船闸地基处理与边坡稳定控制技术

地基是与船闸基础相接的岩土部分，它直接承受上部建筑物的荷载作用并保持建筑物所需的稳定状态。当天然地基不能完全满足建筑物的承载力或变形控制要求时，就需采用工程措施进行加固处理。船闸地基加固处理的方法、难度及工程规模与整个水利枢纽的选址关系密切，涉及因素众多，在满足功能前提下，枢纽区域地质条件是最重要的因素之一，它将直接影响整个水利枢纽的技术经济指标、各建筑物的布置及运行状态，选定某一坝址是综合考虑各方面因素的结果。一般情况下，水利枢纽为了集中利用上、下游水位落差的势能、节省工程投资或追求较大的兴利库容，多布置在河流峡谷出口，这种坝趾的地质条件一般较好，地基多为岩基，处理工程量相对较小。有些水利枢纽选址在平原冲积河段，如连接两条水系的以通航为主的航运枢纽等，这类枢纽为减少基础处理的工程投资，虽亦尽量将坝址选在能满足建筑物承载力的天然地基中，但有时受河势制约，部分或全部水工建筑物可能布置在软弱的地基上，相应增大了地基的处理难度和费用。

此外，水利枢纽中各建筑物布置的相对位置，对船闸地基处理的影响很大。根据水利枢纽布置的一般原则，泄洪建筑物一般布置在河床中部，两侧岸坡部位布置电站或通航建筑物。为了保证通航建筑物的通航水流条件，有时需用隔流堤或导航墙将通航建筑物上、下游航道与河流泄洪或发电的引、泄水主流分开，以形成相对稳定的流态，这些附属建筑物有时亦需进行基础处理。当河流断面较窄时，通航建筑物需在枢纽岸坡附近专门开挖闸室及引航道，势必增加地基开挖及边坡处理的工程量。

在整个船闸结构中，枢纽挡水线上的闸首，属枢纽挡水建筑物的一个组成部分，结构型式一般为重力式，对地基的要求相对较高；闸室墙及底板主要形成船舶（队）在内升降的空间、布置系船设施及冲、泄水系统，可根据地基条件灵活采用重力式或扶壁式等轻型结构，地基处理工程量相对较小。船闸结构对地基的要求可概括为以下几个方面：

（1）具备足够的承载能力，能承担上部建筑物的重力、水压力、岩土压力，以及其他荷载（如温度、地震等）共同作用下施加给地基的荷载。

（2）能保证在各种荷载作用下，沿建基面或地基内部不利结构面的抗滑稳定。

（3）具备足够且均匀的变形模量，减少建筑物的不均匀沉降，避免产生过大的结构应力或因变形过大影响建筑物的正常运行。

（4）具有足够的抗渗性，能保证软弱结构面的渗透稳定。

由于天然地基在漫长的地质年代中，遭受各种构造营力作用，存在性质不同、程度不等的水文和工程地质缺陷，对所有难以满足上述各项要求的地基，必须采取工程措施予以加固。

3.4.5.1 岩基处理

船闸地基岩层在利用前，一般需根据地质资料及试验成果，综合考虑上部结构型式，确定建基面的岩体利用标准，即确定地基的开挖高程。重力式船闸基础一般要求坐落在新鲜或微风化岩面上，但岩体本身是非均质的，新鲜岩体内部，往往存在断层、夹层、裂隙、溶洞等缺陷。这些相对于区域地质环境较小的断层、夹层等结构面，相对于船闸结构的尺寸和安全，则可能是巨大的、乃至致命的地质缺陷。这就是地基处理的重点，处理措施通常采用的有：挖除、掏挖回填、灌浆固结、锚固、设置洞键或齿槽等。

（1）挖除。挖除是相对简单和有效的地基处理方法。这种方法一般结合闸基开挖进行，适用于建基面下埋藏不深的缓倾角夹层、断层等。在闸基开挖时，适当增加开挖深度，将软弱物质全部揭顶挖除。挖除软弱物质不仅可解决基础承载力问题，还可解决建筑物沿夹层的滑动问题。但当夹层埋藏较深时，由于埋藏较深，不仅增加开挖难度和工程量，还增加基础混凝土的工程量，应慎重考虑这种方法在经济上是否合理。

（2）掏挖回填。这是一种局部将地基中缺陷部位挖除，置换回填高强材料的地基处理方法。它结合闸基开挖及基础清理工作进行，主要适用于陡倾角的断层、裂隙、夹层、风化囊、破碎带及溶洞等地质缺陷。开挖宽度应大于缺陷的影响带宽度，且为便于施工一般不小于50cm；挖深应大于宽度的1～1.5 倍，最小尺寸亦不小于50cm。当断层、裂隙等地质缺陷延伸出闸基轮廓线以外时，缺陷处理向闸基外的延伸长度不小于2～3 倍扩挖深度。开挖时，将断层等缺陷的充填物及两侧的构造岩带、影响带等掏挖至坚硬岩石，然后回填与基础混凝土同标号的混凝土。

