某水利枢纽施工导流边坡不同开挖方式稳定性分析

曾朋伟

(广东粤水电韩江水利开发有限公司，广东 梅州 514000)

水利、交通、市政工程建设过程中，经常需要对天然斜坡进行开挖，开挖扰动造成天然斜坡稳定性发生变化，将对工程建筑物的安全使用造成严重的影响[1]。不同的开挖方案对边坡稳定性将产生不同的影响，准确地评价边坡稳定性对于工程建设具有十分重要的意义。穆成林等[2]结合黔西层状边坡工程特征，提出了“岩体结构-未确知测度理论”开挖边坡稳定性快速评价方法；马淑芝等[3]采用SARMR法计算开挖对边坡的稳定性的影响，认为开挖造成厦沙高速某段边坡稳定性系数下降；贠永峰等[4]使用ADINA软件，建立数值模拟模型分析开挖边坡稳定性，认为边坡存在软层时，易在软层处形成应力集中；马洪生等[5]采用物理模拟实验研究岩质边坡开挖变形特征，通过监测仪器获取边坡卸荷区。通过前人研究可知，开挖边坡稳定性的研究方法主要包括：数值模拟[6- 10]、物理模拟[11- 12]、理论计算[13- 14]等。本文采用底摩擦物理模拟实验分析韩江高陂水利枢纽一期导流工程开挖边坡稳定性，并提出相应的支护措施建议。

1 工程概况

韩江高陂水利枢纽工程为Ⅱ等大(2)型工程，位于韩江干流，主要承担防洪、供水的作用。一期导流右岸河床扩挖及厂房尾水渠扩挖的底边线至现有岸边台地的距离为20～70m，5年一遇洪水对应河床处水位为31.5m，洪水位上土石方开挖不受韩江水位影响。31.5m高程以下开挖可以在开挖范围的外侧32.0m高程预留一土埂拦挡韩江水。

2 物理模型实验

2.1 底摩擦实验及相似比确定

2.1.1底摩擦实验

底摩擦实验是一种常用的物理模型试验，在岩土工程领域极为常用，采用底摩擦实验可以直接观察开挖边坡的变形破坏过程，可为开挖边坡治理措施设计提供参考。底摩擦实验的基本原理如下：当实验模型足够薄时，利用橡皮带与模型之间的摩擦力模拟重力作用，从而研究原型边坡在重力作用下的实际变形特征。

底摩擦试验主要步骤如下：

(1)在试验开始前首先需要完成底摩擦试验仪的自检，保证仪器的运转平稳，并可随时控制仪器的启动和停止。

(2)根据试验材料配比，将配制好的材料均匀平铺在底摩擦试验仪的橡皮带上，需要保证材料的均匀性，压实后，打开底摩擦试验仪进行模型的预压密。

(3)按照开挖需要对模型进行开挖，打开底摩擦试验仪开始进行试验，使用相机记录模型变形过程。

2.1.2相似比确定

相似比是原型与模型之间相同量纲物理量的比值。Cl、Cγ、Cu、Cσ、CσC、Cσt、Cε、CE、CC、Cφ、Cμ、C分别为线性、容重、位移、应力、抗压强度、抗拉强度、应变、弹性模量、内聚力、摩擦角、泊松比、摩擦系数相似比。

根据相似原理、弹性力学可知相似判据为：Cσ=CE=CC=CσC=Cσt；Cu=Cl；Cσ=CγCl；Cφ=C=Cε=Cμ=1。根据边坡和底摩擦仪尺寸确定线性相似比为Cl=100，容重比为Cγ=1.5，因此，Cσ=CE=CC=CσC=Cσt=150，Cu=Cl=100。

2.2 实验材料配比

开挖边坡为一岩质边坡，局部含有薄层软弱夹层，根据苟水泉[11]研究结果，使用锡箔纸表示软弱夹层，使用不同质量配比的石英砂、重晶石、石蜡油作为岩体的相似材料。通过对比分析，确定岩体相似材料质量配比见表1。

