含不利組合結構面的高邊坡開挖穩定性分析

黨 莉， 劉 軍，劉海飛，盧 鵬，陳 星

（1.三峽大學三峽庫區地質災害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002；2.二灘水電開發有限責任公司，四川 成都 610021；3.中國葛洲壩集團第二工程有限公司，湖北宜昌 443002；4.南方電網天生橋水力發電總廠，貴州 興義 562400）

0 引言

為了滿足高速發展的國民經濟對電力和水資源的巨大需求，我國已經和即將建成一大批大型水利水電工程。這些工程的建設都不可避免地要在各種復雜的地質環境條件下，人為地開挖形成各種各樣的高陡巖石邊坡，其工程穩定性問題會對工程修建的可行性決策起到重要作用，并直接影響投資效益[1]。

對于邊坡穩定性的分析方法很多[2-4]，目前，較為流行的是以FLAC3D為代表的有限差分法，在邊坡穩定性分析中得到廣泛應用[5]。塊體極限平衡理論是近年來發展和完善的一種巖體工程穩定性分析的研究方法，是用于分析非連續體穩定性的有效方法之一，故塊體理論在工程巖體穩定性分析中具有獨特的生命力，發展較為迅速[6-7]。

本文綜合運用有限差分法和塊體極限平衡法對某開挖高邊坡進行穩定性分析。有限差分法對邊坡整體穩定性進行評價，塊體極限平衡法對邊坡局部穩定性進行評價，所得結論對工程施工具有指導意義。

1 工程地質概況

某開挖巖質高邊坡的開挖步驟為：①460～493 m高程，坡比為1∶0.3；②430～460 m高程，坡比為1∶0.3； ③400～430 m 高程， 坡比為 1∶0.3； ④370～400 m 高程， 坡比為 1∶0.3； ⑤ 360～370 m 高程，坡比為 1∶0.3；⑥ 310～360 m高程，近似垂直。

邊坡整體基本穩定，巖質堅硬，巖體較完整；邊坡靠近上游側有影響邊坡穩定性的不利結構面組合，穩定性相對較差，開挖爆破等外力作用會影響邊坡巖體的穩定性。其中，不利結構面主要有張開的層面L1及小斷層f1、f2，見圖1。

圖1 邊坡結構面示意

（1）f1斷層在坡面揭露，在465 m高程開挖邊坡自上游起與坡底約交于0+24樁號處，產狀50°∠84°，切割L1，略有錯動，錯距約20 cm；L1以上為閉合面，稍彎曲，L1以下局部破碎夾泥，厚5～10mm，擦痕明顯。該小斷層自坡頂延伸至高程460 m左右，跡長約20 m。

（2）f2小斷層在465 m高程開挖邊坡自上游起與坡底約交于0+36樁號處，產狀332°∠69°，斷面明顯擦痕，面稍起伏，局部夾泥，泥厚一般1～5 cm；斷層帶糜棱巖化，寬20～40 cm，局部風化碎石夾泥。目前該小斷層自頂部延伸至已開挖邊坡435 m高程處。

2 三維有限元差分分析

計算中運用的數值方法是有限差分法，其基本力學模型是彈塑性本構關系，采用帶抗拉截斷的M-C屈服準則，采用專業計算軟件FLAC3D作為計算平臺。邊坡模型網格見圖2。考慮巖體開挖卸荷作用，模型中劃分了寬約10 m的卸荷帶，以反映開挖過程中開挖面附近巖體參數的弱化。

圖2 邊坡網格模型和結構面

整個邊坡位移等值線見圖3。X、Y、Z向最大相對位移分別為11、10、18 mm，X向向坡外的最大相對位移發生在開挖邊坡的上部，Y向向坡外的最大相對位移發生在開挖邊坡中上部，Z向最大相對位移發生在邊坡底部。

邊坡第一主應力等值線見圖4。從圖4中可以看出，最大拉應力值為1.0 MPa，主要集中在底部隆起部位，對坡體穩定性威脅較小。從邊坡整體來看，開挖以后并未出現明顯的拉應力區，基本上以壓應力為主。

開挖后邊坡塑性區分布見圖5。從圖5中可以看出，開挖以后邊坡的塑性區集中在馬道圈頂和斷層附近。塑性區的具體分布情況為：430～460 m高程之間沿斷層f1擴展，寬約1 m；400 m高程處沿馬道外側向下擴展，寬5～10 m；370 m高程處同樣沿馬道外側向下擴展，寬2～3m。

3 塊體極限平衡分析

邊坡的穩定性分析中，軟弱結構面的起著控制性作用。因此，有必要用極限平衡法進行進一步的分析。下面用塊體極限平衡理論詳細分析邊坡的局部穩定性。

3.1 可能塊體組合及失穩模式判斷

邊坡發育的主要結構面有：控制性斷層f1、f2產狀分別為 50°∠84°、 332°∠69°； 上游開挖面產狀為180°∠73°； 下游開挖面產狀為 0°∠73°； 內側開挖面產狀為90°∠73°。在施工過程中，開挖面是動態移動的。

