边坡稳定及参数选取.docx

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边坡稳定及参数选取

第四章堤防边坡失稳的除险加固

  汛期堤防边坡失稳包括临水坡的滑坡和崩岸与背水坡的滑坡，这些险情严重地威胁着堤防的安全，必须对其进行彻底的有效的治理。

   堤防边坡失稳的原因是多方面的，在除险加固前必须对引起失稳的原因进行仔细地分析判断，找出原因，有针对性的采用相应的除险加固措施。

加固工作必须以《堤防工程设计规范》为依据，精心设计和施工。

加固后堤防必须达到设计标准。

本章就边坡失稳除险加固的有关技术问题做一系统的介绍，主要内容包括边坡失稳的成因与分类，滑坡的安全复核，边坡除险加固技术和崩岸除险加固技术。

第一节边坡失稳的成因与类型

   一、边坡失稳的成因

   堤防建成后，在运用中可能会遇到各种各样的情况，如汛期河湖水位涨、落、冲刷；台风季节风浪的袭击；暴雨时的浸水以及生物洞等等均会使堤防边坡失稳。

现分述如下：

1.渗流原因

   在汛期，当河水位上涨到一定高度时，且持续时间又较长，堤身（在浸润线以下部分）将呈浸水的饱和状态，土体完全饱和后，抗剪强度降低，堤身的自重增加，相应的下滑力增大。

另外，渗流产生的渗透力，进一步增加了滑动体的滑动力。

综上所述，在渗流作用下堤身滑动体重量增加，抗剪强度降低和渗透力增加等均是导致滑坡产生的重要原因。

（二）水流冲刷浸袭原因

水流冲刷浸袭岸坡主要发生在临水坡。

如在河流凹岸部分，往往主流逼岸。

受环流冲刷特别是急流顶冲的作用，岸坡淘刷通常较为严重。

一旦岸脚防护设施抵抗不住水流的冲刷力，护脚将被破坏，使岸脚的坡度逐渐变陡，直至失去平衡引起岸坡失稳破坏，即为通常所说的崩岸险情。

这种破坏多发生在河道弯曲河势复杂的凹岸堤段。

在汛期的涨水过程中或枯水期都有发生。

另外，当水位退至滩地地面高程以下并且堤身内渗水又不能及时排出时，将产生反向渗透力。

再加上浸水饱和堤身自重增加和强度降低，往往会发生坍塌。

如不及时处理，坍塌会逐步向堤防坡脚逼近，直到坡脚，引起岸坡失稳滑坡。

这种滑坡均发生在临水坡。

（三）堤防地基问题引起的滑坡

堤防地基主要有两个问题，其一是地基的天然强度不够，其二是当截水设施失效时，由于大量渗水形成管涌而引起的堤防坍塌破坏。

本节只介绍第一个问题，第二个问题详见第三章。

造成堤防地基强度不够的原因是：

①堤防设计时选用的计算强度指标与实际强度不符。

出现这种情况的原因有：

没有进行堤防地基的土质调查，凭经验做堤；钻探过于简单，没有探查到堤防地基中软弱夹层或者探查深度不够等等。

②在软粘土地基上筑堤，由于施工速率过快，使其地基强度降低。

据大量工程经验，由于筑堤（填土）速度过快，使地基强度降低的幅度可达10～20％左右。

由上述可明显看出，由于地基问题而引起的岸坡滑动通常是深层滑坡，破坏一般均发生在施工期或竣工时。

（四）其它原因

堤身的填筑质量未达设计要求；新、老堤界面处理不当；暴雨时，雨水沿堤身裂缝渗入堤身内部，使堤身强度降低以及在堤脚下挖塘等人为因素，均有可能引起滑坡。

上述各项原因，其中任何一种或二种原因，甚至多种原因组合都能引起堤防滑坡。

二、边坡失稳的类型 

（1）按边坡失稳滑动的形式可分为浅层滑动与深层滑动，这里指的浅层滑动是指滑动体只局限於堤身或略带小部分堤基，如图4－1所示。

而深层滑动是指滑动体已深入堤基相当深的部位，比如滑动面深入地下5～8m深的滑动，如图4－2所示。

（2）按滑动的危害程度可分为危害性轻微的局部滑动，这种滑动主要是一些浅层滑动，它对堤的危害只局限于堤身的一部分，处理比较容易。

另一种滑动为危害极大的整体滑动，这种滑动主要是指那些深层滑动或者一些大范围的浅层滑动（沿堤纵向超过100m长的浅层滑动）。

这种滑动影响范围大，处理也比较困难。

这种滑动危害性大，必须及时处理，否则会酿成大祸。

   （3）按滑动发生的位置可分成以下三种：

即临水面滑坡，多发生在高水位的退水期或在出现了崩岸、坍塌险情的堤段；背水面滑坡，多发生在汛期高水位堤坡稳定或出现渗流破坏险情堤段；崩岸，多发生在汛中涨水期，枯水期也时有发生，位于临水坡前滩地坡度较陡的堤段。

