降雨下支护时序对边坡稳定性影响离心模型试验.pdf

第10 期2023年10 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)10-0 159-0 4陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.10October,2023降雨下支护时序对边坡稳定性影响离心模型试验贺仁臣（深圳市深水水务咨询有限公司，广东深圳518 0 2 2）【摘要】以某水利边坡工程为研究对象，开展多组不同开挖一支护时序边坡模型试验，分析不同支护时序条件对边坡稳定性的影响。研究表明，采用及时支护可以有效的控制坡顶处水平和竖向的位移，及时支护和未及时支护的边坡稳定系数都随着降雨量的增大而降低，并且随着入渗作用边坡稳定系数会持续下降，在相同降雨量情况下，相比于及时支护边坡的稳定系数，未及时支护边坡降低50%以上。【关键词高速公路；边坡开挖；实时支护；模型试验【中图分类号U213.1+58【文献标识码BCentrifugal Model Test of Influence of Supporting Time Series on Slope StabilityUnder RainfallHe Renchen(Shenzhen Shenshui Water Resources Consulting Co.,Ltd.,Shenzhen 518022,Guangdong)Abstract:Taking a water conservancy slope project as the research object,several sets of slope model tests withdifferent excavation-support sequences were carried out to analyze the influence of different support sequence conditionson the slope stability.The research shows that the use of timely support can effectively control the horizontal and verticaldisplacement at the top of the slope,and the slope stability coefficients of timely support and untimely support decrease withthe increase of rainfall,and with the infiltration The stability coefficient of the active slope will continue to decrease.Underthe same rainfall,compared with the stability coefficient of the timely supported slope,the unsupported slope will be reducedby more than 50%.Key words:Highway;slope excavation;real-time support;model test条件对边坡稳定性的影响，为相关边坡工程支护工程实践提1引言供参考。降雨入渗是导致绝大部分边坡失稳的主要原因，史振宁2试验方案等、马吉倩等2、付宏渊等3拟定不同的降雨计算方案分析降雨对边坡稳定性的影响，得到了降雨过程中边坡中暂态饱和区的变化规律以及对边坡的影响。赵聪 4针对降雨情况开展了土质边坡离心降雨模型试验，对降雨过程中的坡体位移、含水率和孔隙水压力的变化规律进行分析，得到了坡体的破坏模式。王维早 5通过大型离心模型试验，获得了强降雨条件下边坡变形破裂情况，并判断边坡为推移式蠕滑一拉裂一整体滑动的滑动失稳机制。姚裕春应用离心模型试验和数值计算对不同施工时序的边坡变形破坏和应力场情况探究，认为边坡的上级开挖可以先进行临时支护，开挖完成后变为永久支护。本文以某水利边坡工程为研究对象，开展多组不同开挖一支护时序边坡模型试验，分析不同支护时序2.1方案设计试验所用土工离心机型号为TLJ-3-60gt,试验设计的模型箱长度为0.5m，宽度为0.36 m，高度为0.4m。本文研究对象为某水利边坡工程，对此边坡工程进行离心模型试验。