速公路路基高边坡稳定性分析 公路，（）：林仕祥，张奇华，黄振伟 三峡水库蓄水运行对猴子石滑坡稳定性影响分析 资源环境与工程，（）：陈韶光，柳群义 水位涨落对库岸滑坡孔隙水压力影响的非饱和渗流分析 公路工程，（）：，（下转第 页）第 期陈建军，等：考虑膨胀力影响的膨胀土边坡稳定性分析 杨果林，胡敏，申权，等 膨胀土高边坡支挡结构设计方法与加固技术 北京：科学出版社，封志军，冯俊德，薛元，等 柔性挡墙在云桂铁路强膨胀土路堑边坡工程中的应用 高速铁路技术，（）：，中 华 人 民 共 和 国 铁 道 部 铁 路 工 程 抗 震 设 计 规 范：北京：中国铁道出版社，陈惠发 极限分析与土体塑性 北京：人民交通出版社，刘泽 生态型加筋土挡墙动静力学特性试验研究与数值分析 长沙：中南大学，晏仁，翁运新，晏园，等 裂隙对膨胀土边坡稳定性的影响 高速铁路技术，（）：，（）：，（）：焦保华，肖俊逸，付登博，等 带长大裂隙深层膨胀土渠坡微型群桩抗滑行为分析 湖南交通科技，（）：櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 （上接第 页）廖红建，盛谦，高石夯，等 库水位下降对滑坡体稳定性的影响 岩石力学与工程学报，（）：陈晓平，黄井武，吴宏伟，等 库岸古滑坡离心模型试验研究 岩土工程学报，（）：赵代鹏，王世梅，谈云志，等 库水升降作用下浮托减重型滑坡稳定性研究 岩土力学，（）：苗发盛，吴益平，谢媛华，等 水位升降条件下牵引式滑坡离心模型试验 岩土力学，（）：郭内强，卢向华，方超 水位变化对缓倾角岩质边坡稳定性影响规律研究 公路工程，（）：梁卫，卢书强，张巷生 库水位下降对八字门滑坡稳定性分析 三峡大学学报（自然科学版），（）：张夏冉，殷坤龙，李烨，等 库水位下降和降雨对重庆万州下坪滑坡稳定性的影响 中 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