代佳雨

（贵州省水利水电工程咨询有限责任公司,贵州 贵阳 550081）

1 引言

随着我国水利事业的快速发展,我国现有水库已超过98000 座,其中,小型水库占比高达 95%,大约有93000 座,随着这些小型水库的长时间运行,其中的很多水库都出现了病害和险情[1]。本文以某水库为研究对象进行现场勘察,发现水库上游坝坡混凝土护坡部分有存在裂缝的情况,针对水库存在的问题,对水库上游边坡进行现场勘测。其边坡土质多为黄灰色砂土和岩土等构成,因此在边坡加固工程中,岸坡整体稳定性和不均匀沉降日益突出。在现有边坡上铺设覆盖土,以加宽和修复边坡时,需要稳定边坡表面来提高排水性能[2]。本文开发了一种采用带叶片的小直径穿孔钢管（以下简称为钢管）的边坡稳定方法,见图1。这些钢管横向安装在侧面,不仅是为了加固边坡,还为边坡提供排水。

图1 带叶片和过滤器的钢管

在本研究中,为了检验横向安装钢管对覆盖土稳定的加固效果,对实际边坡进行了离心机模型试验和现场试验。设置了两次试验：SF 情况和LF 情况,研究了加固区域和未加固区域边坡破坏机理的不同之处,阐明了承重板和钢管的加固效果。

2 增强效应及其机理

张逴[3]通过加载试验过程中观察了模型边坡中的应变分布,并提出了加固材料的有效配置。不少研究者展示了各种加固材料的设计模型,通过对模型边坡的卸载试验检验了加固效果[4-6],得出结论：（a）钢筋的抗拉阻力和（b）承重板或边坡框架的护坡方法相互影响。

传统的滑坡预防桩是垂直安装的,钢桩的抗弯刚度有助于滑移面的倾斜。其设计方法已确立,并对其加固效果进行了深入研究[7-8]。黄锦文等[9]指出,承重板和钢管抑制了钢筋下方土壤的移动,导致钢筋附近的围压增加,从而增加了覆盖土和原边坡接触面的抗滑阻力。图2 显示了除排水功能外钢管的预期加固效果。由于在该方法中未对钢筋施加预应力,因此需要用覆盖土的位移来调动管道的抗滑阻力。当管道的抗拉阻力被调动时,抗滑动安全系数可用基于极限平衡法的方程式见式（1）。当覆盖土位移变大时,覆盖土中的钢管会随着管道下方土壤围压的增加而向下弯曲。此时,由于围压（紧固效应）的增加,管道的抗剪阻力和覆盖土-原边坡接触面的摩擦阻力增加,安全系数可用方程式见式（2）。式中：Rn为钢管的抗拉阻力；Rs为钢管的抗剪阻力；Rt为钢管和承重板向下位移引起的紧固效应；W 为钢管加固有效区域的覆盖土重量；为覆盖土与水平面的倾角；L 为滑动面的长度；c 为滑动面处的粘聚力；为内摩擦角。在方程式中,假设钢管是水平安装的。

图2 预期的加固效果

3 岩土离心机边坡卸荷试验

3.1 试验过程

为了确认承重板和钢管的加固效果,在塔里木大学使用MarkIII 型离心机在现场进行了离心机模型试验。模型边坡的侧视图和前视图见图3。在本试验中,边坡高度为400 mm（原型高度为8 m,以下括号中的尺寸表示原型比例中的尺寸）。边坡倾斜角度为55°。边坡由两层（覆盖土和原边坡）组成,采用当地砂土制成,其特性见表1。在该边坡上,采用直径为4 mm（160 mm）的丙烯酸圆棒制成的模型管道水平放置在3×3 交错模式中,间隔为50 mm（2 m）。在底部第二排和第三排的管道上,安装了用铝板制作的模型承重板。铝块被放置在边坡的坡脚处,铝块被连接到钢制坚固箱内的千斤顶上。通过在40 g 的离心加速度下向外拉动块体,模拟了从坡脚开始的边坡破坏。

