水庫左壩肩邊坡穩定性分析

□樊 敏（貴州省水利水電勘測設計研究院）

□袁宗強（銅仁市水利電力勘測設計院）

水庫左壩肩邊坡穩定性分析

□樊 敏（貴州省水利水電勘測設計研究院）

□袁宗強（銅仁市水利電力勘測設計院）

巖質邊坡穩定性分析是土木工程領域中的一個重要研究課題。某水庫左壩肩邊坡為順向坡，構造裂隙較發育，對工程的安全運行存在隱患，其穩定性是該工程主要研究的工程地質問題之一。筆者通過前期勘察采用赤平投影和不平衡推力傳遞系數法中的折線滑動計算方法對該邊坡的穩定性進行分析論證，提出了相應的處理措施。

邊坡；順向坡；穩定性分析；赤平投影；不平衡推力傳遞系數法

1 工程概況

某水庫位于松桃河一級支流——鎮江河的上游，屬長江流域中的沅江水系。流域屬亞熱帶季風濕潤氣侯區，氣流受西北部梵凈山所阻，雨量充沛，多年平均降水量1365mm，多年平均徑流量2680×104m3。年際變化較大，降水在年內分配不均。多年平均氣溫16.30℃,極端最高氣溫40.20℃,最低氣溫-12℃,年均日照時數1201.80h,無霜期平均為289d,平均陸地蒸發量494mm，全年靜風頻率為46%，30年一遇最大風速為18.70m/s。該工程壩型初定為碾壓混凝土重力壩，水庫總庫容1054.00萬m3，水庫正常蓄水位486.00m，最大壩高77.70m，壩頂長209.00m，寬7.00m，工程等級為Ⅲ等，工程規模屬中型。是一項以灌溉、城鎮供水為主的綜合利用中型水利工程。主要建筑物由大壩、導流兼放空隧洞等組成。

2 左岸地形地質條件

壩址兩岸最高高程為751.00m，壩址處河床高程418.04～425.98m，相對高差為325.02～332.96m，河床比降1.10%，較平直，河床寬6.10～10.30m，河谷階地不發育，發育河漫灘，寬15.80～29.10m。左岸地形總體坡向192.70°左右，坡度為33～41°，初定碾壓混凝土重力壩的正常蓄水位（486.00m）處的地形寬高比2.57～2.81，河谷為較對稱的“U”型谷。

左岸出露地層有：第四系殘坡積堆積（Qedl），為粘土夾碎石，厚0～4m；寒武系上統爐山組（∈3l），由淺、深灰色薄至巨厚層灰巖、白云巖、灰質白云巖組成。

壩址區為單斜構造，巖層產狀為243～257°∠34～40°，傾向右岸偏上游。發育F1、F2、F3和F4斷層。F1為壓扭性逆斷層，從左岸斜穿河床至壩址右岸，產狀N5～7°E，SW∠69～72°。F2、F3、F4為3條平行正斷層，產狀分別為N81～86°E，NW∠60～70°、N82～85°E，NW∠70～73°、N83～85°E，NW∠65～67°，皆發育于壩址右岸，斜穿河床交于F1斷層。經地面調查、測繪和鉆孔揭露，壩址構造裂隙發育:左岸及河床巖體線裂隙率KL=3～5條/m，切割較深，溶蝕性風化嚴重；右岸及河床巖體線裂隙率KL=4～6條/m，壩址主要發育3組構造裂隙：①走向 N50～60°E，直立；②N71～80°E，SE∠72～78°；③N25°E，SE∠70～80°。

根據地下水調查，地下水按賦存條件有3種類型：孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水。壩區寒武系上統爐山組（∈3l）地層為碳酸鹽含水巖組地層，以溶溝、穴、孔為主，為中等巖溶化巖組。河床及兩岸巖溶主要發育于地下水升降較頻繁的地帶，左岸380.00～450.00m，右岸375.00～445.00m。河床兩岸地下水位相對對稱，地表與地下分水嶺基本一致，左岸地下水位平均比降為53.10%左右；右岸地下水位平均比降為57.70%左右。

3 左壩肩邊坡穩定邊界條件分析

對左壩肩邊坡影響最大的為裂隙和巖層層面。裂隙主要有：①走向N50～60°E，直立，延伸較長，較大的有4條，其中3條位于壩址下游，1條位于上游，據地面測繪統計最長的達到122.60m，溶蝕破壞深度0.50～15m，張開寬度5～30cm，充填物為粘土夾碎石，為滑動側拉裂面；②N71～80°E，SE∠72～78°，總體延伸1～5m，切深0.30～3m，張開寬度0～10cm，充填物為粘土夾碎石，為滑動側拉裂面；③N25°E，SE∠70～80°，延伸0.50～4.00m，切深0.20～5.60m，張開寬度0～11cm，充填物為粘土夾碎石，為滑動側拉裂面。巖層層面發育，巖體線裂隙率KL=3～5條/m，層面較平直，偶夾泥模，產狀為250°∠37°，傾向右岸偏上游，為底滑面，①、②、③與巖層層面組合易形成不穩定危巖體。