边坡所属地区地下复杂，边坡左侧高度为7 4m，右侧高度为16m。边坡一共分为6 级，每一级的高度为10 m。该边坡工程地质条件较差，岩层分为三类冲洪积成因粘土、砾质粘性土和砂质粘性土，分别位于边坡的上、中和下层。基岩主要以泥盆系砂岩、泥质砂岩及下第三系泥质砂岩组成，第1级边坡坡率为0.5,第2 级和第3级边坡坡率相同为0.7 5,第4 6级的边坡坡率相同为1。各岩土体物理力学参数见表1。收稿日期 2 0 2 3-0 3-0 6【作者简介贺仁臣（19 8 0），男，江西永新人，工程师，主要从事从事水利工程咨询（技术审查）工作。159.第10 期2023年10 月重度/粘聚力内摩擦角坡高平均倾角边坡土层(kN/m)c/kPa砾质粘性土19.1砂质粘性土20.2泥质砂岩24.62.2模型相似结合现场实际工程情况，将模型试验的几何相似确定为1:120。根据相似定律，取C=1,采用等应力进行模拟试验，同时其他物理量相似比见表2。试验过程中为了较好地模拟现场的工况，模型原型简化处理，取边坡中心线到边坡顶处10m进行模型试验，同时保证模型试验的填筑与现场边坡形状一致。考虑模型箱边界影响，模型试验采用实际工程土料进行填筑。表2 边坡岩体工程参数类型物理量线位移L/m面积S/m体积V/m砾质粘性土弹性模量 E/(kN/m)变形模量E/(kN/m)容重/(kN/m)应变T泊松比砂质粘性土内摩擦角/()粘聚力c/kPa动力特性固结时间T/hBmin/dmax13Bm/dmax 60式中：Bmn为模型试验箱的最小边长，mm；d ma x 为土颗粒的最大粒径,mm；d s o 为土料颗粒的平均粒径,mmo离心模型试验进行前对填筑试验土料进行粒径筛分试验得到dmax最大粒径和dso平均粒径，对于不满足公式（1）其余粒径按照等量替代的原则进行处理，具体计算方式见公式(2):(2)Ps-Pamx式中：P为处理后土料的某粒径含量,%；P为原级配某粒径含量，%；Ps为大于5mm粒径土的含量，%；Ps为不合格粒径的含量,%。对试验土料进行粒径筛分试验并等量代替处理后，绘制的颗粒级配曲线见图1。采用重晶石粉、水泥和石膏按照1：1.2 0:1.32 比例代替砂岩，具体材料力学参数见表3。按照相似原理计算后，采用弹性模量为0.8 10 MPa,直径为1cm的硒丝模拟实际工程中的锚杆。:160陕西水利Shaanxi WaterResources表1边坡岩体工程参数/m28.921.330.824.240.227.1Po.PsPNo.10October,2023100分级801739.63434.9633.8相似比1:1001:1041:10%1:11:1100:11:11:11:11:11:104(1)32160402000表3砂岩模拟材料力学参数重晶石：水泥：石膏重度/(kN/m)弹性模量单轴抗压强度1:1.20:1.3223.126.32.3降雨方案为了模拟水利边坡工程在开挖过程中的稳定性，该模型试验共设计不同的开挖一支护时序12 组，其中边开挖边支护，即实时支护,ES-1ES-6共6 组，开挖完成后再进行支护，即非实时支护,E1E6共6 组。为得到降雨人渗和一般条件下边坡稳定系数的对比情况，将ES-1ES-3和E-1E-3组模型按照降雨和非降雨两种情况进行两次试验。试验方案见表4。表4模型支护与降雨情况编号开挖-支护时序ES-1第2 级边坡开挖结束ES-2第4级边坡开挖结束ES-3第6 级边坡开挖结束实时支护（边开ES-4挖边支护）ES-5ES-6E-1E-2E-3E-4E-5E-6试验中采用所用optoNCDT-1401型激光位移传感器，对坡体在开挖和支护过程中坡顶、坡面和坡脚的变形进行监测，同时配合高速摄影装置记录边坡和坡脚处大头针的位移进行观测，得到边坡沉降情况。采用自行设计的降雨装置进行边坡降雨模拟，该降雨装置主要由输水系统和降雨器两大部分组成，见图2，降雨装置由上到下由水箱、电磁阀、输水管、降雨器组成，为了达到在离心场中均匀降雨的情况，并在底部铺设土工布。