不同降雨和施工工況下某大壩左岸巖質邊坡開挖穩定性分析

李國玉

（臨沂市水利局，山東 臨沂276000）

大壩開挖過程中壩肩邊坡在不同工況下的穩定性問題是目前主要的研究熱點和方向， 對于水庫大壩安全運行至關重要［1，2］。 目前，關于邊坡穩定性方面的研究成果較為豐富， 一部分學者通過進行室內模型試驗， 模擬邊坡在各種工況下的破壞過程進而實現了定量分析［3-5］；另一部分學者借助有限元模擬軟件，建立邊坡的三維地質模型，通過賦予材料的物理和力學參數，分析邊坡的變形破壞規律［4-8］。 綜合分析現有的研究成果發現， 大多數文獻都是基于理想狀態下的巖土體穩定性分析， 缺乏對施工期不同加固條件下的邊坡的詳細分析和模擬。

本文依托于某大壩左岸巖質邊坡開挖過程，進行現場地質調繪， 并利用赤平投影對其可能的失穩模式進行判別。 然后從二維和三維角度分別分析了該巖質邊坡在不同施工期的穩定性問題。

1 邊坡概況

1.1 工程地質條件

某大壩左岸巖質邊坡巖體主要為花崗巖， 高程約810m以上為角礫巖、砂泥巖。 邊坡開挖后，表部有厚度0～13m左右的Ⅳa類或Ⅲb類巖體， 以里為Ⅲb或Ⅲa類巖體和Ⅱ類巖體， 而且邊坡位于卸荷帶以內，巖體結構以次塊狀結構為主，巖石強度高，巖體相對完整， 邊坡穩定性主要受結構面控制。 該處分布有F15，F18，F19，F37等Ⅲ級結構面，從空間分布和斷層規模來看，以NNW向中陡傾角、傾向坡外的F9，F15斷層對壩肩工程地質條件影響較大， 兩斷層雖規模較大，但距開挖坡面水平埋深大于75m；屬Ⅳ級結構面的小斷層（f）亦較發育，其中，高程690m以上有一條f分布于開挖坡面附近，水平埋深僅0～10m，對心墻開挖邊坡十分不利。此外，NNW順坡向中陡傾角節理較發育，延伸數米～數十米。

由于受構造、蝕變、風化及卸荷等綜合作用，左岸巖體完整性差，多為散體結構或碎裂結構巖體，相應壩基巖體質量差， 開挖邊坡的工程地質條件在不同高程亦有所不同，邊坡典型工程地質剖面如圖1。

圖1 大壩左岸典型工程地質剖面

1.2 巖體物理力學參數

根據室內土工試驗成果，結合水電工程邊坡巖體質量分級相關規范和標準［9］，本文初步確定該巖質邊坡的各類巖體及結構面的地質參數建議值見下：

Ⅴ類巖體：容重γ=22.0kN/m3，巖體抗剪斷強度f′=0.3，c′=0.05MPa。

Ⅳb類巖體：容重γ=23.5kN/m3，巖體抗剪斷強度f′=0.6，c′=0.3MPa。

Ⅳa類巖體：容重γ=24.0kN/m3，巖體抗剪斷強度f′=0.7，c′=0.4MPa。

Ⅲb類巖體：容重γ=25.2kN/m3，巖體抗剪斷強度f′=1.00，c′=0.8MPa。

Ⅲa類巖體：容重γ=25.7kN/m3，巖體抗剪斷強度f′=1.2，c′=1.3MPa。

Ⅱ類巖體：容重γ=26.1kN/m3，巖體抗剪斷強度f′=1.3，c′=1.8MPa。

節理面（弱上風化）抗剪強度f′=0.35，c′=0.05MPa。

節理面（弱下～微新）抗剪強度f′=0.5，c′=0.15MPa。

Ⅲ級斷層破碎帶抗剪強度f′=0.25，c′=0.01MPa。

1.3 失穩模式初步分析

為充分分析該邊坡的變形破壞機理， 從節理產狀方面對該邊坡可能的失穩破壞模式利用赤平投影進行了初步分析。

壩址區左岸尚發育一組結構面（傾向60°，傾角35°）， 該組結構面的產狀對右壩肩開挖邊坡的穩定極為不利。經地質工作分析，該組結構面主要為分布在上階段重力壩方案右壩肩處的中緩傾角節理，而在堆石壩心墻開挖部位分布則較少， 不為優勢結構面，相應對該處邊坡的影響有限，因此，在失穩模式判斷中未列該組結構面。 高程650m以下的二組結構面均傾向坡內， 它們自身及其組合不會影響邊坡的穩定，且該段開挖坡度較緩，為31°，故只對高程650m以上的開挖邊坡進行失穩模式分析。650高程以上開挖邊坡傾向56°，傾角59°。 初步判定該邊坡可能發生傾倒破壞，邊坡判別分析結果如圖2。

圖2 邊坡失穩模式判別圖

2 二維極限平衡分析

利用極限平衡法，綜合考慮施工期、暴雨期及加固措施前后的穩定性進行了計算和分析， 結果如表1。 計算結果表明，由于斷層較多，巖體蝕變強烈，卸荷帶發育， 高程710m以上邊坡存在沿強卸荷帶的滑動破壞，壩頂以上開挖邊坡也存在沿V類巖體的圓弧型滑動破壞。

表1 左岸壩肩邊坡穩定分析成果

3 三維極限平衡分析

由于左岸壩肩開挖邊坡穩定性較差， 為反映空間約束效應對邊坡穩定的影響，本文采用改進Sarma法在三維計算中的拓展［10］，對該部位邊坡進行了三維穩定分析計算，該程序生成的臨界滑裂面如圖3。

