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深切峡谷陡坡段倒虹吸施工对边坡稳定性影响

2024-09-29 188 上传者：管理员

摘要：九道河倒虹吸位于云南省楚雄市禄丰县境内西河峡谷，谷峰相对高差280 m～360 m，河谷呈“V”形，是典型的深切峡谷。以九道河倒虹吸工程为背景，针对深切峡谷陡坡施工期间边坡安全稳定性分析，采用GeoStudio软件中的SLOPE/W模块建立边坡模型，主要分析边坡段倒虹吸镇墩采用不同的施作顺序对边坡安全稳定性的影响。根据不同施作顺序边坡安全稳定性的变化情况，寻找更为合理的施作顺序，分析结果对同类型工程的施工有着实际的指导意义。

关键词：
Bishop条分法
倒虹吸施工
深切峡谷
滇中引水工程
边坡稳定
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边坡稳定问题在房建、公路、铁路、水利等建设工程中往往是决定工程能够顺利运行的关键因素[1,2]。目前，边坡稳定性分析方法主要有有限元单元法、有限差分法和极限平衡法等方法。极限平衡法由于理论简单，可得到明确的安全系数值以及潜在滑动面而得到广泛应用。常用的极限平衡分析的主要方法有：瑞典条分法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法等[3,4]。本文针对滇中引水工程禄丰段九道河倒虹吸工程，运用目前较为成熟的Geo Studio软件中的SLOPE/W模块建立模型，进行边坡稳定性计算。

1、滇中引水及楚雄输水总干渠工程概况

滇中引水工程是云南省可持续发展的战略性基础工程，工程从金沙江上游石鼓河段取水向滇中城镇生活及工业供水、同兼顾农业与生态，以解决云南省社会经济发展的核心区严重缺水问题。

工程输水总干渠跨滇西北、滇中及滇东南地区，全长664.236 km，设计流量135 m3/s～20 m3/s，共划分为大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段和红河段等6段。输水、消能建筑物共118座，其中隧洞58座、长611.986 km，渡槽17座、长3.7 km，倒虹吸25座、长42.595 km，暗涵15座、长4.891 km，渠道消能建筑物3座、长1.064 km。

2、九道河倒虹吸工程简介

九道河倒虹吸位于云南省楚雄市禄丰县境内西河峡谷，是楚雄段输水总干渠的重要建筑物，谷峰相对高差280 m～360 m，河谷呈“V”形。西岸坡总体地形坡度25°，东岸坡体地形坡度31°。倒虹吸轴线沿两岸山脊布置。

九道河倒虹吸全长717.442 m，轴向总体东偏北，上接九道河隧洞，下连鲁支河隧洞，采用3根4.2 m圆形钢管输水。九道河倒虹吸钢管沿线共设6个镇墩（上游4个，下游2个），见图1。

图1 九道河倒虹吸纵剖面图

本文以上游段边坡即西河右岸边坡为例，分析上游天然边坡时的稳定状态以及施工期边坡的稳定状态。表1和表2所示为根据地勘资料得到的九道河倒虹吸土体和风化岩体的主要物理力学参数建议值。

表1 九道河倒虹吸土体主要物理力学参数建议值

表2 九道河倒虹吸岩体主要物理力学参数建议值

3、简化Bishop条分法

条分法基本原理是将具有圆弧滑动面的滑体按竖直划分成若干个条带，把每一土条看作刚体，分别进行受力分析，然后根据力以及力矩平衡求解整个土坡的稳定性。最先提出这种方法的学者是瑞典学者彼得森（Petterson K E），他在1915年首次通过圆弧滑动法来分析边坡的稳定性，随后得到了广泛应用，因此该方法也被称之为瑞典圆弧法。但瑞典条分法较为简化，因此，又有学者针对瑞典条分法进行了改进或创新。其中，Bishop于1955年提出了一个考虑条块间侧面力的改进方法，形成了简化Bishop条分法，获得的安全系数的计算公式如下所示：

式中，K是所求的边坡安全系数，αi是条底面中点的法线与竖直线的夹角，bi为土条宽度，Wi土条的重量，ci为土条底部的黏聚力。

此外，公式（1）中参数mαi可由下式求得

式中，φi为土条底部的内摩擦角。

由上式可以看出，采用公式（1）求解边坡安全系数时，因为公式（2）所求参数中包含有安全系数K，不能直接求解出安全系数，而是需要采用试算的方式。具体方法可参考相关的土力学书籍，如文献[3]和[4]。

