某水电站近坝库区边坡稳定性分析及治理措施研究

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边坡是我国最常见的工程建设形式之一，每年因滑坡、崩塌造成的直接经济损失超过了200亿元。基于边坡稳定性研究和防治，文章运用M-P条分法对金场坝右岸边坡进行了稳定性分析，计算结果与实际监测结果相符合，证明了M-P条分法应用在实际工程中的可行性。

1 工程地质调查

某水电站库区位于湖南西北部酉水下游，其已经出现了4个明显的滑坡体，坝区水电生产及当地居民生命财产受到滑坡隐患的威胁。水库近坝库区位于武陵山隆起带次级构造北东-北北东向展布的大风垭-小砦山背斜南东翼，该处2个滑坡分别位于其次级小向斜的北东翼和南东翼。工程区基岩由前震旦系板溪群砂岩、长石石英砂岩、石英岩、板岩、砂质板岩等组成，断层及层间泥化夹层分布较密集，滑坡、崩塌及蠕变松动岩体等物理地质现象较发育，边坡变形与稳定条件较为复杂。滑坡所处河流上游酉水流向为S118°E，向下游至枢纽酉水流向约为N70°E。库岸浪蚀作用明显，干流至大坝4km范围多为基岩库岸，因结构面不利组合，库岸局部见有小型基岩棱体失稳现象，库岸整体稳定。

2 边坡稳定性分析

边坡工程研究的核心问题是边坡稳定性分析，其目的是确定合理的边坡结构参数及分析已有边坡的稳定程度，为边坡处治措施的确定提供可靠的依据。现有的边坡防治方法一般采用工程地质类比法、坡率法、图解法、极限平衡法等，文章采用极限平衡M-P条分法来研究边坡稳定性。

2.1 基于极限平衡M-P条分法分析边坡稳定性

相比其他极限平衡条分法，M-P条分法考虑了整个条间作用力影响和整体的力矩平衡，计算结果更为精准。M-P条分法同时考虑条间法向力和切向力，并假定两者的比值与水平坐标之间存在一个函数关系，同时满足整体平衡和力矩平衡，力多边形闭合。此次稳定性分析取其中较严重的某处滑坡为主要研究对象，其他滑坡也可以按照同样的原理进行分析。

M-P条分法基本假定：（1）边坡整体为均质材料，其抗剪强度服从摩尔-库伦准则。（2）所有条块是刚性的，不发生变形。滑坡体为整体滑移。（3）条间切向力X和法向力E存在函数关系，λ为0～1的任意常数。（4）边坡安全系数F定义为沿整个滑动面的抗剪强度和滑动面上实际的滑动切应力的比值。

基于M-P条分法计算模型和分析（如图1所示），将滑坡分为长度为dx的微分条，取其中的一条块进行受力分析。

图1 M-P条分法示意图

微分条块上的作用力有重力dW、条块地面的有效支撑力dN'及切向阻力dT，E'、E'+dE'为条块间的作用力，U、U+dU为条块间的孔隙水压力，X、X+dX为条块间的切向力，dUs为底面上的孔隙水压力。

对该条块有底部法向力的平衡：

对该条块底部取切向力的平衡：

再由摩尔-库伦准则、强度折减原理和安全系数定义可得

对该条块底部中点取力矩平衡，化简可得

综合式（1）～（4），并带入假设式（3）化简可得每一条块的微分平衡方程为

式中：K、N、P均为中间变量。

对于该方程，可以先假定满足平衡方程的λ、F的值，然后带入边界条件，检验是否满足边界条件。如果不满足边界条件，则用一个有规律的迭代步骤继续修正λ、F的值，直到其满足边界条件，可以求得安全系数F。

2.2 理论计算结果分析

运用Matlab进行迭代运算得到理论安全系数结果，如表1所示。

表1 各个剖面不同含水状况下的安全系数

理论计算结果显示，边坡的安全系数在自然含水的情况下远小于要求的安全系数1.25。

由表1可知，当边坡处于干边坡状态时，该边坡是稳定的，而当其处于饱水状态时，该边坡是不稳定的，故针对该边坡的治理主要采取疏排水措施，尽量保证边坡为干边坡状态。

3 边坡治理方案

通过前文的分析计算可知，所研究的区域边坡安全系数均比较小，且已经发生过多处滑坡，为此，必须进行综合治理。就地形条件而言，放缓边坡是不太可能的，因此需要考虑加固，采用人工加固方法，以提高边坡的稳定性，确保边坡的安全。

3.1 抗滑桩作用机理

抗滑桩由于抗滑能力强、支挡效果好，一般被大量用于各类工程实际中。除此之外，抗滑桩还具有对滑体稳定性扰动小、施工安全的特点；桩坑可作为勘探井，验证滑面位置和滑动方向，以便调整设计，使其更符合工程实际等优点，通常与预应力锚索搭配使用，有更好的效果。

抗滑桩是一种被动加固措施，其自身并不能主动提供抗滑推力，亦不能增加不连续面自身的抗滑力。其作用原理如下：当滑动体下滑时，抗滑桩将产生被动推力，阻止推动体的下滑，而抗滑桩承受的推力将通过桩基传至滑面以下基岩。

根据抗滑桩的作用原理，抗滑桩所产生的抗滑能力大小直接与桩的强度有关。

3.2 加固力的确定

加固力是指人工加固措施所产生的力，即为了使边坡达到人们所期望的安全系数，必须通过人工方法提供给边坡的作用力。由此可以看出，必须选取合适的安全系数，才能确定加固力。加固力是加固措施设计的荷载依据，只有确定了加固力（即确定荷载），才可以进行加固措施的结构设计和强度校核，才能真正确保边坡的安全。

为了确定加固力，针对不同安全系数，分别计算出所需的水平加固力，如表2所示。

表2 各个剖面所需的加固力 单位：kN/m

3.3 加固方案的初步选择

由于各边坡之各剖面所需的加固力不同，在进行加固治理时，应选取合适的措施。经初步分析，该边坡加固措施建议如下。

当对该边坡进行加固时，Ⅰ-Ⅰ'剖面区段由于所需加固力很大，应设置5排抗滑桩，从上向下依次设置高程约为280m、260m、240m、225m、180～190m，抗滑桩抗滑力均为4000kN/m。

对于Ⅱ-Ⅱ'剖面区段，应设置5排抗滑桩，从上向下依次设置高程约为280m、260m、240m、225m，抗滑桩抗滑力均为5000kN/m。

对于Ⅲ-Ⅲ'剖面区段，设置3排抗滑桩，设置高程约为260m、225m，抗滑力为5000kN/m。由于抗滑桩设计抗滑力较大，应采用预应力锚索+抗滑桩的加固形式，桩长约为 40～ 70m。

4 结论

（1）通过M-P条分法确定了该边坡的安全系数，结果表明，在自然含水和饱水状态下，安全系数均小于1，边坡处在失稳状态下，需要及时对边坡进行治理，防止边坡失稳。（2）通过M-P条分法计算出该3个剖面所需的加固力，为下一步支护设计提供了依据。（3）初步确定设计了预应力锚索+抗滑桩的加固形式，以防止边坡失稳。