图4－1浅层滑动示意

图4－2深层滑动示意

第二节堤坡稳定的安全复核

   一、堤坡稳定安全复核的内容

   堤防在汛期出现了滑坡，汛后必须对滑坡进行必要的处理。

在处理之前，必须合理地确定处理的范围，包括平面尺寸和深度。

   堤防发生滑坡后，从地表可以目测到滑坡顶部出现的裂缝及其长度和宽度、陡坎等。

沿着顶部裂缝，经仔细观察和简单探摸可以找出裂缝的走向及沿伸的范围，在滑坡的底部可以发现地面隆起。

严重时，在隆起部位的顶部会发现裂缝。

这样，经目测可大致划定滑坡体在平面上的分布范围。

参见图4－3。

   只凭目测滑坡平面位置分布还不能判定滑动体的立体分布，即不能确定滑动的深度。

确定滑动体的滑动深度，实质上就是要确定滑动面的位置，确定滑动面的位置有以下二种办法：

   ①探测法

图4－3目测滑坡的平面分布示意图

   探测法的理论依据是：

滑动面实际上是一个具有一定厚度的滑动带。

滑坡产生后，滑动带区域内土体已被完全扰动破坏。

被扰动破坏后的土体强度大大低於未扰动土体的天然强度。

完全扰动后土体的强度一般只有天然强度的一半，甚至更低。

由此用钻探或原位测试的方法，及时测出滑动带土体的强度就能很方便的判断滑动带所处的位置。

目前用钻探方法探测滑动面位置，大多采用现场测定十字板强度的方法，可参见图4－4。

图4－4十字板试验等探测滑动面位置

   ②稳定分析的方法

   一般情况下用探摸法是比较方便的，但有时因条件限制一时还不能实现用探摸法摸清滑动带的位置。

那么，进行必要的稳定分析也能大致判定滑动面的位置，具体做法是：

在现场找出滑动体的上缘及滑动体下出口，滑动体的上缘就是滑坡顶部裂缝处或堤顶塌陷的陡坎处。

滑动体的下出口就是堤脚的隆起的最高点（顶部）。

这二点就是滑动面的上下两点，这两点间滑动面形状可能有两种。

一种是圆弧形，另一种是复式滑动面，参见图4－5。

图4－5复式滑动面形状示意图

   圆弧形滑动面一般发生在均质土中。

复式滑动面发生在土体中较薄的软弱层，如未处理好新、老堤的新老堤界面处。

这样通过少量的试算即可找出通过上、下二点的滑动面位置。

滑动面所包围的土体即为滑动体。

   在做堤坡稳定安全复核时，应对堤身、堤基的土质情况（强度、容重、土性等）及堤体浸润面做些调查和测试，以便较准确地确定计算指标。

另外，对计算的外界条件（即发生滑坡的外界条件）要详细的调查了解分析，如滑坡时河流湖泊中的水位、降雨情况、活荷载等。

   综上所述，堤坡稳定的安全复核是滑坡除险加固的必要的准备工作，也是除险加固方案的安全合理选择的基础。

   二、堤坡稳定安全复核的基本依据

   堤坡稳定的安全复核应按《堤防工程设计规范》中规定的抗滑稳定计算进行，现摘要介绍如下：

（一）计算强度的选择

   做堤防抗滑稳定分析时，土的抗剪强度指标可采用三轴抗剪强度，直剪强度。

应根据堤防的工作状态和采用的计算方法选用不同的强度指标，详见表4—1。

表4—1土的抗剪强度试验方法和强度指标

堤的工作状态

计算方法

使用仪器

试验方法

强度指标

施工期

总应力法

直剪仪

快剪

Cu，Φu

三轴仪

不排水剪

稳定渗流期

有效应力法

直剪仪

慢剪

C'，ϕ'