表1 砂土的特性（Dc=85%）

图3 模型边坡

3.2 结果与讨论

本文进行了两次试验；一是SF 情况下承重板尺寸为10 mm×10 mm（400 mm）,二是LF 情况下承重板尺寸为20 mm×20 mm（800 mm）。边坡破坏时的边坡前视图见图4。在SF情况下,覆盖土在钢筋H 和I 之间滑移。另一方面,在情况LF 中,没有观察到这种局部破坏。

图4 边坡坍塌时的边坡前视图

图5 显示了轴向力和单位宽度弯矩随滑块运动的变化。这些值以原型比例表示。在这两种情况下,轴向力从块体移动开始增加,而弯矩从块体移动大约20 mm～30 mm 开始增加,仅在SF 情况下。坡脚处的反作用力与块体运动之间的关系见图6。在这两种情况下,坡脚处初始反作用力均为26 kN/m。随着块体移动,在SF 情况下的反作用力增加,而在LF 情况下,反作用力降低至10 kN/m。在本试验中,由于覆盖土不能独立存在,即在没有加固的情况下,覆盖土会滑动,因此LF情况下,坡脚处的反作用力减小表明钢管和承重板能够抵抗覆盖土的滑动。例如,当块体位移为88 mm 时,钢筋提供的阻力为ΔRj=15 kN/m。利用方程式（1）和（2）,如果覆盖土重量W 恒定且c=0,则钢筋提供的阻力可通过以下方式求出：

图5 弯矩和轴向力随滑块运动的变化

图6 坡脚反作用力的变化

此时,由于轴向力和估算剪切力的变化分别为ΔRn=3.7 kN/m和ΔRs=1.7 kN/m,因此可估算由于紧固效应引起的阻力为ΔRt=3.6 kN/m。

4 实际边坡卸载试验

4.1 实验过程

试验边坡基本情况见图7。在试验中,通过开挖钢管下面的边坡来模拟从坡脚开始的边坡失稳。边坡高度为8 m,坡度为V∶H 为1∶1.33,在原边坡上覆盖0.6 m～1.0 m 厚的粉质土。原边坡主要由砾石混合砂土组成。这些土壤的性质见表2。用隔板将覆盖土划分为安装钢管的加固区域和无加固区域。钢管直径为76.3 mm,叶片外径为176 mm,管道长度为5.8 m。这些钢管分三排,间隔2 m 错排安装在边坡下半部分,两根测量用钢管安装在卸载试验开挖区域（GL+1.5 m）的正上方,仰角为5°。

表2 试验边坡中的土壤特性

图7 试验边坡示意图

4.2 结果与讨论

在本试验中,使用反铲将GL+1.2 m 以下的坡脚开挖至悬空,并测量了目标在边坡上的移动。悬挑开挖后的边坡见图8。悬挑开挖后,未加固区域的覆盖土立即坍塌,而加固区域覆盖土的切割面则独立存在。此时,应变计测得的拉力为0.08 kN,钢筋区域内钢管的最大弯矩为0.04 kN·m,均小于预测值。

图8 悬挑开挖后的边坡

根据未加固区域内边坡的破坏机理,假定边坡的破坏机理见图9。由于在实验室试验中,滑移面长度为1.5 m,c 为17 kN/m2,因此悬挑部分的估计抗滑阻力（W=13.3 kN/m）为1.5×17=25.5 kN/m。尽管粘性覆盖土对悬挑部分的脱落具有足够的抵抗阻力,但悬挑部分在未加固区域内坍塌。

图9 在试验中的强化效应

其原因可能是由于土体悬垂引起的力矩导致边坡表面开裂,无法提供足够的阻力。另一方面,在加固区域,由于钢管的抗拉阻力阻止了裂缝的形成,因此悬挑部分是独立存在的。

5 结论

本文通过离心模型试验和实际边坡的现场试验,研究横向安装钢管对覆盖土边坡稳定的加固作用。结果表明,横向安装钢管对覆盖土边坡稳定的影响是显著的。本研究得出的结论如下：

（1）离心机模型试验证实,当边坡上的覆盖土发生位移时,钢管提供的阻力,即抗拔阻力、剪切阻力以及钢管和承重板向下位移所产生的紧固效应都会被调动。

（2）在实际边坡上进行的边坡卸载试验表明,即使没有承重板,横向安装钢管也能最大限度地减少边坡表面裂缝的形成。