深挖方渠道边坡稳定分析

于 奇

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

深挖方渠道边坡稳定分析

于 奇

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

以南水北调中线京石段工程渠道边坡为典型案例，通过对边坡破坏机理的分析，确定了其破坏原因和破坏类型，并有针对性地提出了边坡处理方案，为其他段工程边坡的治理提供了实践依据。

边坡稳定性；破坏模式；有限元；边坡系数

1 工程概况

1.1 渠段概况

第S48标段位于河北省易县县城以北，石渠段位于大型建筑物七里庄沟渠道倒虹吸下游1.25km，该段桩号为194+425.44～194+884.29，总长458.85m，这段渠道挖方最大深度18.0m，属于深挖方段，渠道底宽11.0m，过水断面边坡1∶1.0，一级马道以上边坡1∶1.5，渠底高程 58.195m 至 58.174m。

1.2 地质条件

渠道左侧边坡开挖后发育较大裂缝多条，部分边坡发生了塌滑，工程安全受到影响，必须采取适当的处理措施。这段石质渠道地面出露和开挖揭示出的地层比较单一，以徐庄组地层（古生界寒武系）为主，上部松散地层（第四系）揭露厚度较浅。

一级马道以下以弱风化和强风化泥灰岩为主，为地下水集中地带，受冲沟影响，边坡岩石风化严重，部分岩石成泥状，边坡稳定性差。由于开挖后受地下水浸泡，桩号194+625～194+640段左侧边坡开挖10d后发生小规模滑坡。

一级马道以上渠坡以强风化泥灰岩为主，左侧坡岩层倾向渠内。局部渠坡为破碎页岩和黄土状壤土，发育两组节理。在桩号194+520～194+570段一级马道以上，左、右侧边坡陆续发现多条裂缝。左侧边坡甚至出现滑坡，一级马道及其下部的岩体稳定受到影响。

2 边坡塌滑机理分析

本次滑坡为浅层中等牵引式顺岩层滑坡。裂缝横向发育，排列有序，呈阶梯状，张开明显，表明滑坡体底部先发生滑动，上部后发生滑动。

这段滑坡体控制面主要是层面构造面。当渠道与岩层层面的走向接近，岩层面向渠道里侧倾，渠坡角度稍大于岩层倾角，抗滑力小于上面岩体自重的下滑力时，塌滑就发生了。薄层泥膜发育在大部分的构造面上，早期滑痕可在局部发现，从整体看岩体完整性还较好。强风化岩体多数为块状，有一定强度，具明显的层间构造，夹少量软弱页岩。根据岩体分类，这段岩体稳定性类别定为Ⅲ类至Ⅳ类之间，因此滑坡体的控制因素不是岩体强度。地下水位引起的裂隙中水压力增高加速了裂隙的扩大，软弱夹层的泥化和软化进一步发展降低了岩体的力学性能。坡体内应力平衡在边坡开挖后遭到破坏，引起边坡岩体失稳滑动。

3 有限元模拟及处理方案

3.1 典型断面有限元模拟分析

选用国际岩土工程界公认的分析处理能力最强的有限元模拟软件之一的ABAQUS软件，根据京石段边坡土层的地质状况、物理参数等建立有限元模型，分析其计算结果与实际结果的吻合程度。

3.1.1 有限元模型的建立

为了确定合理的渠道开挖边坡系数，选取了多个边坡典型断面，在此给出2组具有代表性的渠道断面的分析成果。模拟断面如图1。

图1 模拟横断面

3.1.2 模拟断面的物理力学参数

模拟横断面的各物理力学参数如表1。

表1 横断面物理力学参数

3.2 有限元模拟分析结果

3.2.1 剪应力对比

边坡系数小于允许值的断面剪应力如图2，边坡系数在允许范围内的断面剪应力如图3。

图2 边坡系数小于允许值的断面剪应力

图3 边坡系数在允许区间内的断面剪应力

通过边坡剪应力图分析，此边坡断面右侧边坡相对较陡，剪应力最集中，最容易发生滑坡破坏。右侧边坡上部土体区域，图2剪应力较图3集中，该部位具有产生滑坡的可能性。

3.2.2 剪应变对比

边坡系数小于允许值的断面剪应变分析成果如图4，边坡系数在允许范围内的断面分析成果如图5。

图4 边坡系数小于允许值的断面

图5 边坡系数在允许区间内的断面

通过对比边坡断面剪应变可知，右侧边坡较陡处的断面剪应变在土体分层处界面变化明显，颜色较深的滑动面处剪应变较大。

3.2.3 水平位移对比

边坡系数小于允许值的断面水平位移见图6，边坡系数在允许范围内的断面水平位移见图7。

图6 边坡系数小于允许值的断面水平位移

图7 边坡系数在允许区间内的断面水平位移

由图6与图7对比分析得出，图6边坡断面滑动界面明显，顺着土层界面处存在土体抗剪强度不足的连续面，存在失稳的可能。

3.3 边坡处理方案

经过对京石段S48标渠段工程边坡地质调查研究，破坏原因及对边坡稳定性的分析，以及有限元模拟分析表明，为了使边坡不出现整体滑动破坏失稳或局部滑塌，设计合理的坡度系数是关键，应确定一个合理的坡型。在此基础上，再经对土层结构和坡面土的现状分析，边坡抗滑稳定验算，来采取相应的处理措施，如削坡，布置锚杆、砌混凝土框格护坡等等。

对桩号194+530～194+614渠段左侧边坡出现的多条裂缝及塌滑，采取如下处理措施：①对边坡上部进行削坡减载；②对平台进行防护，对73m高程的截流沟以及平台铺设复合土工膜进行防渗，阻止坡上部地表水渗入岩体，用混凝土对平台上部及左侧截流沟进行衬砌；③对边坡坡面进行防护，在稳定的岩面上梅花状布置锚杆，并用喷射混凝土护坡，排水孔布设在岩石坡面；④过水断面清除已松动的岩石，在相对稳定的坡面上打锚杆与浆砌石连为一体。

过水断面边坡处理如图8。

图8 过水断面边坡处理

4 结语

（1）影响边坡工程的稳定性因素很多，其中很多因素不能预测，又难以确定。影响边坡稳定性的因素既具有随机性，又具有模糊性。所以分析边坡破坏原因需抓住主要影响因素。

（2）通过边坡有限元模拟的分析，确定了合理的边坡型式，其成果对边坡的防护治理具有指导作用。

（3）确定合理的渠道边坡型式是保证边坡安全和工程经济性的重要方面。

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The Stability Analyses of The Slope Sides of The Channel With Deep Excavation

YU Qi
（Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower,Tianjin 300250，China）

Taking Beijing to Shijiazhuang section of mid-route in North Water Diversion as a typical sample，to confirm the type of slope failure and the reason of the slope destruction after analyzing the slope failure theory,and a targeted slope treatment scheme is proposed in order to provide a standard for further demand.

slope stability;destruction mode;finite element;slope coefficient

TV223

B

1672-9900（2014）04-0094-03

2014-05-12

于 奇（1971-），男 （汉族），辽宁普兰店人，高级工程师，主要从事水利工程勘测设计工作，（Tel）022-26786257。