三轴仪

固结排水剪

水位降落时

总应力法

直剪仪

固结快剪

Ccu，Φcu

三轴仪

固结排水剪

当堤基为饱和软粘土，并以较快的速度填筑堤身时，可采用快剪或不排水的现场十字板强度指标。

（二）计算荷载的组合

   1.正常情况下稳定计算的荷载组合：

（1）设计洪水位，核算背水坡稳定性；

（2）高水位骤降，核算临水坡稳定性；

    （3）施工期（包括竣工时）背水坡和临水坡稳定性。

   2.地震情况下稳定计算的荷载组合：

   在一般洪水位时，遭遇地震，核算背水坡和临水坡的稳定性。

   另外，在暴雨下应根据填土的渗透性和堤坡防护措施，核算暴雨或连续长期降雨时堤防边坡的稳定性。

   三、堤坡稳定安全复核的方法

（一）圆弧滑动法

   1.规范规定的圆弧滑动法

  土堤堤坡稳定计算由于选用的土体抗剪强度不同，分为总应力法和有效应力法，其计算公式如下：

（1）总应力法

   1）.施工期抗滑稳定安全系数按下式计算：

   2）水位降落期抗滑稳定安全系数可按下式计算：

（2）有效应力法

稳定渗流期抗滑稳定安全系数可按下式计算：

式中：

b为条块宽度（m）；w为条块重量；w=w1+w2+rwzb（KN）；w1为在堤坡外水位以上的条块实重（KN）；w2为在堤坡外水位以下的条块浮重（KN）；z为堤坡外水位高出条块底面中点的距离（m）；u为稳定渗流期堤身或堤基中的孔隙压力（KPa）ui为水位降落前堤身的孔隙压力（KPa）；β为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角（度）；rw为水的密度（t/m3）；Cu，Cu，Ccu，ϕcu，C'，ϕ'为土的抗剪强度指标（KN/m2，度），详见表4—1。

以上三式计算示意图如图4—6。

图4—6圆弧滑动计算示意图

式（4－1）、（4－2）和（4—3）式计算的安全系数K，是在假定圆弧后得出的，因此，随便假定一个圆弧算出的K值并不是最小值，换句话说，该圆弧不是最危险的，一般情况，必须通过试算多个不同的圆弧，从中找出最小值，对于计算不十分熟练者来说，计算工作量将是比较大的，由于计算机的普遍应用，并有成熟的计算软件可供使用，可大大的减少人工计算工作量，为圆弧滑动分析提供了极大的方便。

   2.“φ＝0”圆弧滑动法

   大多数堤防工程采用人力挑土填筑，堤身的质量难以保证。

针对这一实际情况，南京水利科学研究院在60年代开发了“Φ＝0”圆弧滑动法计算图表，为工程技术人员进行圆弧滑动法计算提供了一定方便，在一时难以进行电算的情况下，还有一定的使用价值（本法适用于深层滑动稳定分析）。

现介绍如下：

（1）“φ＝0”圆弧滑动法的基本假定：

   1）软粘土地基强度随着深度的增加成正比例增加。

这一假设基本符合正常固结沉积软粘土的强度随深度增加而增大的规律。

这也是沉积软粘土的一个重要特征。

   2）堤防（堤身）做为滑动体，圆弧通过地基土时，地基土的抗力做为阻滑力，两者相比即为堤防的稳定性安全系数。

（2）“Φ＝0”圆弧滑动稳定分析计算方法的计算（如图4－7所示）。

   通过图4－8，图4－9，及图4－10。

可很方便地的进行计算。

图4－7“Φ＝0”圆弧滑动稳定分析简图

图4－8k/τ0～g关系图

图4－9k/τ0～θ关系图

图4－10k/τ0～x～f关系图

其计算的具体步骤如下：

   1）确定下列资料

   a.堤身容重r（低水位下用浮容重，高水位上用湿容重，浸润线与低水位间部分用饱和容重），堤身的几何形状（高度h，边坡1：

m，堤的顶宽和底宽）；

   b.地基土的强度沿深度的变化线，用轻便型十字板剪力仪测定，如图4－7所示，求出τ0和K值以及算出k/τ0之比值。

   2）计算分析（参见图4－7）

   a.绘出作用地基上的荷载图，取其底面任意点A，即ABCD为滑动体，并按下式计算出fA和WA值。

（fA为A点距ABCD滑动体重心的水平距离，WA为滑动体ABCD的总重量）。

fA=[x2+l（x+l/3）]/（2x+l）       （4-4）

wA=（hx+hl/2）r                    （4-5）

取出的滑动体是任意形状时，fA与WA的计算式的求法如下：

参见图4－11。

图4-11滑动体为任意形状求Fa、wa示意图

fA=（∑FiXi）/∑Fi             （4-6）

wA=∑γiFi                     （4-7）

   b.用k/τ0和fA值从图4－10查出X值，以W极＝Xτ0算出W极值。

   c.按下式计算安全系数KA。

   KA＝wA极wA实             （4-8）

   KA即为任取A点所得的稳定安全系数。

   d.在A点左边或右边相隔0.5~1.5m再取一点，重复步骤Ⅰ.Ⅱ.Ⅲ.算出相应的安全系数（如取A点右边一点算出的安全系数已小于A点的安全系数，则不需在左边取点计算）。