圖3 邊坡滑動效果

3.1 荷載工況與分析計算方法

計算荷載包括初始應力場、邊坡開挖釋放荷載和地下水滲透體積力，以及錨索預應力，加載過程如下：

（1）初始地應力場（包括天然地下滲流場產生的滲透力場）。

（2）①+邊坡開挖釋放荷載。

（3）②+錨索預應力。

（4）③+暴雨（或半暴雨）水位產生的滲透力增量。

第（4）級荷載增量是：認為運行期邊坡受到暴雨入滲，邊坡巖體處于飽和狀態，稱為暴雨水位。另外，在暴雨水位和天然地下水位之間取中間值水位作為一種荷載工況進行計算，稱為半暴雨水位。

采用求材料強度儲備安全系數的方法對邊坡的穩定性進行分析。 在計算中逐步降低巖體材料的強度參數，即用kf去除各種材料的c，f 值。根據計算結果中邊坡巖體的應力屈服狀態， 判斷是否產生大面積的屈服破壞區或形成了貫通性屈服通道， 通過試算c，f 值，可求得kf。

3.2 應力應變分析

心墻壩左岸邊坡剖面在開挖釋放荷載作用下，當材料強度儲備安全系數kf等于1.3時， 邊坡部位的最大位移增量約8.8cm，邊坡巖體的塑性屈服區并未貫通， 表明施工期心墻壩左岸邊坡整體安全系數≥1.3（圖4）。 但心墻壩頂以上巖體出現局部剪切破壞，邊坡中下部各斷層帶附近出現張拉剪切屈服區 （圖5），說明應進行局部加固。

圖4 開挖完成后位移矢量圖（kf=1.3）

圖5 左岸邊坡開挖完成后屈服狀態圖（kf=1.3）

心墻壩左岸邊坡剖面在運行期設定的半暴雨水位滲透力作用下，當材料強度儲備安全系數kf等于1.3時，邊坡頂部的最大位移增量值為19.8cm左右（圖6），邊坡中部斷層帶處巖體產生局部范圍的屈服區（圖7）。

圖6 半暴雨水頭作用下位移矢量圖

圖7 半暴雨水頭作用下塑性屈服區

心墻壩左岸邊坡剖面在運行期設定的全暴雨飽和水位滲透力作用下（kf=1.0），邊坡上部巖體產生較大范圍的屈服區（圖8），可以認為全暴雨運行期邊坡巖體飽和狀態下的安全系數＜1.0。

圖8 暴雨水頭作用下塑性屈服區填充圖（kf=1.0）

心墻壩左岸邊坡在710m高程以下各斷層帶附近，在邊坡開挖完成后和暴雨工況下，均有局部范圍的張拉和剪切屈服。

3.3 穩定性分析

計算結果如表2：在多種工況下，壩頂以上局部V類巖體邊坡穩定性較差，存在失穩可能。

表2 左岸壩肩邊坡三維極限平衡分析計算成果

以上分析表明， 心墻壩左岸邊坡在施工期的整體邊坡安全系數基本滿足設計要求； 運行期邊坡在710m高程以下各斷層帶附近及坡頂有局部的張拉和剪切屈服，應采取適當的加固措施。

4 加固處理措施

在710m高程以上，由于邊坡坡度較陡（開挖坡比1∶0.6），且邊坡巖體質量較差，二維、三維極限平衡分析成果顯示， 該處存在沿強卸荷帶的滑動及壩頂以上邊坡沿V類巖體的圓弧型滑動破壞；平面有限元分析成果顯示，高程710m附近及其以下的斷層帶巖體，在半暴雨水位滲透力作用下將產生局部屈服區，需要進行加固。

除系統支護外， 采用坡面錨索與山體內錨固洞結合的方式，聯合加固不穩定坡體；高程731～790m的開挖坡面， 設置2000kN級預應力錨索， 間距4m×6m，深度30～60m；高程821.50～890m的開挖坡面，施加3000kN級預應力錨索，間距3m×6m，深度50～70m；高程890m以上的邊坡及自然山坡，設置錨固洞，錨固洞水平間距6m，高差8m，洞深70～100m，每洞內布置錨索3×3000kN，錨索深度60～90m。

左岸壩頂以上邊坡經預應力錨索與錨固洞加固后， 總錨固力達到18.7×105kN （其中： 錨固洞5.85×105kN，預應力錨索12.87×105kN），與三維計算成果的總錨固力18.6×105kN較接近，邊坡穩定可滿足要求。

5 結語

以某大壩左岸巖質邊坡為研究對象， 開展了不同降雨和施工工況下穩定性分析研究，結論如下：

（1）邊坡高程650m以下的二組結構面均傾向坡內，它們自身及其組合不會影響邊坡穩定，且該段開挖坡度較緩，為31°，故只對高程650m以上的開挖邊坡進行失穩模式分析， 初步判定該邊坡可能發生傾倒破壞。

（2）斷層較多，巖體蝕變強烈，卸荷帶發育，高程710m以上邊坡存在沿強卸荷帶的滑動破壞， 壩頂以上開挖邊坡也存在沿V類巖體的圓弧型滑動破壞。

（3）大壩左岸邊坡在施工期的整體邊坡安全系數基本滿足設計要求， 但暴雨工況下可能發生傾倒破壞， 需要及時采取運行期邊坡在710m高程以下各斷層帶附近及坡頂有局部的張拉和剪切屈服。