湖北房县变电站边坡稳定性分析

韩利光 周攀峰

0 引言

20世纪80年代以来,中国经济进入了高速发展时期,长期的工程活动,对环境问题的忽视,加之自然因素的影响,滑坡灾害呈逐年加重趋势。目前,全国范围内除山东省没有发现严重的滑坡灾害外,其余各地均有发生。迄今为止,滑坡的研究已经有200多年的历史,边坡稳定性分析方法也不断地发展和完善,边坡稳定分析是经典土力学最早试图解决而至今仍未圆满解决的课题,各种稳定分析方法在国外水平大致相当。总的说来可以分为两大类,即极限平衡理论和数值计算理论。前者如 Fellenius法、Bishop法、Jaubu法、Mor-genstern-prince法、剩余推力法、Sarma法、Spencer法等;后者如有限元法、边界元法、快速 Lagrangian分析、离散元法、非连续变形分析方法等。本文根据场地的工程地质条件分析了该边坡失稳的机理,并在介绍Spencer法的前提下,以此方法对该边坡的稳定性进行了评价。

1 工程概况

房县地势南北高,中部低,四周高山环绕,由两侧向中部倾斜,略呈盆地形势。北部为变质岩区,位于武当山地块的南部,属武当山脉,大部分海拔在800 m～1 000 m之间;西南为秦岭地槽;南部是汉南凹陷带。由于强烈的地质构造运动,南北以断层接触,具有明显的二分性。

边坡在平面呈贝壳状,坡向正南,纵长约 230 m,横宽约140 m,总面积3.22×104m2,边坡坡度稍缓,自然坡度20°～ 40°,植被不发育,有少量经济作物和灌木,坡面基岩出露,陡坎较多,坡体左下脚有一小冲沟,边坡体表层为泥质粉砂岩风化后的松散物质,部分覆盖层为残坡积亚黏土,松散～硬塑状,范围较小,钻探揭露厚度最大5.10 m,属岩质边坡。下伏基岩为龙脉沟组(E2l)泥质粉砂岩,岩层产状 85°∠8°,层面近水平,岩层倾向与坡向近似,自然山坡为顺向坡。边坡坡脚发现部分变形岩体,多是由于坡脚处有一陡坎,形成临空面,浅部岩体在自然状态下风化强烈,裂隙面逐渐贯通后形成软弱带,表层岩土体在重力作用下顺着坡向产生局部变形破坏。第二级台地前缘斜坡中上部产生多条弧形裂缝,裂缝宽 0.3 m～1.10 m,并形成错坎,最高达1.5 m,裂缝贯通。边坡东侧裂缝张开较大,平均20 cm,最大达50 cm,深度最大大于1 m,并呈羽状展开,与后缘相贯通。

2 边坡失稳机理分析

1)该区地貌形态为贝壳形台坎状斜坡,高差近30 m,前缘台坎窄,后缘斜坡长,坡度 20°～40°,地貌形态有利于滑坡的形成。2)边坡表层的残坡积亚黏土层分布很少,对边坡整体稳定影响微弱;此处的泥质粉砂岩岩质较软,含泥化夹层,从试验数据上看,岩体为极软岩～软岩,其中强风化泥质粉砂岩层在该区分布较广,结构较松散,稍湿,强度低。岩层走向与边坡走向大体一致,倾向于边坡倾向夹角较小,属于外倾结构面,极不利于边坡的稳定。3)坡体表层为松散的残坡积物,有利于地下水下渗到软弱岩层,从而导致岩层的软化,降低抗剪强度,促进滑动产生。

综上所述,该滑坡的形成是在一个不良的地质环境条件下,经地表水的下渗,软化软弱土层,降低了软弱岩层的抗剪强度,最终致使滑动产生。

3 滑坡稳定性分析

3.1 Spencer法的基本理论

Spencer法直接假设条块间的推力平行,即推力倾角为常数,即:

建立满足所有力与力矩平衡的方程组如式(2),式(3),然后迭代求解安全系数:

3.2 计算剖面的选择

根据钻探资料,并结合现场情况,考虑边坡在变电站施工场地开挖后沿着不利结构面破坏的情形共分析计算了三个剖面,本文选取开挖临空面最大的有代表性的剖面进行了计算,其中边坡切坡后高差最大的近30 m,计算剖面如图1所示。

3.3 计算方案

滑坡稳定性与外界各种荷载作用方式、强度有关。影响滑坡稳定性系数的最主要因素是降雨引起的滑体中地下水位的抬升以及可能的地震荷载。该滑坡的滑动带及下伏基岩为相对隔水层,滑坡体物质破碎,地表降雨易入渗,降雨发生时会造成滑坡体中地下水位的上升。因此,本次计算对地下水位的考虑分两种形态:在天然状态,以钻孔和探井查明的地下水位为依据;降雨条件下,钻孔和探井查明的地下水位。

该滑坡所在地区的地震烈度为6度,故计算方案采用6度地震的水平地震系数KC=0.05考虑。地震力引起的水平地震荷载是瞬态的,而且方向也在不断变化,国内外的计算都是将水平地震力的方向设定为水平指向坡外,这对所有工程而言是偏安全的。

3.4 计算参数的选取

滑动面抗剪强度参数的选取关系到滑坡稳定性预测和滑坡推力计算的科学性和可靠性,是滑坡防治工程中最重要的参数。在这里,根据土体物理力学性质测试指标,确定了各地层的物理力学参数如表1所示。

表1 地层物理力学参数表

3.5 计算结果分析

本文分为两种工况对该滑坡的稳定性进行了计算,结果见表1。可以看出,当条件由正常水位、降雨条件下水位变化时,滑坡稳定性系数逐渐降低,如图2,图 3所示。

4 结语

1)从计算结果可以看出,该边坡在天然状态时处于自稳定状态。而在降水诱发下,由于降雨入渗,导致岩层软化,抗剪强度降低。边坡将逐渐失稳,此时将危及坡顶变电站的安全。2)建议对该滑坡进行削坡减载和支挡锚固等联合抗滑措施,并利用开挖余土对前缘回填反压,以增大抗滑段的阻滑力,但回填土必须分层压密。对周边边缘裂缝进行堵塞。

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