对于规模宽大的陡倾角断层等地质缺陷的处理，可能引起很大的开挖方量，并且深槽的追踪爆破开挖对周围的地基不利，此时应采用尽量减小爆破的方法：一是将闸基范围内断层的上、下游端掏挖回填封堵，其余断层段中设置网状平洞和竖井进行回填；另一是采用高压（根据缺陷物质的粘结程度，有时可达到10MPa以上）水将断层或节理中的充填物或风化碎屑冲出，然后回填混凝土。

（3）灌浆固结。灌浆就是通过钻孔或其他手段，将具有胶凝性的浆液或溶液压送到岩体裂隙等受灌部位的一种地基加固技术。灌浆浆液充填裂隙、孔隙、空隙、孔洞和裂缝等形成结石，起到固结、粘合、防渗、提高岩体的整体性和抗变形能力等作用。

在确定灌浆加固之前，一般应先进行现场调查。主要是查明地基岩层的地质情况，了解其可灌性，并根据船闸基础的应力分布，对灌浆的重要性进行分区。在大面积施工前，尚需进行灌浆试验，主要是确定灌浆浆液材料、压力、设备及工艺等。

固结灌浆一般在地基浅表层进行，灌浆孔布置成梅花形、矩形或六角形，也有采用菱形或其他形状的。各种布置型式各有优缺点。由于岩体的破碎情况、节理发育程度、裂隙的宽度和方向的不同，孔距亦随之而异。根据我国资料统计，最终孔距一般在2.5～5m之间，排距等于或略小于孔距。无论采用何种布置方式，灌浆一般分两序或三序进行。分序施工与孔排距加密结合进行，最后达到设计孔排距。固结灌浆的深度目前尚无统一的标准，也无合适的计算公式，一般根据地质条件、基础应力情况等通过综合分析确定，浅孔固结灌浆，孔深5m左右；中深孔灌浆，孔深6～15m；深孔固结灌浆，孔深15m以上。在具体的地基加固中，是多种孔深的综合应用，裂隙密集带、断层破碎带、陡坡开挖卸荷区等部位，灌浆孔一般需进行加密、加深。对于如前所述的埋藏较深的缓倾角断层，当采用灌浆处理时，孔深一般较深。

对断层溶蚀带的灌浆，一般结合冲洗置换进行。灌浆孔在灌浆前采用单孔高压脉动水流（气流），或双孔窜通将断层破碎带或夹层的碎屑物质冲洗出来，不能冲出的物质，通过灌浆固结积压密实。

闸基固结灌浆，需通过灌浆前后的钻孔压水或物探等手段进行效果检查。

（4）锚固。锚固是将钢筋等强度较高的构件通过钻孔及注浆植入岩体内部，使岩体或附着在岩体上的结构受力状态得到改善或加强的技术。锚固技术在船闸地基加固中的作用主要有3 个方面：

1）增加岩体内部滑动面的抗滑稳定性。

2）增加闸室底板的抗浮托能力。

3）增加闸室墙与墙后岩体联合工作的能力。

闸首结构除满足闸门的频繁启闭运行外，还承受巨大的水压力，当基础下存在缓倾角断层、软弱夹层等结构面，闸首的深层（相对于建基面）抗滑稳定不能满足要求时，需通过钻孔将锚杆植入岩体，并穿过断层或软弱夹层下盘一定深度。当主滑面有微小位移时，锚固结构因应变产生相反拉力，形成对滑动面的阻滑力，提高基础沿结构面的抗滑稳定性。

地下水压力是船闸结构的重要外荷载之一，为保证结构的稳定性，特别是船闸在检修工况下闸室底板的抗浮及侧墙的抗倾倒稳定性，在闸室底板或侧墙内设置与岩体连接的锚杆，将水压力通过锚杆传递到深层岩体，可有效减少闸室基础和侧墙的混凝土工程量。

（5）设置阻滑键或齿槽。设置阻滑键或齿槽是增加基础抗滑稳定性的一种方法。闸首地基一般开挖成倾向上游面的斜坡，以增加建基面的抗滑稳定性。根据稳定需要，可垂直滑动方向在地基上开挖一条或几条具有一定宽度和深度的齿槽。当建基面下岩体内存在可能滑动面时，可垂直滑动方向沿结构面开挖专门的键洞，然后回填混凝土，增加滑动面的抗剪能力。

在实际工程中，地基处理往往是多种措施的综合应用。比如对于深层滑动，可采取灌浆固结、锚固、设置阻滑键等综合手段，实际处理应结合具体情况综合分析，制定合适的加固处理方案。

