石龍水電站對外交通公路邊坡穩定計算分析

楊靜安,周丹順,張為法,謝瑞昌

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

1 工程概況

石龍水電站位于松江河上，由混凝土重力壩(壩高43 m)、引水系統、發電廠房、開關站等組成，總裝機容量72 MW。水庫正常蓄水位479.00 m，相應庫容0.403億m3，石龍水電站于2010年機組全部投產發電[1]。

對外交通公路總長度760 m，屬于山嶺重丘三級公路，路肩寬7.5 m，路面寬6 m。2014年K0+600.00 m邊坡上方山體發生滑塌，方量約100 m3；2015年K0+460.00 m～K0+600.00 m發生塌方，方量約200 m3，2015年6月和7月出現約7萬m3和3萬m3的大規模變形滑塌，進場公路被阻斷。該邊坡距廠房距離約200 m，下部為上壩、進廠公路，邊坡的滑塌對于石龍水電站的安全運行影響較大，因此，必須重點研究邊坡塌方的破壞機理和整體穩定情況，提出可靠的治理措施，徹底消除邊坡安全隱患，保證水電站的安全運行[2-3]。

2 邊坡地質條件

2.1 地形條件

公路邊坡區為不對稱的河谷地貌。邊坡左岸為基巖岸坡，山勢高陡，岸坡高度100～240 m左右。邊坡下部為進廠房公路，路面高程452.00～454.00 m；邊坡中部為上壩公路，路面高程466.00～486.00 m，2條公路基本沿河平行展布于岸坡中下部。天然坡度43°～58°。本段邊坡因修建上壩路及進廠路對邊坡坡腳進行開挖，對開挖邊坡進行了噴錨處理，原設計開挖坡比1∶0.5～1∶0.75左右，開挖過程中因順層滑塌，最終開挖后人工邊坡坡度45°～60°，局部為80°陡崖。

2.2 地質條件

巖體層面與邊坡小角度相交，傾向坡外。邊坡巖層總體呈單斜構造，總體產狀為NW310°～342°，傾向NE，傾角29°～47°。順層裂隙作為邊坡上最發育的一組結構面，除表部10～15 m左右卸荷略微張開、充填有少量巖粉、巖屑外，深部一般多閉合。邊坡巖體中大的斷層不發育，主要發育結構面為層面、中小規模斷層及其它短小裂隙[4-5]。

按照優勢產狀，邊坡出露斷層可分為2組，2組斷層均較發育：① 走向NW281°～295°，傾向NE，傾角為51°～75°，該組為近EW向斷層，略偏N，且與坡面夾角較小，傾岸外，但多為陡傾，切不出坡面；② 走向NE57°～78°，傾向NW，傾角為59°～86°，該組與坡面大角度相交，陡傾向下游。其中斷層F1為邊坡發育的規模最大斷層，縱向貫穿邊坡，為滑塌面上游側側向邊界。斷層產狀有較大變化，高高程部位走向NW270°～280°，傾向NE，傾角68°～75°，中部走向NE85°，傾向NW傾角62°～70°；低高程部位走向NE58°，傾向NW，傾角53°。即走向由高至低逐漸從NWW變化至NEE，傾向由NE變為NW，傾角逐步變緩，但總體仍較陡。F1斷層破碎帶寬度8～20 cm，主要充填灰白色斷層泥、巖片、巖屑等，膠結差。

根據邊坡危險性由高至低將進站公路邊坡分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個等級區域，分別為危險區、潛在危險區和基本安全區(見圖1)。Ⅰ區為危險區，已出現多次滑塌，后期仍有再次發生較大變形破壞的可能性；Ⅱ區為潛在危險區，分布于Ⅰ區上下游兩側；Ⅲ區目前無明顯變形跡象，需加強觀測，對廠房等建筑物有影響的部位局部塊體、開口線附近可做適當處理。因此，重點對Ⅰ區進行模擬計算分析[5-6]。

圖1 公路邊坡分區及斷層節理分布圖

2.3 參數選擇

巖體質量及各類結構面的力學參數見表1和表2[7-8]。

表1 巖體力學參數建議值表

表2 邊坡結構面力學參數建議值表

對于Ⅰ區邊坡，根據現有滑面形狀、位置，假定塌方前邊坡處于極限平衡狀態，穩定安全系數Fs=1，分別采用極限平衡法及平面有限元法進行反演計算，反算出滑面的材料參數：c′=34 kPa，f=0.35。

3 邊坡變形破壞機制

3.1 變形特征

一方面邊坡挖除部分巖體后，造成坡形局部變陡，使位于開挖面上部的巖體臨空，失去原有的支撐，在自身重力及其上部巖體荷載、邊坡開挖爆破震動等作用下，巖石塊體有向坡外發生變形的趨勢；另一方面，邊坡開挖使巖體向臨空面方向發生卸荷回彈變形，而卸荷變形的差異導致巖體沿陡傾坡外、坡內結構面發生拉張、傾倒變形。巖體拉裂后，在爆破震動、地表水及風化等外動力作用下，促進了坡體變形向深部發展。此外，巖體內中-緩傾結構面(層面)尤其是緩傾坡外的結構面廣泛分布，因此，坡體的拉張傾倒變形到一定程度將追蹤巖體內不同深度的中-緩傾角結構面而發生剪切蠕滑，后緣沿已拉裂的陡傾結構面發生臺階式滑移-拉裂變形[9-10]。