采用赤平投影法分析可知，上述結構面和下游開挖面之間的組合，可能構成潛在的不穩定塊體。判斷以上組合中可能出現的不穩定塊體失穩模式見圖6。從赤平投影分析可知塊體存在雙面滑動的可能性。

圖3 相對位移等值線 （單位：mm）

3.2 塊體穩定性分析

（1）計算參數。依據開挖揭露出的小斷層性狀，f1小斷層抗剪斷強度 f′取 0.50， c′取 0.1 MPa； f2小斷層抗剪斷強度 f′取 0.35， c′取 0.03 MPa。

圖4 第一主應力等值線

圖5 塑性區分布

圖6 塊體的可能失穩模式判斷 （坡面產狀0°∠73°）

（2）計算方法及假設。采用極限平衡方法，假設作用在滑面上的切向力與滑面交棱線平行，考慮到計算中的塊體在空間延伸長度有限，忽略坡面空間起伏對楔形體穩定安全系數的影響，即坡面按空間平面來處理。

（3）局部穩定性分析成果。根據可能塊體組合及失穩模式判斷結果，應用楔形體穩定分析程序對可能形成的不穩定塊體進行分析，組合形成的楔形體空間見圖7。楔形體滑落示意見圖8。

在430～460 m高程開挖施工過程中，形成的開挖剖面可能與兩組結構面組成不穩定塊體，故應重視開挖方向和順序，特別是爆破擾動可能造成不穩定塊體下滑；開挖完成后兩組結構面距離下游開挖面較遠，組成不穩定塊體的可能性不大，故開挖完成后局部穩定性基本能得到保證。

圖7 楔形體空間視圖 （坡面產狀0°∠73°）

圖8 楔形體滑落示意

4 結語

綜合運用有限差分法和塊體極限平衡法對開挖高邊坡進行穩定性分析，得到如下結論：

（1）邊坡穩定性分析中，軟弱結構面起著控制性作用，考慮卸荷后的計算結果表明，斷層對該邊坡的整體相對位移應力有一定的影響，但是局部的小斷層對邊坡的整體穩定沒有構成較大威脅，但部分含有斷層的區域應該給予重點關注。

（2）從有限差分計算結果分析可知，邊坡整體的位移較小，邊坡開挖后在X、Y向的最大相對位移發生在中部370 m高程附近，而Z向的最大相對位移發生在開挖底部；第一主應力中最大拉應力為1.0 MPa，主要集中在底部隆起部位，對坡體穩定性威脅較小；開挖以后的塑性區集中在每級馬道附近，特別是弧形馬道的圈頂部分塑性區集中尤為明顯，應根據需要進行加固。因此，建議對邊坡每級開挖的坡腳進行監測，尤其是在370 m高程的位置。并且建議在開挖高程370 m處、馬道圈頂和斷層附近施加錨桿，以保證該邊坡開挖后的穩定性。

（3）采用塊體理論對邊坡的局部穩定性進行分析計算可知，在430～460 m高程開挖施工過程中，形成的開挖剖面可能與兩組結構面組成不穩定塊體，故施工過程中開挖方向和順序應該重視，及時觀察f1、f2的產狀和延伸情況，特別注意爆破擾動可能造成不穩定塊體下滑。

（4）開挖完成后兩組結構面距離下游開挖面較遠，組成不穩定塊體的可能性不大，故開挖完成后局部穩定性基本能得到保證。但考慮到水對開挖以后邊坡整體穩定性的影響，建議頂部開口線處設截水溝、每級馬道內側設排水溝，以控制雨水對邊坡穩定的影響。

［1］ 張敏，黃潤秋，史新鵬.小灣水電工程壩前2號山梁高邊坡穩定性評價［J］.湖南科技大學學報 （自然科學版）， 2009， 24（1）:53-57.

［2］ 孫玉科，牟會寵，姚寶魁.邊坡巖石穩定性分析［M］.北京：科學出版社，1998.

［3］ 陳祖煜.土質邊坡穩定分析·原理·方法·程序［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.

［4］ 楊軍.邊坡穩定性分析方法綜述［J］.山西建筑， 2009，35（4）:144-145.

［5］ Itasca Consulting Group Inc.FLAC3D （Fast Lagrangian Analysis of Continuain3Dimension）User'sManualsVersion2.1 ［Z］.Mineapolis,Minnesota,2002.

［6］ 劉錦華，呂祖珩.塊體理論在工程巖體穩定性分析中的應用［M］.北京：水利電力出版社，1988.

［7］ 于青春，陳德基，薛果夫，等.裂隙巖體一般塊體理論初步［M］.水文地質工程地質， 2005（6）:42-48.