3.4.5.2 砂砾石地基加固

在高水头大中型水利枢纽上，船闸工程通常以岩石地基居多，但在中、低水头大中型水利枢纽上，船闸也有可能遇到砂砾石地基的情况，故在此对船闸砂砾石地基的加固处理作简要介绍。

对一般建筑物而言，砂砾石地基是天然的优良地基，但对于船闸等水工建筑物来说，有两方面的问题：一是水工建筑物多为重力式，对地基承载力要求较高；二是船闸系挡水建筑物，承受上下游水位差，当地基的砂砾石级配不良时，可能发生渗透破坏。

适用于船闸砂砾石地基加固的方法有重锤夯实法（强夯法）、振冲挤密法、防渗墙法等。

（1）强夯法。强夯法加固地基的机理比较复杂，随地基类型和工程的加固特点不同，其加固机理也不同。砂砾石土在夯锤瞬间巨大冲击能产生纵波（P波）及横波（S波）作用下，土颗粒相互挤密并重新排列，排出孔隙中气体，地基强度提高，压缩性降低。在强夯法加固地基前，一般需通过现场试验确定有关参数。在施工过程中，在地基条件已确定的情况下，需结合现场试验的结果，对一些人为可控制的因素合理进行选择。一般有以下几个步骤：

1）确定加固深度。强夯法有效加固深度除取决于锤重和落距外，地基土的性质、土层厚度、地下水位、夯击次数以及夯坑底面积等，对其亦有影响。对于砂砾石土，2000kNm的单击夯击能的有效加固深度为6～7m，4000kNm的单击夯击能的有效加固深度约为8～9m，8000kNm的单击夯击能的有效加固深度约为10～10.5m。

2）夯击范围和夯点布置。强夯法处理地基范围，应大于船闸基础范围，每边超出基础外缘的宽度一般为加固深度的1／2～2／3 并不小于3m。夯点布置一般为三角形或正方形布置。第一遍夯击点间距可取5～9m，以后每遍夯点间距可以与第一遍相同，也可适当减小。对加固深度较深或单击夯击能较大的工程，第一遍夯点间距可适当增大。

3）夯点击数和夯击遍数。每遍每夯点的击数可通过试验确定。一般以最后一击的沉降量小于某一数值，或连续两击的沉降差小于某一数值为标准。夯击遍数应视现场地质条件和工程要求确定，也与每遍每夯点击数有关。

4）间歇时间。间歇时间是指两遍夯击之间的时间间隔。时间间隔取决于土中超静孔隙水压力消散时间。砂砾石土渗透性较好，两遍间可连续夯击或只作短暂间歇。

5）现场监测。主要有地面沉降观测、孔隙水压力观测、振动影响范围观测、深层沉降和侧向位移测试等。通过监测可随时了解地基的处理效果、范围及可能的不良影响等。

（2）振冲挤密法。振冲挤密法加固砂砾石土地基的原理为：一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化，砂颗粒重新排列，孔隙减少；另一方面依靠振冲器的水平振动力，通过加入的填料使砂层挤压加密。

振冲挤密法适用于小于0.005mm的粘粒含量不超过10%的砂砾石土，若粘粒含量大于30%，则加固效果明显降低。

加固范围根据基础应力扩散范围初步确定，最后应在平面外轮廓线周边各加宽5～10m，在此范围内全地基振实。振冲点布置宜用等边三角形或正方形，点距应通过试验决定，一般30kW振冲器为1.8～2.5m，55kW振冲器为2～3m，75kW大型振冲器为2.5～3.0m。

（3）防渗墙法。砂砾石地基一般由级配不同的岩土颗粒组成，这些颗粒即使胶结较好，在水库蓄水后的长期渗透压力作用下，也可能发生渗透破坏。对于有软弱夹层的岩基，预防渗透破坏的方法一般是设置竖直灌浆帷幕，但对于砂砾石地基由于灌浆漏失较多，则更多的是采用设置防渗墙的方法。

防渗墙是在松散透水地基中采用机械连续成槽，以泥浆护壁，在泥浆下浇筑混凝土或其他材料（黏土等混合料）而形成的，起防渗作用的地下连续墙。经过仅半个多世纪的发展，特别是随着成槽机具、护壁泥浆、墙段结缝、墙体材料及监测技术的发展，现在可以成功地建造更深、更窄、更耐久的防渗墙，施工功效也大大提高。现在已建成的防渗墙最深已达136m，最薄仅20cm。墙体强度根据材料的不同变化很大，如采用混凝土材料，从塑性混凝土到高强混凝土，其强度可根据需要在1MPa到几十MPa间选择。

在砂砾石地基中建造防渗帷墙，可有效地截断地下渗透水通道，防止船闸地基的渗透破坏。根据砂砾石地基的渗流特点，即使已采用其他加固处理方法，如上述的强夯法、振冲挤密法等，使地基满足了承载力的要求，仍需对地基的渗透破坏加以控制，才能保证地基的耐久性。