4、天然边坡稳定状态分析

图2 倒虹吸上游段岸坡剖面图

在倒虹吸施工前，首先分析天然边坡稳定性，本文采用Geo Studio软件中的SLOPE/W模块分析边坡的稳定性[5]。SLOPE/W软件是全球先进的岩土边坡稳定性分析软件之一，SLOPE/W使用极限平衡理论，可以对简单或复杂的边坡进行稳定性分析，且能够得到可靠的结果[6,7]。

根据图1所示设计资料中的倒虹吸纵剖面图，在软件中建立倒虹吸上游段边坡的剖面模型，如图2所示。根据地质勘测资料，边坡地层分布从上到下分别是残坡积层，全风化层，强风化层，弱风化层和未风化层。残坡积层和全风化地层对应的主要物理参数见表1，强风化层、弱风化层和未风化层对应的主要物理参数见表2。

本文选用Slope/W模块中的简化Bishop条分法计算边坡的稳定安全系数，滑动面采用“网格和半径”方式定义，如图3所示。图中矩形网格结点定义了滑动面圆弧中心，坡体中的虚线到对应圆弧中心的距离定义了滑动面的半径。天然边坡安全系数计算结果为1.107，说明天然边坡初始处于稳定状态。

图3 边坡稳定安全系数计算结果

图4 边坡开挖后镇墩未施工时边坡安全系数

图5 1#-4#镇墩施工完成后边坡安全系数

5、施工期边坡稳定状态分析

倒虹吸施工期间，会对两岸的边坡稳定产生影响。施工时，将地表残坡积层土体挖除，在边坡上施作镇墩。镇墩采用封闭式，镇墩混凝土强度等级为C30，倒虹吸钢管直径为4.2 m，外部为镇墩混凝土，外包混凝土厚1 m。在镇墩范围内倒虹吸管上半周配置倒“U”型锚筋，锚筋伸入倒虹吸管腰线以下1.5 m。图5箭头所示为倒虹吸上游段4个镇墩所处位置，从上至下分别为1#镇墩，2#镇墩，3#镇墩和4#镇墩。

在本文中，将镇墩重量简化为集中荷载作用于边坡表面上。1#-4#镇墩重量根据设计图纸分别可计算得到约为：290 k N,290 k N,150k N和290 k N，将该荷载在SLOPE/W模块中添加到边坡表面镇墩对应位置处。该边坡在残积坡层开挖未施加镇墩荷载时，其安全系数未1.413（见图4）。表3所示为分别施加1#-4#镇墩荷载时对应的边坡安全系数。

表3 施加镇墩荷载边坡安全系数值

从表3可以看出，边坡镇墩在施工时，如果按照从上至下的施工顺序，即先施工1#镇墩，最后施工4#镇墩，则边坡的安全系数在初始施工1#镇墩后会下降为1.336，之后在施工2#、3#和4#镇墩时边坡安全系数保持为1.336。镇墩如果按照从下至上的施工顺序，则边坡安全系数在施工4#镇墩后略微下降为1.408，在施工2#和3#镇墩时边坡安全系数保持为1.408，最后在施工1#镇墩后边坡安全系数降为1.336。从以上不同的施工顺序中可以看出，边坡的安全系数主要受控于1#镇墩的施工，1#镇墩的施工会使边坡安全系数下降到1.336。

6、结论

从上文分析结果可以看出，倒虹吸镇墩的施工对边坡稳定性存在一定影响，且因为四个镇墩在边坡上的位置不同，不同镇墩施工顺序，即从上至下施工镇墩或从下至上施工镇墩，对边坡实时的稳定安全系数影响不同。本例中1#镇墩（最上部的镇墩）的施工对边坡安全系数的影响最大，在实际施工中可以考虑最后施作1#镇墩，采用从下至上的镇墩施工顺序，从而使得边坡在前期的镇墩施工过程中能够保持较高的安全性。

参考文献:

[1]王艳巧,李一雷,刘康,等.土工袋排列方式对砂性土质边坡加固影响试验研究[J].岩土工程学报,2020,42(S2):208-213.

[2]刘立权.山区高速公路高边坡稳定可靠性研究[J].公路,2016(1):57-62.

[3]钱德玲.土力学[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[4]卢廷浩.土力学[M].南京:河海大学出版社,2005.

[6]吴启红,李文渊,明承林.基于折线形滑动和SLOPE/W模拟的滑坡稳定性对比分析[J].成都大学学报:自然科学版,2011,30(2):134-138.

[7]胡宣,刘宏,毛吉成,等.基于Geo-Studio的高边坡稳定性分析[J].路基工程,2020(209):35-38.

基金资助:安徽省自然科学基金“水科学”联合基金项目(2208085US01);

文章来源:李怀国,向子云,陈梦,等.深切峡谷陡坡段倒虹吸施工对边坡稳定性影响[J].科学技术创新,2024,(21):171-174.