某高边坡稳定性分析及支护设计研究

第三章高边坡破坏机理及稳定性分析随着国民经济的发展，我国的桥梁公路，水坝等建设取得了迅猛的进步，在道路运输中的作用也日益凸显。

由于目前高速公路，桥梁，大坝等大型工程的建设，导致山体部分挖空，截断，在建设工程完成后周边很容易形成高边坡。

其变形量大，资金投入高，增加项目施工工期，在不利环境气候条件下还可能引起滑坡等灾害，会阻碍交通，造成人员伤亡，经济损失等不利影响，因此对于研究高边坡形成原因，破坏机理及其稳定性的研究很有必要[1][2]。

3.1 研究区域边坡破坏模式分析3.1.1边坡破坏形成原因3.1.1.1边坡地质条件[3]坝址位于出山口处，呈不对称“U”型谷，如下图所示：图3.1 高边坡周边环境图河谷走向近南北向，河床宽40～100m，河床高程1230～1232m，沟宽20～80m，与河流近于垂直。

左岸地形陡竣，坡角40°～50°，山顶高程1376m，阶面宽150～200m左右，具二元结构。

Ⅲ级阶地形成以后，由于河流下切形成宽约35～40m，深约10～15米的现代河床，Ⅱ级阶地保存不完整。

Ⅲ级阶地残留有古河槽。

Ⅲ级阶地以后地形变陡，基岩裸露，山坡坡角40°～45°，山顶高程2100～2300m。

库区地层岩性：主要分布石炭下统阿吾拉勒组（C1a）的一套滨海相火山岩—火山碎屑岩建造，岩性为中酸性熔岩，英安质凝灰岩、晶屑岩屑凝灰岩、凝灰质砂岩和角砾凝灰岩夹少量灰岩透镜体，第三系上新统（N2）的紫红色泥岩、泥质砂岩、砂砾岩（主要分布于下坝线上游300～400m和下坝线下游100～350m处，出露宽度100～300m）。

第四系地层在库区分布广泛，上更新统～全新统冲积（Q3-4al）砂砾石层（上更新统冲积砂卵砾石层分布于河两岸Ⅰ～Ⅲ级阶地，厚5～15m；全新统冲积砂卵砾石层分布于现代河床，厚度约3～8m）和全新统崩积、坡积（Q4col+dl）含块碎石土层（分布于两岸山坡，厚度约3～8m）。

工程区具有明显的崩塌性质的岩质塌滑体，发育在多组裂隙相互切割的凝灰岩之中，滑体组成物质主要为大小块石，位于下坝线上游1.2～1.5km，河谷两岸陡峻，该段有两组裂隙发育，切割深度5～10m。

在该段发育三条产状为40°～55°NW∠40°～60°断层，面多呈舒缓波状，破碎带宽0.2～1.0m，以碎裂岩为主。

如下图所示：图3.2 高边坡外部岩体由于裂隙的切割和断层的影响，在该处可能会产生小的崩塌及掉块，估计方量1.5万m3左右；另在左岸坝肩基岩裸露地段，因岩体卸荷强烈，局部存在一些小的不稳定岩体，并可能产生小的崩塌及掉块，估计方量在数千方左右；此外，水库蓄水后，部分岸坡表层的饱水松散堆积物，可能会发生顺坡蠕滑失稳现象，因其规模有限，不致影响水库以及大坝正常运行。

3.1.1.2河流侵蚀[4][5]坝址区内地表水和地下水均源于博罗科努山南坡和阿吾拉勒山北坡冰雪融水、大气降水及基岩裂隙水的补给。

地下水主要赋存于岩体发育的各种结构面中，尤其是浅层风化卸荷带内的结构面相互切割、多张开且贯通性好，是基岩裂隙水的主要径流、赋存空间。

图3.3 高边坡周边河流根据坝址区地表测绘及左、右岸钻孔地下水动态观测资料分析，坝址区右岸平台地下水位高程1233.37～1264.49m，高于河水位约1～30m，坝址区左岸地下水位高程1234.02～1247.6m，高于河水位约2～14m。