3.4.5.3 岩质高边坡稳定分析与控制方法

（1）岩质高边坡稳定分析。根据水利枢纽的总体布置，船闸一般在岸坡部位贴山削坡或直接深切山体开挖修建，形成闸室单侧或两侧高陡岩质边坡。对于岩质高边坡尚无现行设计规范，其稳定分析的方法及相应稳定标准，一般参照类似工程的经验，根据工程的具体地质情况、运行特点及失稳模式等研究确定。传统的分析方法是：先假定边坡岩体由结构面或假定的结构面组成滑动体，用极限平衡分析给出阻滑合力与下滑合力的比值即安全系数K，根据K 值大小来判断边坡的稳定安全度。随着各种数值计算方法在岩土工程中的广泛应用，以应力和变形作为稳定判别标准的岩石边坡的设计理念正逐渐推行。传统的安全系数设计方法亦在引入概率论原理，利用概率论原理对影响边坡稳定的各种因素进行统计分析，给出分项系数，并试图给出边坡相对各因数的稳定可靠度。各种边坡稳定分析的相关参数、假定、方法及稳定标准等是一个有机的整体，用甲种方法的稳定标准去评价乙种方法计算结果的稳定性是不可行的。

进行边坡稳定分析必须宏观分析边坡可能发生的破坏形式。根据国内水利水电工程建设实践，岩质边坡有7种失稳破坏形式：崩塌、滑动（包括平面形、圆弧形和楔形体等形式）、流动、倾倒、溃屈、侧向扩展拉裂和以上形式的复合形式。船闸边坡一般系新开挖边坡，主要失稳、破坏模式可分成整体失稳和局部失稳两大类型。整体失稳是指在地质条件与边坡的开挖轮廓和施工工艺基本不相适应的情况下，边坡产生大范围失稳的情况。局部失稳是指边坡在较小范围内，由于某些因素影响导致的边坡失稳，如边坡顶部全风化散体状岩体的局部松动、脱落造成的崩塌，沿圆弧面破坏的圆弧形滑动；沿结构面或结构面组合的局部滑动或楔形体滑动，以及局部岩体在长期、反复荷载作用下的流变破坏等。

整体失稳的情况可通过充分掌握地质资料，设计恰当的边坡开挖轮廓、施工工艺及必要的加固措施，合理地进行总体规划来解决。局部失稳的崩塌破坏相对边坡仅是“点”式破坏，通过边坡防护的喷锚支护等措施即可得到解决。坡顶全风化散体的稳定分析一般采用推力传递系数法或瑞典条分圆弧法等，已有GB5007—2002《建筑地基基础设计规范》、JTJ250—98《港口工程地基规范》、SL274—2001 《碾压式土石坝设计规范》等可参阅。本书仅就局部破坏形式的分析方法进行简要介绍。

1）工程地质类比法。自然边坡受地质结构、岩性、气候条件、地下水赋存状况、坡向和坡形等多种因素影响，在地质年代中形成了保持自身稳定的边坡形态。统计分析表明，在相同环境下，人工边坡较自然边坡可维持较陡的坡度。根据上述原理，对船闸区附近的自然边坡进行调查统计分类，将人工边坡与自然边坡进行对比即可初步判定人工边坡的稳定状态。

2）极限平衡分析法。

①沿单个平面滑动的稳定性分析。图3-68为一坡角为β的岩坡，坡内具有倾角为α的软弱面，形成岩坡的破坏面，边坡岩体沿此软弱面呈剪切下滑趋势。设岩体的容重为γ，边坡高度为h，长度为L，质量为W。

图3-68 沿单一滑面滑动边坡示意图

则安全稳定系数为：

式中 φ、c——滑动面的内摩擦角和粘结力。

如在岩坡上还附加有其他的作用力，例如静水压力、动水压力、地震动力、附加荷载等，则岩坡分析更为复杂。这时，要相应地将这些附加力考虑于边坡岩体的力系平衡中。例如当边坡存在张节理或拉裂缝时，在暴雨情况下，由于张节理或拉裂缝底部排水不畅，缝面可能临时充水到一定高度，沿张节理面或缝面及滑动面产生静水压力，使滑动力增大，见图3-69。拉裂缝的高度参考Terzaghi和Janbu等建议的公式估算，并参照其他工程经验和有限元分析的应力分布综合确定。

其安全系数可表达为：

其中

图3-69 具有拉裂缝和静水压力作用的岩质边坡示意图

②楔体滑动的稳定性计算。岩坡经常由两组或两组以上结构面相交而被切割成一个个的楔形体。如图3-70所示，垂直边坡被两组结构面切割成一个四面体ABCD。设四面体的重量为Q，滑面ΔABD 及ΔBDC 相交的棱线BD 的倾角为α。设滑面ABD 为F1，具有抗剪强度指标c1 及φ1，滑面BDC 为F2，具有抗剪强度指标c2 及φ2。

