库区沿江公路的堆积体稳定性分析

熊丽婷 伍曾 王斌

(1.昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500； 2.国家林业和草原局昆明勘察设计院 昆明 650216)

0 引言

堆积体稳定性分析是公路、铁路和水库等基础设施在山区建设时的常见问题，许多研究者都从降雨渗流的角度分析不同渗流特性对堆积体稳定性的影响[1-4]；冯玉涛等[5]采用不平衡推力法对不同工况下山区高速公路堆积体的稳定性进行分析；罗延婷等[6]将某坝前堆积体分为3个区采用数值模拟的计算方法进行稳定性分析；邹烨等[7]采用矢量和法与有限元法相结合的三维边坡动力稳定性分析法对地震荷载下的堆积体进行稳定性分析；张玉等[8]采用三维极限平衡方法和大变形拉格朗日有限差分法建立三维计算模型对滑坡堆积进行稳定性分析。由于在工程实践中，仅考虑降雨影响并不全面，且如果采用三维分析方法难以全面确定边界条件，故本文采用位移监测数据分析法对堆积体的稳定性进行定性分析，并在此基础上运用二维极限平衡法计算稳定系数进行定量分析，该分析方法便于工程实践的运用。

1 工程概况

该堆积体位于澜沧江左岸，高程分布在1 430～1 650 m间。整个堆积体平面上看似马蹄形，整体呈上陡下缓，后缘与基岩山坡相连，其中1 600 m高程以上总体坡度25°～35°，局部为陡坎；1 600 m高程以下总体坡度22°～26°，下游侧稍陡；堆积体前缘高程1 430 m处，因河流冲刷局部形成高约20 m、坡度40°的陡坎；上游侧边缘以凸起小山梁为界，下游侧边缘以滑移形成的陡坎为界。堆积体“圈椅”状明显，局部地形呈阶梯状。在高程1 600 m左右有一平台，后部为数米高陡坡。堆积体中下部发育一小型冲沟，切割不深，沟壁以碎块石为主，颗粒较大，呈季节性流水。该堆积体所在段澜沧江河流流向约S20°E，岩层走向近SN向，为顺向谷。堆积体顺河向宽度约320 m，垂直河流长度约510 m，厚度最深可达60 m，平均厚度20～40 m，体积约450万m3。水库蓄水至正常蓄水位1 477 m时，淹没其前缘47 m。

2 堆积体稳定性的定性分析

2.1 变形监测成果

2.1.1 表面变形监测成果

该堆积体共布置12个变形监测点(如图1)，其中6个为表面变形监测点，其余6个为GNSS变形监测点，各监测点的具体位置如表1所列。

图1 堆积体监测点布置示意

表1 GNSS及表面变形监测点布置

表面变形监测点和GNSS 变形监测点的监测成果分别如表2和表3所示。

表2 表面变形监测成果

表3 GNSS监测成果

2.1.2 深层变形监测成果

对堆积体布置了6个测斜孔(如图2)进行深层土体水平位移变形监测，其监测成果如表4所列。

图2 深层测斜孔位示意

表4 测斜孔孔口变形监测成果

2.2 稳定性分析

表面变形监测点的监测数据表明，堆积体变形较大的部位为上下游侧及前缘，垂直位移以上游侧QWD1-2、QWD2-1、QWD1-1监测点变化较大，水平向位移以QWD1-1、QWD1-2、QWD2-3、GNSS-1、GNSS-2监测点变化较大，其中垂直位移最大的为QWD1-2，沉降118.8 mm；水平位移最大的为QWD1-1，向右岸方向水平位移241.8 mm，均位于堆积体前缘，堆积体后缘及中部变形较小。GNSS监测点位移方向大体一致，说明堆积体整体向同一个方位变形。

深层监测数据表明，除QWDZK04存在轻微蠕动变形外，目前堆积体内部未发现明显的滑面，其余各孔未见明显滑移变形。水库蓄水前，堆积体整体处于整体稳定状态。水库蓄水至正常蓄水位1 477 m后，堆积体前缘局部存在塌岸，前缘边坡发育4条平行河道裂缝，宽度为0.5～5 cm，分布高程为1 485 m，目前裂缝尚未贯通；沿江公路以下房屋存在不同程度的开裂、基础沉降变形及挡墙鼓胀破裂现象等。堆积体上下右侧存在延伸较长的老旧裂缝，近期裂缝有增大且继续延长的趋势，目前裂缝一般宽5～20 cm，错台5～15 cm，最宽可达40 cm，可见深度一般0.3～1.5 m。初步分析，水库蓄水后堆积体前缘土体受库水浸泡影响，物理力学指标降低，产生塌岸，为后缘边坡蠕动变形提供空间，岸坡在变形调整过程中，加剧了地表建筑物的拉裂破坏。由于堆积体前缘塌岸范围有限，堆积体整体发生突发性滑坡地质灾害的可能性较小，但岸坡蠕变现象还会持续发生，直至最终达到稳定状态。根据结合监测资料、裂缝分布特征，表明该堆积体目前处于蠕动变形状态。