20图1粒径级配曲线2.7降雨时间暴雨（2 4h总降雨量 50 10 0 mm)大暴雨（2 4h总降全部边坡开挖结束雨量10 0 2 0 0 mm）特大暴雨（2 4h总降雨量 2 0 0 mm第2 级边坡开挖结束暴雨（30 mm/h第4级边坡开挖结束持续7 h)第6 级边坡开挖结束6级边坡暴雨（2 4h总降雨全部开挖量50 10 0 mm)完后支护大暴雨（2 4h总降全部边坡开挖结束雨量10 0 2 0 0 mm)特大暴雨（2 4h总降雨量 2 0 0 mm)40土粒直径/mm6080降雨条件暴雨(30 mm/h持续7 h)10016.3第10 期2023年10 月进水排气孔水箱电磁阀织布土工隔间直径0.5mm、间距15mm、共50 0 孔该模型试验边坡填筑主要分四个过程：第一，根据相似原理，计算模型尺寸；第二，按照计算尺寸在箱体进行坡体形状绘制，并固定挡板；第三，按照实际坡体的工程地质情况，对模型箱进行装土填筑，填筑过程中坡体分层抹平、击实和标记；第四，根据试验方案，对每一级边坡进行削坡，同时要采取保护措施。整个模型完成后，需要上机进行固结沉降模拟实际边坡情况，然后对边坡进行开挖和支护处理，继续上机提高重力加速度至破坏，试验过程重复至结束。3试验结果分析3.1开挖变形分析两种开挖一支护时序下坡顶处水平和竖向位移变形情况对比，见图3和图4,相比开挖后不及时支护，开挖后及时支护可以更好的控制边坡水平和竖向的位移变形，比较开挖初期（第1级）结束，采用开挖后及时支护情况下，边坡水平和竖向变形分别减少34.6%和53.2%，全部开挖（第6 级）结束，边坡水平和竖向变形分别减少32.1%和10.3%，表明实时支护在开挖初期对竖向变形控制效果明显。01016一开挖及时支护14+开挖未及时支护1210864123456开挖级数图3坡顶开挖过程中的水平位移两种开挖一支护时序下坡脚处水平和竖向位移变形情况对比，见图5、图6，相比边坡开挖不及时支护，及时支护情况下坡脚水平位移减小，但从开挖初期（第1级）到开挖结束（第6 级）降幅情况显著，由2 7.36%降到了2 1.3%。而竖向变形方面，两种工况在第3级和第5级开挖结束后变形基本一致，最终边坡完全开挖结束后，不及时支护情况坡脚的变形更大。22一开挖及时支护20一开挖未及时支181614121086123456开挖级数图5坡脚开挖过程中水平位移陕西水利Shaanxi Water Resources3.2开挖稳定性分析可移动板无论是及时支护和不及时支护工况，开挖过程中坡顶沉降变形速率随着离心加速度的增加而加快见图7。两种开独立挖一支护时序施工方法的稳定系数曲线见图8 和图9，两种开关可移动板降雨器隔间图2 降雨器装置示意图22+开挖及时支护一开挖未及时支护468101214160123456开挖级数图4坡顶开挖过程中的竖向位移1.51.0开挖及时支护一开挖未及时支护0.50.00.5-1.0-1.5-2.0-2.51图6坡脚开挖过程中的竖向位移No.10October,2023工况在开挖过程中不同级开挖时边坡稳定性表现不同，及时支护情况下边坡由刚开挖时到第2 级再到最后开挖结束，边坡稳定性系数先减小到1.17 后又增大到1.46；不及时支护情况下边坡稳定性系数由1.39 一直降到0.8 6,此时边坡已失稳，降雨状态下边坡稳定性系数下降更明显，最终降幅达到19.2%。因此及时支护对边坡降雨条件下开挖过程中稳定状态更好。0.7开挖2 级0.6开挖4级(%)4/S 幽鲁0.5开挖6 级0.40.30.20.10.000.8开挖2 级0.7开挖4级(%)/S 幽鲁0.638830.20.1345623456开挖级数0.80.70.50.40.30.20.10.050100离心加速度/g(a)及时支护一开挖6 级0.00图7坡顶处无量纲沉降随离心加速度水平变化曲线1.81.5降雨不降雨1.41.61.31.41.21.21.01.00.90.80.80123456开挖级数图8及时支护稳定系数发展曲线3.3降雨时开挖稳定性分析模型试验中模拟及时支护的施工方式为ES-4、ES-5和ES-6,而模拟未及时支护为E-4、E-5和E-6。对两种工况下不同降雨条件下边坡稳定性进行试验分析结果见图10、图11。两种工况边坡的稳定系数随降雨量的增大而明显减小，当降雨量分别为50 mm、10 0 m m 和2 0 0 mm时，相比于边坡开挖过程中及时支护其稳定系数最大降幅达到12.3%，而未及时支护情况下最大降幅达到9 2.6%，约前者的7.5倍，表明降雨下边坡开挖过程中应做到及时支护。:161开挖2 级+开挖4级一开挖6 级150200(%）/S 喜0.60.50.40.30.20.10.050100离心加速度/g(c)及时支护0(b）及时支护后降雨0.8开挖2 级0.7开挖4级一一开挖6 级15020050离心加速度/g050离心加速度/g(d）及时支护后降雨不降雨降雨0123456开挖级数图9未及时不支护稳定系数发展曲线100100150150200200第10 期2023年10 月-20mm1.5r100mm200mm1.41.31.21.105101520253035历时/h图10 及时支护工况降雨后稳定系数发展曲线4结论通过采用大型土工离心机模拟降雨条件下的多级高边坡不同开挖一支护时序下的变形特性及稳定性。