图3-70 边坡楔体滑动计算分析图

按力学稳定原理，此四面体ABCD 的稳定系数为：

N1 和N2 分别为作用于滑面F1 和F2 的法向分量：

四面体体积为：

四面体的重量为：

两个结构面的面积：

令l，则四面体的稳定系数为：

式中 α1——两滑面交线的法线与F1 滑面法线之夹角；

α2——两滑面交线的法线与F2 滑面法线之夹角。(www.xing528.com)

当边坡在暴雨时，楔体底滑面的水压力分布采用E.HOKE教授的方法计算，即水沿AB、CB 流入楔体，沿AD、CD 流出，最大水压沿BD 产生，而AB、CB、AD、CD 处水压都为0，这样给出的滑面ΔABD 及ΔDBC 的水压分布见图3-71，其大小为：

将上述水压力考虑到楔体的平衡力系中即可计算出在暴雨情况下楔体的稳定安全系数。

图3-71 边坡楔体水压力作用模式图

关于楔形体的稳定性计算，还有工程图解法、球面投影法等，详细可参阅E.HOKE 等著的《岩石边坡工程》。

3）数值分析方法。数值计算在岩土工程中的应用有有限元法、差分法、离散元法及DDA等，各种方法的数学理论不尽相同，其所要解决的问题也有差别。在数值计算中，通常需要注意以下几个问题：

①数值计算的基础是对岩体本性的认识。数值计算的理论是严密的、精确的，而岩体则是一种不确定的非均质体，人们对它的认识仅是其多因素的抽象集合。虽然随着科学技术的发展，人们的认识与实体物质愈来愈接近，但和实际的岩土介质相比，还是有一定差别。片面追求数值计算的严密及精确而忽略对岩体本身特性的调查、实验与研究，可能形成本末倒置的局面。

②根据对特定工程岩体本构关系的研究，确定适用于该工程的岩体屈服准则。由于岩体的复杂性，同一边坡工程，在数值计算中，有时要针对不同的部位确定不同的准则。例如在三峡船闸岩质边坡的开挖模拟数值分析中，对边坡上部全、强风化岩体及近地表岩体考虑为弹塑性材料模型，采用不抗拉和低抗拉准则；下部弱风化与微新岩体、岩脉和深部岩体考虑为弹脆塑性材料模型，采用工程界目前普遍采用的Drucker-Prager 屈服准则。

③由于不同的计算目的和侧重点或为使各种计算模型相互验证，可采用多种模型分析对比。三峡船闸岩质高边坡除采用上述弹（脆）塑性材料模型外，还采用了弹性、粘弹性、弹塑粘性、弹塑性断裂损伤、流变损伤断裂方法等。各种计算方法所得成果的数值大小虽有差异，但其规律基本一致。

④船闸边坡一般为新开挖修建，开挖必将扰动岩体的原始应力场。应力场的调整除与边坡最终形态有关外，还与开挖程序即边坡不同部位解除岩体约束的先后次序和开挖采用的工艺有关。数值分析要想得到更真实的结果，就必须尽可能真实地反映这种应力（开挖）变化的过程。

⑤船闸边坡地下水与赋存山体远程来水、降水、库水及频繁变动的闸室及输水洞井水等有着密切的联系，非均质地基的地下渗流场比较复杂。边坡稳定数值计算应是在开挖应力场加排水后渗压场的复合应力场前提下的分析。

4）船闸高边坡开挖二维数值模拟分析方法简介。船闸边坡在进行一般弹塑性数值模拟计算分析的基础上，针对船闸边坡为花岗岩和开挖卸荷特点，专门开展了开挖模拟计算方法和弹脆塑性本构模型与数值算法研究。在此基础上，还针对岩体中存在裂隙问题进一步开展了弹脆塑性损伤模型的数值模拟分析。

①边坡开挖模拟的计算方法。边坡岩体变形具有一定的非线性特征，不同的开挖与建造过程得到的边坡应力状态也不完全相同，因此在边坡开挖问题的数值模拟计算分析中，开挖模拟是关键。本例研究的弹塑性和弹脆塑性分析中施工过程模拟均按增量方式进行求解。岩体工程的开挖，实际是将开挖面上的初始应力全部或部分解除，从而使工程范围的应力场发生变化扰动，在应力场变化同时伴有相应的变形发生，模拟计算主要分以下几步：

（a）根据初始应力场｛σ｝i－1 确定即将被挖出的岩体部分对剩下部分的作用力｛q｝。

（b）把作用力｛q｝＝－｛q｝作为载荷，施加在开挖边界上，解一个弹塑性边值问题，求得开挖产生的应力与位移场｛Δσ｝i 和｛Δu｝i。

（c）开挖完成后，岩体内总应力和位移为：

（d）多步开挖需使用增量求解方法，按开挖过程一步一步地计算，每个开挖步对应于一个增量“载荷”，并将上一个开挖步的总应力、总位移作为初应力和初位移，重复这3 个步骤直至开挖完成为止。开挖模拟示意图见图3-72。