由此可以看出：坝址区河谷两岸地下水位均高于河水位，由两岸向河床径流排泄，因此，区内地下水补给河水。

近代河流下切较为剧烈，在重力作用下发生滑移-弯曲变形，促发滑坡的形成。

3.1.1.3地震作用[6]根据滑坡前缘碎石土夹巨石，可以推断发生过强烈的地震作用，地震对岩质坡体稳定性的影响表现为累积效应和触发效应两个方面。

累积效应主要表现为地震作用引起岩体结构的松动，造成坡体顶部岩体拉裂和剪切变形，加剧层面的错位。

触发效应主要表现为地震作用加速了拉裂面的贯穿，造成坡体瞬间失稳。

在该区域范围包括了两个一级大地构造单元，北部为哈萨克斯坦-准噶尔板块，南部为塔里木-华北板块，两者之间以博罗克努-阿其克库都克深大断裂为界。

该二级枢纽工程场地位于塔里木-华北板块的阿乌拉勒晚古生代弧后拉张盆地北部。

工程区场区在地质构造部位上，处在北天山纬向构造带西部的凹陷的中部，北部为博罗克努古生代岛弧，南部为伊宁地块的巩乃斯山间坳陷。

近场区的主要断裂为阿乌拉勒山北坡断裂。

工程区位于天山地震带西段，处在伊宁6.5级潜在震源区内，属地震活动不太强烈的地区，工程区25km范围内，基本上没有大于5.0级以上的地震发生。

根据国家地震局2008年所作的《新疆艾比湖生态环境保护工程场址地震安全性评价报告》，50年超越概率10%地震动峰值加速度分别为227.7gal，相应地震基本烈度为Ⅷ度。

3.1.2边坡破坏理论模型3.1.2.1弹性压杆理论分析模型[7][8]对于边坡破坏的理论模型，从最开始考虑二维模型，应用压杆理论，采用欧拉公式的受杆整体稳定性来进行分析。

如刘钧基于弹性压杆理论通过对顺层边坡力学破坏模型进行纵向与横向作用力力学分析，其一般受力形式如下图所示：yxL0LPpABC图3.4 表层岩石弯曲破坏力学模型利用能量方推导出理论计算公式。

公式如下：错误！未找到引用源。

（3-1）上式中：错误！未找到引用源。

；crP——A B两端固定的压杆的临界力；（3-2）错误！未找到引用源。

（3-3）错误！未找到引用源。

（3-4）式中，错误！未找到引用源。

——岩层倾角；错误！未找到引用源。

——层面间的内摩擦角；错误！未找到引用源。

——层面间的内聚力；错误！未找到引用源。

——岩体弹性模量；错误！未找到引用源。

——计算坡体长度；L——整个坡体长度错误！未找到引用源。

——B点处的下滑力。

3.1.2.2弹性梁法分析模型[9][10]在二维弹性压杆理论的基础上，根据实际情况，采用三维的弹性板理论来进行分析，如李树森、任光明等则结合典型的滑移-弯曲型边坡形式，建立板梁力学模型来进行受力分析，其微段如下图所示：yα0x L水平线h图3.5 板梁力学模型图上图中其长度L为模型梁的长度，h为模型梁的高度（厚度），建立平面坐标系来模型滑坡时的形态，其倾角设定为α。