除裂隙和巖層層面對邊坡穩定性影響較大外，地表水、地下水和人工爆破等對邊坡的影響也較大。

4 左壩肩邊坡穩定性分析及評價

4.1 赤平投影分析評價

赤平投影分析方法是巖質邊坡穩定性分析的常用方法之一。它不僅可以確定邊坡上結構面的組合關系和給出邊坡上可能不穩定結構體的形態等，同時也可以確定不穩定結構體的可能變形的位移方向，從而給出邊坡穩定條件分析和穩定性狀態的初步評價。根據《水利水電工程邊坡設計規范》（SL386－2007），穩定性初步分析采用赤平極射投影分析方法。

左壩肩：地形坡向192.7°，自然坡角33～41°，巖層產狀250°∠37°，為順向坡，建議開挖坡角為38°，結構面摩擦角采用31°（f=0.60），與壩址發育的代表結構面①、②、③的交線產狀見表1。

圖1 赤平投影分析（下半球投影）圖

表1 左壩肩邊坡穩定性分析結構面表

通過圖1知：無極點落入傾倒區內，僅⑤號極點落入滑動區內，邊坡存在滑動破壞的可能，需要進一步進行穩定性復核計算。

4.2 不平衡推力傳遞系數法分析評價

由赤平投影的初步分析可知，邊坡可能存在滑動破壞，根據《中小型水利水電工程地質勘察規范》（SL55－2005）的規定及《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330－2002）的要求，本文進一步采用折線滑動法復核計算⑤號極點的穩定性。折線滑動法中邊坡穩定性系數Ks的計算公式見式（1）：

式中：Ri為第i個計算條塊滑動面上抗滑力（單位kN/m）；Ti為第i個計算條塊在滑動面切線上的反力（單位kN/m）；ψi為第i個計算條塊剩余下滑推力向第i+1計算條塊的傳遞系數。Ri、Ti、ψi的計算方法如下：

其中，Ni為第i個計算條塊在滑動面法線上的反力（單位kN/m），可按式（5）計算；fi為第i個計算條塊滑動面上巖土體的內摩擦系數標準值；ci為第i個計算條塊滑動面上巖土體的粘結強度標準值（單位kPa）；li為第i個計算條塊滑動面長度（單位m）；γi為第i個計算條塊巖土體的重度（單位kN/m3）；Ai為第i個計算條塊面積（單位m2）；Pwi為第i個計算條塊單位寬度的動水壓力（單位kN/m），其計算公式見式（6）；θi為第i個計算條塊底面傾角；αi為第i個計算條塊地下水位面傾角。

式中：γw為水的重度（單位kN/m3）；Vi為第i個計算條塊單位寬度巖土體的水下體積（單位m3/m），其他參數含義同上文介紹。

通過對⑤號極點穩定性的復核計算，其穩定性系數Ks=1.31，小于臨界值（[Ks=1.35]），邊坡有滑動破壞的可能性。

5 處理措施

邊坡存在⑤號極點滑動破壞的可能，尤其是表層卸荷較大、風化較深的部分。對不能繞避的邊坡本著“加固寧強勿弱、確保安全”的原則，建議清除強風化表層和施工中發現的不穩定體，截流或引排對邊坡穩定有害的地表水和地下水，降低孔隙水壓力和動水壓力，防止不良地質結構面強度降低，再采取混凝土噴錨以防后期風化破壞。

6 結語

巖質邊坡穩定性分析評價的方法多種多樣，基于赤平投影和不平衡推力傳遞系數法中的折線滑動法定性、定量評價了某水庫左壩肩的穩定性，提出了相應的處理措施。但是，客觀地講，由于進行邊坡地質勘察的難度較大，影響因素較多，所提供的邊坡穩定性計算參數可靠性較低。因此，要比較準確地進行邊坡穩定性計算，尚有大量的工作亟待進行。

[1]袁宗強，樊敏.鹽井工程水利工程壩址右岸鼻梁山嘴穩定性分析[J].小水電，2010，（04）：22-26.

[2]佴磊，徐燕，代樹林，等.邊坡工程[M].北京:科學出版社,2010.

[3]陳祖煜,汪小剛,楊健,賈志欣,王玉杰.巖質邊坡穩定分析－原理·方法·程序[M]北京:中國水利水電出版社,2005.

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