图3-72 开挖横剖面摸拟示意图

②弹脆塑性本构模型。船闸花岗岩在大型伺服试验机测得三向受力的应力与应变关系曲线见图3-73。即花岗岩在达到峰值后的跌落过程中，即显示强烈脆性特点，同时也带有一定的塑性特征。为此专门研究了岩体的弹脆塑性本构模型。

图3-73 岩石三轴压缩应力与应变全过程曲线图

弹脆塑性本构模型屈服面分为峰值屈服面fp（σij）和残余屈服面fR（σij）。当应力点由初始弹性状态加载到fp（σij）上的某一点A，并满足加载条件时，应力发生突变，跌落至残余屈服面fR（σij）上的某一点B。在脆性跌落过程中，应力与应变的变化是非微分形式的变化，全应变增量Δεij＝0。又由：

得

设跌落过程中，塑性应变增量仍然满足关联流动法则，则有：

跌落过程中的应力增量满足虎克定律：

综合式（3-60）～式（3-62）有：

于是同时应满足残余屈服条件：

由式（3-65）可求得Δλ，由式（3-61）求得，由式（3-63）～式（3-65）求得及至此完成了应力跌落过程分析。当应力状态空间中的点完成了从峰值屈服面向残余屈服面的跌落后，将在塑性不平衡力的作用下，在残余屈服面上继续作塑性流动，其塑性流动的计算与弹塑性增量本构理论相同。弹脆塑性模型的数值计算方法——弹脆塑性本构数值积分的计算格式如下：

（a）计算第r 迭代步载荷所产生的弹性应力增量：

（b）检查该高斯点的应力以前是否发生过跌落。

（c）若未曾屈服过，则：

a）检查该高斯点应力在本次迭代中是否屈服。对于屈服的高斯点，计算比例因子：

式中 ——高斯点的有效应力值。

将高斯点的应力沿屈服面的法线方向退回到峰值屈服面上，计算：

b）计算应力跌落。首先解方程（3-65），求出Δλ值。将高斯点的应力从初始屈服面退回到残余屈服面上，累积由此产生的等效塑性应变增量：

c）在残余屈服面上按增量法进行塑性流动计算：

式中 aT＝∂f／∂σ′ij；dD＝Da；dλ＝（aTDdε）／（aTDa）。

d）检查应力点是否在残余屈服面上，若有偏离，则调整到后续屈服面上，最终的为：

e）对于本步中没有屈服的高斯点，按弹性规律积累应力：

（d）对于已经发生过屈服的高斯点，则重复“（c）”步中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ在残余屈服面上计算塑性流动。

（2）岩质高边坡稳定控制措施。边坡加固的方法众多，新技术新工艺的迅速发展，也促进了边坡加固技术的进步，各种加固方法均有一定的适用性，有关的介绍专著亦多。在此仅就适用于船闸岩质高边坡稳定控制的几种措施在设计中的应用特点及注意事项分述如下。

1）综合坡比控制。就是通过对船闸附近自然边坡的调查，拟定新开挖边坡的坡比，使新开挖边坡能保持自身稳定的一种边坡设计方法，其实质是应用工程地质类比法指导边坡工程开挖的一种技术措施。应用坡比法的几个要点：

①对新开挖边坡与类比自然边坡的可比性进行充分论证，特别注意新开挖边坡中有无与自然边坡特性差异较大的潜在断层、夹层等滑动优势结构面。

②根据边坡岩体的岩性特征及风化程度，不同高程的坡面采用不同的坡比。当边坡岩性单一，仅风化程度随坡高变化时，一般采用上缓下陡的坡面形态；当边坡上部岩体坚硬，下部岩体较软时，可采用上陡下缓的坡面形态。

③总坡高不大于15～20m时，采用直线坡面一坡到顶；当坡高超过此范围时，应设置梯段马道。

④根据岩体情况及水利工程多为大型机械施工的特点，马道宽度不宜小于3m，马道梯段高差以10～15m 为宜。马道设置的高程除满足梯段高差外，还应兼顾边坡上下软、硬岩层过渡带及应力突变部位的特殊条件，在该部位的马道宽度应适当加宽，甚至设置宽平台。坡比法是最简单亦是开挖边坡普遍采用的一种方法，但在同等情况下，人工边坡可比自然边坡维持更陡的坡比，简单地套用坡比法可能造成较大的开挖工程量，增加工程投资。再者，在高地应力场及复杂渗流场作用下，边坡开挖的程序、爆破方式及施工期临时排水措施等都将影响边坡永久形态的稳定性。另外，有时为了维护船闸结构的特定形态，边坡亦可能开挖成较自然边坡更陡的形态，甚至挖成直立边坡。如三峡船闸高边坡下部岩体，为与敷设于岩面的薄衬砌混凝土闸室墙联合受力，开挖成了50～70m 的直立岩坡。对后两种情况，坡比法均应结合其他边坡加固方法进行综合研究。