假定模型的边界条件在左端固定，在y向，在y＝h/2 处自由，在y＝-h/2 处，受下部支承和摩擦阻力。

将板梁简化成了一个沿轴向压缩和附加弯曲的迭加受力模式，如下图所示，P1轴向均布荷载，坡顶集中荷载P2。

P1 y P2x图3.6 板梁受轴向压缩和附加弯曲图对于多层梁的情况，忽略各层接触面之间错动时摩擦力做的功。

设各层（共n层）的挠度形函数相同，材料相同，且厚度h 相同时，设此板梁的曲线变形函数错误！未找到引用源。

，在根据能量平衡原理分析，临界状态均布荷载的表达式为：错误！未找到引用源。

（3-5）错误！未找到引用源。

（3-6）坡顶没有集中荷载，因此P2=0，顺层斜坡临界溃决破坏的的坡长为：L cr错误！未找到引用源。

（3-7）适用条件为错误！未找到引用源。

上式中错误！未找到引用源。

Lcr/L，K——稳定性系数；L——实际坡长；L cr——临界坡长。

3.1.2.3 弹性板法分析模型[11]李小丽、周德培用弹性板理论，建立了弹性板力学模型，如下图所示：图3.7 弹性板几何模型图3.8 边坡弯曲变形模型能量法分析顺层岩质边坡的弯曲失稳机理进行分析，推到处极限平衡公式为432422sin 02K h K a H a LH a K b b γα⎛⎫⎛⎫--+-+= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭（3-8） 式中 ()232121Eh K πμ=- （3-9） 临界应力为 ()22222221121cr Eha b a πσμ⎛⎫=+ ⎪-⎭⎝ （3-10） 下滑力为 *sin 2L a aH h γσα-=+ （3-11） 3.2 研究区域边坡稳定性影响因素分析3.2.1地形地貌影响研究区地形地貌形态整体上为中低山区河谷构造侵蚀斜坡地貌，滑坡体在滑面上的重力分量很大程度受地形地貌条件影响，区内海拔高程在850m-1260m ，前后高差390-410m ，；从纵向上看，滑坡表表面呈梯坎状，斜坡坡度呈“陡-缓-陡”，前缘与后缘坡度相对较陡，为25-28°，中部相对较缓，为18-25°，从横向上看，中部与后部呈中间低两侧高的凹槽，前部呈右侧（北东侧）高凸，左侧（东南侧）低凹，利于降雨地表水入渗；坡体内冲沟较发育，左侧较右侧发育，在左侧冲沟两侧出现与冲沟平行的张开裂隙；前缘凸向对岸，受河水侵蚀，形成的滑塌陡坎，具备了临空滑移变形条件。

3.2.2 岩土体结构影响该滑坡滑体物质组成主要较松散的碎石土与块碎石土，为老滑坡堆积体风化解体的产物，主要特征为粒径大小差异大，颗粒级配差，结构多零乱，无明显的层理，结构较松散，孔隙大，透水性强，压缩性较低。

由于地表泉出露与降雨量丰富，由于土体透水性较强，碎石与块石母岩为千枚岩，力学性质差，质软，遇水易软化、泥化、且极易风，容易形成地下渗流通道，大气降雨入渗坡体后， 水下渗到快碎石土的底部后，由于覆界面处分布的一层含角砾粉质粘土为滑坡物质结构中的相对隔水层，且下伏基岩的强度大，渗流系数更小，水难以继续往下伏地层渗流，只有沿基覆界面富集、运移，软化接触面上的岩土体，为地下水与雨水入渗提供良好的运移通道，对其接触面进行软化，降低其抗剪强度，形成滑动面。

加上水在全风化千枚岩中积聚更多，使全风化层自重增加，增大滑坡形成的可能。

因此在多雨季节，容易发生滑坡。

3.2.3地震影响从区域上看，研究区位于地震断裂带内，该构造带三条主干大活动断裂带均有破坏性地震的记录。

地震队研究区斜坡影响较大，地震主要是通过斜坡波动震荡产生，受08年强震的影响，滑坡后缘位于坡肩处，且坡度在25-28°，有地震放大效应，在后缘形成多条断续延伸裂隙，为后期降雨的入渗提供通道；并且地震使斜坡结构更加松散，为地表水入渗坡体转化为地下水创造更有利条件；由于坡体地下水较低，地震产生超静孔隙水压力迅速增大，使抗滑力减小，下滑力增大。

3.2.4 降雨影响坝址区砂卵砾石层主要分布在现代河床和右岸Ⅲ级阶地，根据原位渗透试验，渗透系数K20=2.3×10-3～7.4×10-2cm/s，属强～中等透水层。

下石炭统(C1a)晶屑岩屑凝灰岩为构成坝基的主要岩体，其透水性受岩体风化程度及节理发育程度所控制。

受地质构造影响，坝址基岩微裂隙发育，岩体透水性较强，透水率往深部变小的趋势不明显，且规律性较差，常出现连续三段压水试验小于5Lu或3Lu后，下部压水试验又大于5Lu或3Lu的现象。