3.2 破壞機制

邊坡的變形破壞是由于該邊坡順坡向及切坡陡傾結構面較發育，邊坡開挖后因底部坡形變陡、臨空失去支撐后發生的緩慢變形。變形在邊坡形成的早期未能得到有效的約束，特別是這樣高陡的邊坡形成后裸露了近5 a后才進行系統支護，這段時間邊坡持續變形，且達到一定的程度，隨后進行的支護措施已不能完全約束住邊坡變形，僅能起到延滯作用，變形仍在繼續，當變形達到臨界狀態，在降雨入滲原本干燥、松弛的塊體內，對巖體及結構面起到了濕化、軟化和瞬間孔隙壓力作用后，在重力作用下，邊坡下部塊體首先失穩，最終形成連鎖反應，致使邊坡出現較大規模的追蹤不同高程緩傾岸外層面、后緣及側向有陡傾結構面切割分離作用形成的大小不同、深度不同塊體的由上至下臺階狀牽引式滑塌破壞。

4 邊坡穩定計算分析

4.1 計算范圍

根據該研究區域的地質資料，順坡向為X軸正方向，與縱剖面方向平行的方向為Y軸正方向，豎直方向為Z軸方向，確定邊坡體三維地質模型的范圍為：模型X軸方向的尺寸約為414 m、Y軸方向的尺寸約為450 m、豎向從+300.00 m高程起。

4.2 地質模型

根據現場實際測繪和地質鉆孔等地質資料，控制性結構面主要考慮泥質型斷層F1，層間擠壓帶J1和巖脈在地質空間中的分布狀態，地層主要考慮弱風化巖體和微新巖體，建立三維有限元計算模型，計算范圍包括了潛在滑坡區域，樁號范圍K0+380.00 m～K750.00 m。其中X軸主要為順坡方向，Y軸大致沿著縱剖面12的方向，Z軸為垂直向上。三維有限元網格劃分及控制斷面1-1見圖2，其中節點482 171個，單元281 811個，單元類型以六面體為主，主要斷層三維關系見圖3。

圖2 整體模型圖

4.3 計算假定和計算工況

(1) 計算理論

利用大型非線性有限元軟件FLAC和ABAQUS計算，對于研究區域巖土體材料采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型。邊坡穩定性計算主要采用有限元強度折減法，強度折減采用非線性有限元方法。為了研究不同潛在滑坡體的三維穩定性狀態，在計算過程中只對研究的潛在滑體進行強度參數的折減，而對其他巖土體則不進行折減。

圖3 主要斷層關系圖

(2) 邊界條件

模型地表面為自由面，四周側面均法向位移約束，底面固定。

(3) 計算工況

邊坡穩定性計算分析考慮2種工況：自然工況和暴雨工況。

1) 坡體自重的模擬：在坡體自重荷載作用下得到潛在滑坡的應力場和變形場，然后位移置零；

2) 對于暴雨工況的模擬:主要考慮巖體材料的降低和滲透水壓力的作用。

4.4 邊坡穩定性計算結果

(1) 穩定系數計算

利用有限元法計算的1-1剖面，在天然及暴雨工況下潛在滑動面大致位于坡頂附近，沿頂部節理層面滑出。穩定性系數：天然條件下為1.14，暴雨條件為1.02,見圖4。

(2) 塑性區分布

從塑性區分布范圍來看，連通區域主要分布在剖面1-1上下游附近，集中在斷層F1、斷層F7與水平面形成的三角區域；從塑性區發展的程度來看，底部比上部的塑性程度深，見圖5。

(3) 邊坡變形

邊坡滑塌后潛在滑坡在臨界狀態的變形不大，主要位于滑塌后的頂部位置，且典型剖面1-1的變形增量顯示了貫通的滑移面范圍較大，且與滑移面的位置基本一致。最大變形點出現在邊坡滑動面底部，數值為2.181 mm。

圖4 自然工況和暴雨工況滑動面位置圖

圖5 自然工況和暴雨工況塑性區分布圖

(4) 邊坡支護

錨索的設置區域及方位充分考慮軟弱結構面的產狀、分布情況及可能發生的破壞模式，邊坡錨索根據滑面位置布置在上壩路上部。在上壩路以上5、10及15 m三位置安設3排錨索，邊坡縱向間隔4 m，錨索預應力分別采用1 500 kN，錨索與水平方向的夾角15°，錨索長30 m。計算得到天然工況下和暴雨工況下，1-1剖面的穩定安全系數分別為1.191和1.074。

5 結 語

(1) 從計算結果來看，暴雨工況均比自然工況的安全系數小。可見，降雨是影響邊坡穩定性的主要因素之一，因此要注意進行邊坡水位監測，進一步做好坡體的防洪排水工作，有效地攔截地表水和地下滲流，降低坡體水頭壓力，以提高邊坡的穩定性系數。

(2) 從剖面1-1支護前后邊坡的安全系數增加明顯，因此，建議在上壩路以上布置3～4排間隔5 m的錨索，錨索沿邊坡縱向間隔4 m，錨索預應力不少于1 500 kN，與水平方向的夾角15°。

(3) 對邊坡中上部的松動破碎巖體、坡體表部殘留的滑塌塊石、碎石等，建議清除。削坡卸載處理后穩定安全系數可明顯提升。

(4) 坡面有很多隨機塌落的小塊石，建議采用主、被動防護網支護。

(5) 建議對邊坡進行安全監測，主要監測邊坡內部的變形、支護內力，預測邊坡發展趨勢。

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