2）地下水控制。地下水是影响边坡稳定的重要因素之一，表现在3 个方面：一是增加边坡的下滑力；二是某些岩体或滑带在地下水的浸泡软化作用下力学强度参数降低；三是对某些风化岩体或滑面的充填物质产生渗透破坏。所以采取工程措施降低边坡地下水，对边坡稳定有关键作用。船闸边坡地下水的可能来源主要有赋存山体远程来水、上游库水绕渗、大气降水、船闸闸室、输水系统及附近导流洞地下洞室的结构渗水等。根据边坡地下水的来源及岩体的水文地质特性，一般按照先截后排的原则，分部位采取不同的地下水控制方法：

①截水措施。

（a）坡面防渗。所有开挖坡面及马道，直至边坡开口线以外一定区域，结合边坡支护进行喷混凝土或浇筑混凝土护面，阻挡降水入渗。坡顶开口线以外防护范围根据边坡形态及坡顶地形确定，一般地形较缓时，防护范围应适当加宽，并应超过计算分析的可能拉裂缝范围。坡面喷混凝土或浇混凝土护面应合理分缝，分缝处灌注沥青玛脂或设置止水，防止混凝土冷缩裂缝造成地表水集中入渗。

（b）截、排水沟。紧邻坡顶混凝土防渗区外侧设周边截水沟，拦截边坡区外大气降水产生的地表径流向边坡区汇集。在各级马道上设纵向排水沟，并与周边截水沟相连。截、排水沟构成坡面排水沟系统，迅速将坡面汇水导排至船闸边坡区外，防止其二次入渗。马道排水沟及周边截水沟的过水断面应根据最大可能降雨及汇流面积设计，确保不漫流。（c）防渗帷幕。在闸首及两侧挡水坝段地基及两侧岸坡段一定范围内，设置防渗帷幕或防渗墙，阻断库水与边坡区地下水的联系。

（d）结构止水。闸首及其两侧的挡水坝、闸室墙、底板及边坡区内或附近的地下洞井等过水建筑物的结构缝设置完善的止水系统，严防水体通过闸室特别是船闸输水系统结构缝向边坡岩体入渗。

②排水措施。

（a）为降低防护坡面内边坡岩体的残余水头，在全坡面钻设浅排水孔。排水孔一般深2～6m，按2m×3m、3m×3m、3m×4m等成梅花型布置，横向孔距一般较竖向排距密，孔径46～76mm，当需作孔内保护时，可加大至80～91mm，最大不超过110mm。孔向一般上倾5°～15°。船闸边坡自上而下开挖，历经全、强、弱、微等风化岩层，根据区域水文地质特征一般与岩体风化层有对应关系的特点，边坡的某一风化岩层可能是相对其他岩层的储水层。针对储水层或其他已查明的饱水断层带、泉点区域等布设坡面深排水孔，削弱其向下层岩体的补渗能力。深排水孔根据储水带的厚度及水文地质特征确定孔排距，孔深一般10～30m，孔径76～110mm，上倾5°～15°。

（b）渗沟及渗井。边坡顶部一般是全强风化带，岩体透水性较强，排水孔成孔较难且运行中容易塌孔。该部位一般采用渗沟或渗井排水。渗沟在坡顶垂直坡面开挖，间距3～10m，每条渗沟顶部可分叉成Y形，渗沟底部开挖成U形，铺粘土或隔水土工膜，上部分层回填滤石并将坡面修整平顺。渗沟下端接坡面排水沟。渗井沿坡面走向布置在坡顶平台或马道上，采用逆作法施工。井壁采用透水混凝土衬砌，井底1m深范围内井壁及底板采用不透水结构，通过井底导水孔将渗水导排至坡面排水沟，或采用自动抽排系统将渗水抽排至边坡外。

（c）帷幕后及闸室、输水系统外排水。在闸首帷幕后设基础排水孔幕，进一步削弱库水对边坡区的补渗及渗压传递。在闸室、输水系统等结构与边坡岩体接触的缝面部位设排水系统。该排水系统一般由预制透水混凝土管或PVC透水软管等构成，在结构混凝土浇筑前敷设于岩面，横竖组成网状。