   e.重复步骤Ⅳ，直至求出最小安全系数Kmin时相应的f值和k/τ0值，从图4－8和图4－9上查出相应的θ和g，即可绘出最危险的圆弧位置。

   （3）算例

   某堤防，坝身容重γ=1.49t/m3，坝身几何形状及地基强度的变化曲线（轻便型十字板强度）如图4-12所示

图4－12某工程“Φ＝0”分析计算成果图

1）求最小安全系数

   a.取堤中心点做第一次计算，即图4－12所示，计算堤中心A点的fA及WA：

   b.用k/τ0＝0.1513（1/m）和fA＝5.88m从图4－10上查出X＝104.8，算出WA极＝104.8×0.82=85.8t/m。

   c.安全系数KA＝85.8/65.5=1.31

   d.在A点右边相隔1.5m取点①，按上述步骤算出安全系数K1＝1.258，（因K1

   e.为求最小安全系数，在①点右边相隔1.0m取②点，算出K2＝1.28,固F2K2

   2）绘出最危险滑动面

   从相应于K2的f2＝4.75m，k/τ0～＝0.1513（1/m），从图4－8和图4－9，查出g=8.4m,θ=54.5°，以此二值绘出最危险滑动面如图4－12所示。

（二）复式滑动面法

   如前述，滑坡的滑动面一般是圆弧形，利用圆弧滑动法可以得出较理想的结果，但实践中发现，滑动面并不一定是圆弧形，而是由圆弧～直线相结合形成的复合形滑动面。

出现这种情况的原因是，堤身或地基中存在着比较明显的软弱夹层，滑动面很容易在这些软弱层中形成，如堤防中新、老堤接触面，堤基表面的淤泥层等，为能较好的反映这一实际滑动情况，在《堤防工程设计规范》中规定，宜采用改良圆弧法，即复式滑动面法，其计算分析简图如图4－5所示。

复式滑动面的计算式如下：

K=（Pn+S）/Pa                      （4－9）

式中：

S=Wtgϕ+CL；W为土体B'BCC'的有效重量（KN）；C，ϕ为软弱土层的凝聚力（KN/m2）及内磨擦角（度）；Pa为滑动力（KN）；Pn为抗滑力（KN）。

   复式滑动面同圆弧滑动面计算一样，必须通过试算才能求得最小安全系数。

   四、确定实际滑动面位置的具体做法

   一般情况下，均质堤防，地基没有明显的软弱层，堤基表面的耕土杂草、浮泥，新老堤接触面等均进行了清除与处理，那么，滑动面大多呈圆弧形滑动面。

因此，本节只介绍利用圆弧滑动面法，确定实际滑动面位置的步骤。

   1.滑动面的上口与下口的确定。

当滑坡发生后，滑动面最顶部将出现明显的裂缝或陡坎，（土体上下错开），这就是滑动面上口，而滑动面最低部将隆起，在隆起体的顶部将会出现较明显的裂缝，一般仔细观察可目测到，这裂缝或隆起体最顶部就是滑动面的下口。

   2.通过试算确定滑动面的位置

   找到了滑动面的上口和下口后，即可用试算法确定滑动面的位置，具体做法如下：

   参见图4－13。

图4－13实际滑动面计算示意图

   如图4－13所示，A为滑动面上口，B为滑动面下口，即A、B为滑动面上的已知二点。

换句话说，滑动面必须通过A、B二点。

通过直线AB的中点E做垂线OE。

然后，在OE线上任选一点Oi，以Oi为圆心，OiA（或OiB）做半径，此圆即为通过AB的一个圆弧滑动面，计算该滑动面的稳定安全系数Ki，然后，在OE线上距Oi一定距离，比如1m或2m等再找一点Oi下，同上步骤计算出Ki下，直至算出Ki上>Ki

此滑动面所包围的土体即是该滑坡的滑动体。

滑动面最低点即为滑弧的最大深度。

   五、安全系数的选用

   （GB50286-98）《堤防工程设计规范》对土堤的抗滑稳定安全系数做了明确的规定，现摘录如下：

表4－2土堤抗滑稳定安全系数

堤防工程的级别

1

2

3

4

5

安全系数

设计条件

1.30

1.25

1.20

1.15

1.10

地震条件

1.20

1.15

1.10

1.05

1.05