主要得出以下结论：(1）采用及时支护可以有效的控制坡顶处水平和竖向的位移，全部开挖结束，边坡水平和竖向变形分别减少32.1%和10.3%，及时支护边坡在开挖初期对竖向变形控制效果明显。（2）及时支护情况下边坡开挖过程中稳定性系数先降低后增加，而未及时支护边坡稳定系数随开挖逐渐降低，整个边坡开挖结束后未及时支护边坡稳定性系数降幅程度约是及陕西水利Shaanxi WaterResources1.5-20mm+100mm1.4+200mmE1.31.11.00.905101520253035历时/h图11未及时支护工况降雨后稳定系数发展曲线No.10October,2023时支护情况的3倍。（3）及时支护和未及时支护的边坡稳定系数都随着降雨量的增大而降低，并且随着人渗作用边坡稳定系数会持续下降，在相同降雨量情况下，相比于及时支护边坡的稳定系数，未及时支护边坡降低50%以上。参考文献1史振宁，戚双星，付宏渊，等.降雨入渗条件下土质边坡含水率分布与浅层稳定性研究 J.岩土力学,2 0 2 0,41（0 3）：9 8 0-988+1085.2马吉倩，付宏渊，王桂尧，等。降雨条件下成层土质边坡的渗流特征 J.中南大学学报（自然科学版）,2 0 18,49（0 2）：46 4-47 1.3付宏渊，曾铃，蒋中明，等.降雨条件下公路边坡暂态饱和区发展规律 J.中国公路学报，2 0 12,2 5（0 3）：59-6 4.4赵聪.土质边坡降雨离心模型试验研究 D.西南交通大学，2 0 14.5王维早，许强，郑光，等.强降雨诱发缓倾堆积层边坡失稳离心模型试验研究 J.岩土力学,2 0 16,37（0 1）：8 7-9 5.6姚裕春，姚令侃，袁碧玉，等施工时序对边坡稳定性影响的离心模型试验及数值分析 .岩石力学与工程学报,2 0 0 6,2 5(5):1075-1080.（上接第158 页）由表2 可知，大坝进行套井粘土防渗心墙加固处理后，浸润线降低很多，渗透比降很小，单宽渗流量最大减小42%，大坝坡面最大降坡为0.2 0,小于大坝出逸允许坡降0.38，大坝不存在发生渗透破坏的可能，有利于坝体的稳定。3.2坝坡稳定计算(1)计算断面及参数选取稳定计算选取渗流状态不利、安全隐患高、实测资料较为可靠的河床作为典型断面，与渗流计算相同，土体的主要物理力学参数见表3。表3二土体主要物理力学参数粘土参数坝基坝体填土防渗心墙排水体湿密度/(kN/cm)18.8饱和密度/(kN/cm）15.3黏聚力c/kPa36.4内摩擦角/()23.04(2)计算方法大坝静力稳定计算按刚体极限平衡理论采用瑞典圆弧法计算，稳定渗流期坝坡抗滑稳定计算抗剪强度指标采用有效应力指标，非稳定渗流期坝坡抗滑稳定计算抗剪强度指标采用总应力指标。坝坡抗滑稳定安全系数正常运用条件下取1.15,非常运用条件下取1.0 5。坝坡抗滑稳定计算分析采用北京理正岩土边坡稳定分析计算软件，该软件可根据碾压式土石坝设计规范（SL274-2020）的要求，自动搜索并找出相应于瑞典圆弧法的最:162小安全系数及相应的滑裂弧位置。(3)计算结果分析大坝加固后，坝坡稳定计算结果见表4。表4坝坡稳定计算结果圆心坐标瑞典圆弧法运行工况（上游水滑弧半坝坡位)/m正常蓄水位9 0.50下游设计洪水位9 1.16坝坡校核洪水位9 1.46上游91.46 降至 9 0.50贴坡坝坡90.50降至8 0.7 017.91.9514.12.0140.6925.628.317.6CCy径R/m有效应规范允力法许值11.623.5226.5991.29414.4425.8829.6361.56918.1433.2637.8852.25436.621.4233.8073.92733.025.0228.4133.6972.0由表4可知，大坝经过防渗及坝坡加固后，大坝在各种2.1工况下上下游坝坡抗滑稳定安全满足要求。0301.151.151.051.051.054结论通过在坝顶设置套井回填粘土防渗心墙，从坝体、坝顶、坝坡三个部位对大坝进行综合防渗加固设计，根据渗流计算和稳定计算可得如下结论：（1)加固后，各工况下大坝单宽渗流量和坝面出逸坡降均大幅降低，大坝不存在发生渗透破坏的可能，有利于坝体的稳定。（2）加固后，各工况下大坝坝坡抗滑稳定性满足规范要求。