（d）地下排水。在边坡岩体内平行边坡走向设置地下排水洞及洞内排水孔。地下排水的设计参数，如排水洞层数、距坡面的距离、层间高差、排水孔孔距等，根据边坡的高度、工程地质及水文地质特征、稳定分析设定的地下水位及技术经济指标等确定。排水洞距坡面的距离除满足稳定要求的水位外，一般应超过潜在滑面的埋深，同时应兼顾开挖安全。排水洞距坡面太近时，洞挖爆破容易造成边坡表层岩体结构的弱化，甚至局部失稳。排水洞的层数及层间高差由洞挖和钻孔的综合经济指标确定。排水洞成型后，在洞内钻设上下相互搭接的排水孔，使边坡区岩体与远程山体间形成一道截断地下水联系的排水孔幕。

3）支挡结构。实践证明，边坡开挖过陡，依靠支挡结构来满足整体稳定性是不经济的。支挡结构应用于船闸岩质高边坡的主要目的是：①加固为满足船闸特定结构形态而开挖成的局部不能自稳的坡段；②加固有明确滑动面的局部边坡；③加固边坡局部不稳定部位；④改善边坡局部的应力状态。适用于船闸边坡的支挡结构有挡墙、抗滑桩、阻滑键、锚杆、预应力锚索等。挡墙一般用于边坡顶部全强风化带等松散岩体部位，可选择采用浆砌块石、干砌块石等重力式结构或扶壁式等轻型结构。采用重力式时不宜过于肥厚，太过肥重的结构除对地基要求高外，还增加了下级边坡的下滑力，从整体考虑不利。

抗滑桩和阻滑键适用于有明确滑面的边坡。抗滑桩垂直滑动方向成排布置，不仅增加滑面的抗剪力，还可使桩间土形成土拱效应，有效防止边坡表层失稳和底滑面上各深度次生滑面的滑移。应用抗滑桩加固应注意必须将桩深入滑面下一定深度；对于表层有松散土层的边坡，桩间距应确保土拱效应的形成；桩断面的最大抗弯矩应和滑动方向一致。阻滑键在地基处理中已作介绍，不再赘述。锚杆适用于加固滑面较浅的边坡。对船闸边坡而言，规模一般较大，锚杆的作用侧重于加固边坡浅层的滑动块体或增加边坡表层岩体的整体性，或改善边坡应力状态。预应力锚索由高强钢丝或钢绞线编束而成，分有粘结和无粘结两种结构型式。通过张拉锚固，单束锚索可对边坡岩体施加数百吨乃至上千吨的支护力，是边坡加固支护通常使用的一种十分有效的手段。应用锚索应注意以下几个问题：①锚索施加于边坡岩体的是一个主动的支护力，按力系平衡原理，相对于边坡岩体的特定滑面，这个力在某一方向可起到最大的抗滑作用，这个方向的锚索与滑面的夹角即为最优锚固角。一般情况下最优锚固角为上仰孔，但从方便锚索钻孔、确保灌浆密实以增加锚索耐久性的角度出发，锚索倾向设计成下倾孔，这两者间的取舍应根据具体情况综合考虑。②为使边坡应力分布均匀，边坡加固宜采用小吨位密集布置的锚索；再者大吨位锚索的内锚段及外锚头对岩体强度的要求亦高，但大吨位锚索可减少钻孔工程量，节省投资。目前常规的作法是在满足边坡岩体允许应力的情况下，尽量采用大吨位锚索。③当锚索布置较密时，为防止内锚段岩体应力集中，应采用长、短锚索相间布置，但短锚索内锚段亦应超过滑面深度一定距离。此外还可使用内锚段拉（压）力分散型锚索。④随着多层保护无粘结钢绞线的推广及降价，边坡加固可优先考虑使用无粘结锚索。无粘结锚索不仅有良好的耐久性，还可在更大范围内适应边坡的变形，使边坡在破坏前有足够的预警时间。但采用这种锚索，必须基于锚头的充分可靠。⑤锚索的经济长度一般大于15m，吨位愈大，经济长度愈长。

上述各种措施，仅是在边坡开挖后为增加边坡的稳定性而采取的工程措施。边坡成型前选择合适的船闸位置、确定合理的船闸轴线以避开不良地质构造，选取合理的开挖轮廓和爆破开挖工艺及程序等，对边坡稳定有着事半功倍的作用。实际边坡加固是多种措施的综合使用，如三峡船闸高边坡在动态设计方法的指导下，确定的“总体开挖轮廓在满足船闸结构布置要求与船闸安全运行的前提下，在排水条件下达到自稳，边坡加固支护以截防排水措施为主，岩锚加固支护措施为辅”的设计方案，就是综合应用了上述多种手段，如图3-74所示。

图3-74 三峡船闸高边坡加固典型横剖面图

三峡船闸高边坡在开挖中采用严格的控制爆破，并根据分析，预先制定洞挖在高程上超前于明挖、支护紧随开挖实施的施工方案；在施工中，根据新揭露的坡顶滑移块体的变形监测资料，适时增加加固锚索和限裂锚索。所有这些动态化加固措施和施工方案的实施，确保了三峡船闸高边坡的开挖成型及长期安全稳定。