3 堆积体稳定性的定量分析

3.1 岩土力学参数

堆积体的各层岩土力学参数采用表5所列的物理力学参数建议值。

表5 覆盖层的物理力学参数建议值

关于覆盖层的物理力学参数，水上、水下的摩擦角与凝聚力采用平均值代入各工况计算，水面线以上的覆盖层采用摩擦角f=22°，凝聚力c=30 kPa，天然容重G=21 kN/m3，水面线以下的覆盖层采用摩擦角f=20.5°，凝聚力c=20 kPa，饱和容重G=22 kN/m3。

3.2 计算方法

通常来讲，滑坡体的稳定分析评价包括以下计算研究手段：

(1)基于二维极限平衡法边坡稳定安全系数计算及评价；

(2)基于二维有限元应力应变计算及分析；

(3)基于二维有限元强度折减法边坡稳定安全系数计算及评价；

(4)基于三维有限元应力应变计算及分析；

(5)极限平衡法或有限元进行治理措施研究及效果评价。

该堆积体采用基于二维极限平衡法的边坡稳定安全系数计算法分析其稳定性，采用简化毕肖普法作为非严格解法代表，采用摩根斯坦-普莱斯法和詹步法作为严格解法代表，每一个滑面同时进行3种方法计算对比，确保安全系数计算的准确性。

计算采用Slide软件作为边坡稳定分析程序，在任一断面的特定工况下的稳定计算分析中，程序自动进行5 000～9 000个滑移面的自动搜索，寻找安全系数最小的滑移面，并显示所有滑移面(包括滑弧和圆心)对应的安全系数云图。根据滑移模式的分析判断潜在滑移面，提取需要的滑移面对应的稳定系数。

3.3 滑移模式分析

该堆积体边坡为岩土混合边坡，基岩埋藏深度较大，覆盖层厚度为20～60 m。水对土层浸泡以及水渗入土体对此类边坡稳定影响较大，易产生沿土层内滑动、土层局部坍塌、沿下伏基岩面的土层滑动等。根据现场地质勘察及变形监测情况，对变形滑移模式进行的分析表明，由于堆积体的土体厚度较大，其存在沿表层或深部发生滑动的可能性。因此，本次稳定分析主要分析堆积体前缘局部滑动、表层滑动、整体滑动等滑移模式的稳定状况(如图3)。

图3 典型剖面滑移模式示意

3.4 计算剖面

根据地质勘察成果，结合变形监测资料选取计算剖面，从上游至下游依次选取与边坡走向正交的1-1剖面、2-2剖面、3-3剖面、4-4剖面，以及存在局部变形的5-5剖面，剖面具体位置如图4所示。

图4 计算剖面位置示意

3.5 计算工况

(1)正常运用工况

正常蓄水位高程为1 477 m。

(2)水位骤降工况

骤降工况水位从正常蓄水位高程1 477 m降至死水位高程1 472 m，水位变幅5 m。计算水位骤降工况时，假设排水速率小于降水速率，按最不利工况考虑，认为浸润线不产生降落。

(3)降雨工况

降雨工况中，计算拟通过给定滑面上的孔隙水压力系数ru来模拟降雨。孔隙水压力根据浸润线的位置按简化原则确定，假定流场的等势线铅直，则A点承受的孔隙水压力为

μ=rwh

(1)

A点的孔隙水压力系数ru定义为该点的孔隙水压力μ与相应该点滑裂面以上岩柱重量γH的比值，即

(2)

式中，μ为中A点所承受的孔隙水压力，rw为水容重，γH为岩石容重，h为A点的水头高度，H为A点对应的岩石条块高度，ru为孔隙水压力系数。系数说明如图5所示。

图5 孔压系数说明示意

对于降雨工况，若设定孔隙水压力系数为0.05，假设土的容重一般为2.0 g/cm3，根据式(2)，h与H的比值为0.1，也即假定在连续降雨的条件下，边坡内的水不能及时排出，潜在滑裂面以上浸润线的高度约为相应土柱高度的10%。若设定孔隙水压力系数为0.1，则潜在滑裂面以上浸润线的高度约为相应土柱高度的20%。