表1 岩体相似材料质量配比

2.3 实验模型设计

现场边坡最大高度为54m，根据相似比确定实验模型高度为54.0cm，拟采用两种开挖方案，方案一采用5级开挖的方式，从上至下各级开挖高度依次为4.0、10.0、10.0、10.0、20.0m，其中第1、2级开挖坡比为1∶1.25，第4、5级开挖坡比为1∶0.5，第3级上部分开挖坡比为1∶1.25，下部开挖坡比为1∶0.5，第1—2、2—3、3—4级中间平台宽度为2.0m，第5级坡顶为一公路，宽为15m，根据方案一建立的底摩擦物理模型如图1(a)所示。方案二采用3级开挖，从上至下开挖高度依次为19.0、15.0、20.0，开挖坡比依次为1∶1.25、1∶0.5、1∶0.5；其中第3级设计与方案一第5级一样，顶宽为15m的公路，1、2级之间平台宽度为2.0m。根据方案二建立的底摩擦物理模型如图1(b)所示。

图1 底摩擦模型

3 不同开挖方式稳定性分析及防治措施建议

3.1 实验过程及现象

方案一开挖后变形过程如图2所示。边坡开挖初期变形结果如图2(a)所示，模型变形较小，仅在后缘(约53.5cm处)出现细微的拉张裂隙，裂隙宽度为0.2mm；随着实验的进行，在橡皮带的摩擦作用下，坡体后缘拉张裂隙逐渐增大，每级边坡均出现不同程度的变形，如图2(b)所示；实验结束后的变形特征如图2(c)所示，边坡出现一定程度的破坏现象，40～41cm处部分块体已经滑落，但坡体整体结构仍较为完整，并未出现大面积的变形破坏，破坏深度范围在2～4cm(垂直开挖面深度)内。

图2 方案一变形过程

方案二开挖后变形过程如图3所示。开挖初期变形结果如图3(a)所示，与方案一相同，首先在坡体后缘出现拉张裂隙，但方案二初期变形较方案一大，裂隙宽度在0.5～0.7cm范围内，发生变形的坡体范围也较大，在30～54cm之间均出现了一定程度的变形；在实验进行过程中1级边坡出现较大范围的破坏，2级边坡开始出现拉张结构面，如图3(b)所示；实验的最后阶段1级边坡及2级边坡的上半部，即25～54cm之间边坡出现较大程度的破坏，破坏深度达8～10cm，如图3(c)所示。

图3 方案二变形过程

3.2 实验结果分析

根据两个方案的实验结果可知，含有软弱夹层的顺层岩质边坡开挖后，大多出现沿着软弱夹层滑动破坏的变形特征，且滑动是沿着多个软弱夹层同时发生的，多在后缘形成阶梯状的破坏面。方案一与方案二相比，边坡的变形范围明显较小，因此可采取方案一作为导流工程边坡的开挖方案。

3.3 防治措施建议

根据实验结果结合工程经验，采用锚杆作为边坡开挖的主要支护措施，锚杆治理措施如图4所示。在20～35m处采用直径φ=22mm，长度L=4.0m的锚杆；在5～15m处采用直径φ=25mm，长度L=6.0m的锚杆；在0～5m处采用直径φ=25mm，长度L=4.0m的锚杆保证开挖边坡的整体稳定性。由于降水会造成软弱夹层强度的急剧降低，因此可在坡体表层采用挂网喷浆护坡。

图4 锚杆治理措施

4 结论

(1)由底摩擦实验结果可知，方案一开挖后边坡会产生一定规模的变形破坏，但主要集中于表层，破坏规模远小于方案二。开挖后形成良好的临空面是边坡发生变形的主要原因，两种方案边坡均为沿着软弱层面发生多级滑动破坏，形成阶梯状破坏面。

(2)根据未支护边坡开挖变形结果，确定方案一为施工导流边坡开挖方案，采用锚杆支护后，边坡并未出现较大规模的破坏，仅有表层的溜滑，在采用喷浆、植草措施后，可较好地控制浅表层岩体破坏。