根据工程所在位置气候特点，多年平均降水量为973.5 mm，降水量年内分配不均匀，6—9月降水量占了全年的71.6%以上，7，8月份降水最大，占年降水总量的41.7%，故计算该堆积体时，降雨工况取ru=0.1模拟降雨对画面内浸润线的影响。

(4)地震工况

地震工况采用拟静力法计算地震作用效应，峰值加速度0.142g，不计边坡地震惯性力动力放大效应，只考虑水平向作用力，即αw=0.142×0.25=0.035 5，作用力方向指向坡体滑动方向[9-10]。

3.6 稳定性分析

该堆积体各工况下的计算简图以1-1剖面为例，如图6所示。所有工况下各个剖面以简化毕肖普法、摩根斯坦-普莱斯法与詹步法3种计算方法的计算成果偏差不超过10%，不存在数值解析问题。

(a)正常运用工况

(b)水位骤降工况

(c)降雨工况

(d)地震工况图6 各工况下1-1剖面的稳定系数计算简图

该堆积体1-1剖面至5-5剖面3种滑移模式在不同工况条件下，采用摩根斯坦-普莱斯法计算的稳定系数如表6所示。

根据表6计算结果显示，该堆积体正常运用工况下整体稳定系数介于0.941～1.414，其中堆积体中部1-1、2-2剖面整体稳定性较好，下游3-3、4-4剖面位置地势较陡，稳定性稍差，容易受到降雨或地震影响而引发蠕滑变形。此外，水位骤降工况下，堆积体整体稳定系数较正常工况下降0.1左右，受降雨影响，安全系数降低0.15左右，表明水库前缘水位的变动及坡体内的雨水下渗对堆积体整体稳定的影响不容忽视，应重视堆积体的截水和排水作用。地震工况下滑坡体处于欠稳定——不稳定状态，存在受地震影响产生变形和局部塌滑的危险。

表6 各剖面不同工况条件下的稳定计算成果

位于水库前缘部位的堆积体局部稳定性非常差，受库水位变动和前缘淹没的影响，各工况边坡稳定系数均无法满足规范要求，基于目前所采用的岩土体物理力学参数和地形地势表明滑坡体前缘极易滑塌，难以稳定。

位于沿江公路以上部位的堆积体局部稳定性相比较水库前缘部位的局部稳定性略好，正常运用工况下局部稳定系数介于1.073～1.55，处于欠稳定——稳定状态，主要受降雨影响，稳定系数相比较正常工况普遍下降0.15～0.20，并且在地震作用影响下，存在局部滑移的风险。

4 结论

表面变形监点及GNSS监测点表明堆积体变形方向总体是偏下游、向右岸临空面产生水平位移；深层监测孔现阶段除QWDZK04存在轻微蠕动变形外，其余各孔未见明显滑移变形。

计算表明，堆积体正常运用工况下1-1、2-2剖面整体稳定性较好，3-3、4-4剖面稳定性稍差，处于欠稳定——不稳定状态。水位骤降及降雨影响下，堆积体整体稳定系数较正常工况下降0.1～0.15；地震下堆积体处于欠稳定——不稳定状态。

堆积体前缘局部稳定性非常差，各工况边坡稳定系数均无法满足规范要求。沿江公路以上的堆积体局部稳定性较前缘部位的局部稳定性略好，正常运用工况下处于欠稳定——稳定状态；降雨工况下，稳定系数较正常工况普遍下降0.15～0.20，并且在地震作用影响下，存在局部滑移的风险。

综合分析，堆积体整体上处于缓慢的蠕动变形状态，安全储备不高，受库水位变动、降雨和地震作用影响，边坡还会持续蠕动变形，局部可能产生滑移，但堆积体产生整体突发性滑动失稳的可能性不大，变形将会持续相当长的一段时间，并且会加剧房屋开裂、公路变形。

5 建议

(1)堆积体稳定安全裕度不大，极端天气或特殊工况下存在局部失稳的可能，并且目前堆积体仍处于持续蠕变中，虽不至于产生整体高速下滑，但会造成堆积体上部居民住房的开裂，危及人民生命及财产安全。考虑工程治理措施效果有限，建议将堆积体上居民点搬迁，确保人民生命及财产安全。对于沿江公路存在的局部变形问题，可根据堆积体后期变形情况，采取相应处理措施。

(2)在堆积体顶部设置截水沟，把上部来水引至上下游侧冲沟；对张开的裂缝采取回填封闭处理；对公路下的排水涵管的地表水采取引导治理，防止地表水对岸坡的再次入渗、冲刷。

(3)汛期加强变形监测及安全巡视，特别是加强堆积体前缘、沿江公路以上边坡的安全巡视工作，并建立健全预警机制；对于房屋开裂危及到居住安全的，及时采取处理措施。