500m級順層陡傾特高人工邊坡破壞模式分析與開挖支護設計

孫云志 蘇傳洋

摘要：為研究錦屏一級水電站大奔流溝料場500 m級順層陡傾特高人工邊坡破壞模式、為邊坡開挖與支護設計提供依據，應用工程地質分析和數值模擬方法，研究了淺層滑移剪出破壞、深層滑移剪出破壞、壓剪潰屈破壞、壓裂滑移剪出破壞和隨機塊體破壞幾種可能存在的邊坡破壞模式，并以邊坡破壞模式為基礎，提出了開挖及支護設計建議。結果表明：壓剪潰屈破壞和壓裂滑移剪出破壞模式是500 m級順層陡傾特高人工邊坡特有的破壞模式;基于邊坡破壞模式的邊坡開挖與支護設計是有效的，可以保證人工邊坡的整體穩定性，實現邊坡的長期安全運行。

關鍵詞：500 m級順層陡傾; 特高人工邊坡; 壓剪潰屈破壞; 壓裂滑移剪出破壞; 長錨索支護; 格構梁支護; 錦屏一級水電站

中圖法分類號：TU43 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.003

文章編號：1006 - 0081（2022）02 - 0017 - 04

0 引 言

人工邊坡穩定性問題一直是備受關注的地質工程問題[1-3]，人工邊坡一旦失穩，將造成巨大的經濟損失和人員傷亡。隨著西部水電開發工程規模的不斷增大，高度大于300 m的特高人工邊坡工程越來越多。據不完全統計，在已建水利水電工程中，高度大于300 m的特高人工邊坡有20余處，如小灣水電站右岸壩肩人工邊坡高度700 m、錦屏一級水電站左岸壩肩人工邊坡高度540 m、白鶴灘右岸壩肩人工邊坡高度595 m、烏東德右岸拱肩槽人工邊坡高度412 m等[4]。

在人工巖質邊坡中，順層陡傾巖質邊坡是一種特殊類型的邊坡，一般指巖層的走向、傾向與邊坡的走向、傾向一致（或近似一致），且邊坡傾角大于60°的巖質邊坡。一般認為[5-7]，順層陡傾巖質邊坡的破壞模式有3種，即順層滑移破壞，潰屈破壞和彎折–崩塌破壞，但各研究觀點也有不同。在進行順層陡傾巖質邊坡的穩定性分析時，對其破壞模式的研究是最為重要的工作，是邊坡穩定性分析的基礎。人工邊坡穩定性分析方法主要包括工程地質方法、極限平衡法、數值分析方法等[6-8]。從國內外相關的研究資料來看，人為的擾動（包括開挖施工、爆破等因素）、地震和降雨是導致邊坡失穩的主要因素。

錦屏一級水電站大奔流溝料場是大壩混凝土人工骨料料場，位于雅礱江左岸臨江斜坡上，上距水電站大壩9 km，最大自然邊坡高度860 m，設計人工邊坡高度513 m，屬特高人工邊坡，為國內外順層陡傾巖質人工邊坡高度之最。2014年8月，錦屏一級水電站主體工程建成，大奔流溝料場特高人工邊坡與主體工程同時竣工驗收。

根據對大奔流溝料場500 m級順層陡傾特高人工邊坡破壞模式的研究，以及開挖與支護設計工程實踐得到的啟示是：① 順層陡傾巖質特高人工邊坡破壞模式中，除通常的順層滑移破壞外，還存在壓剪潰屈破壞模式和壓裂滑移剪出破壞模式，并已被實踐證實;② 應對坡面隨機塊體破壞模式給予足夠重視;③ 邊坡開挖與支護設計應基于邊坡破壞模式進行，并以此指導邊坡開挖與支護施工。

1 邊坡地質結構

1.1 地形地貌

大奔流溝料場自然邊坡為順向坡，邊坡走向自南向北為NE21°-N-NW334°，傾向SE-NE，邊坡高程2 130 m以下地形坡度55°～65°、以上65°～75°，坡腳河床高程1 620 m，臨江坡頂高程2 480 m，最大自然邊坡高度860 m。邊坡基巖裸露，自然岸坡穩定。

1.2 地層巖性

大奔流溝料場邊坡出露基巖為三疊系中、上統雜谷腦組第2段（[T22-3z]）的大理巖、第3段（[T32-3z]）的變質細砂巖夾少量板巖。第3段（[T32-3z]）總厚度大于300 m，按巖性進一步劃分為3層，即[T3（1）2-3z]～[T3（3）2-3z]，人工邊坡主要涉及其中第一層（[T3（1）2-3z]），厚度為177.66 m;[T3（1）2-3z]可進一步細分為9個小層，其中第1，3，5，7，9 小層巖性為中厚層狀變質石英細砂巖，第2，4，6，8小層為薄層狀變質石英細砂巖與板巖互層。

1.3 地質構造

大奔流溝料場邊坡為單斜層狀巖體，巖層總體走向350°～30°，傾向SE，傾角64°～72°。邊坡主要地質構造包括斷層、裂隙、層間軟弱夾層。斷層有32條，均為裂隙性斷層;以陡傾角為主，緩傾角斷層不發育。裂隙共計757條，以陡傾角為主，傾向坡外的緩傾角裂隙不甚發育。層間軟弱夾層有23條，主要發生在[T3（1）2?3z]變質石英細砂巖內，分為兩個類型，即層間剪切破碎夾泥層（Ⅰ類）和層間剪切破碎夾層（Ⅱ類）;其中，Ⅰ類夾層有3條，Ⅱ類夾層有20條。

大奔流溝料場邊坡地表徑流條件較好，地下水位埋深100～120 m，分布高程在1 868 m以下[5]。強卸荷帶水平寬度30～35 m，弱卸荷帶水平寬度40～50 m，為中等偏小地應力水平。邊坡巖體質量為Ⅱ類至Ⅲ1類。邊坡地質結構見圖1。

2 邊坡破壞模式

2.1 邊坡分區

根據人工邊坡坡面傾向與巖層傾向夾角的相對關系，將大奔流溝人工高邊坡劃分為西側順向邊坡和南側斜向邊坡。西側順向邊坡涉及開挖Ⅱ區和Ⅲ區，開挖坡面傾向與巖層傾向基本一致，二者的夾角小于15°，為順層陡傾巖質特高人工邊坡，是大奔流溝特高人工邊坡的主體（圖2）;南側斜向邊坡涉及開挖Ⅰ區，開挖坡面傾向與巖層傾向的夾角約15°～54°。

2.2 西側順向邊坡破壞模式

西側順向邊坡，邊坡走向NE28°，與巖層走向夾角約2°～5°，順層開挖。根據邊坡地層巖性、邊坡結構等工程地質條件及數值模擬分析結果，提出西側順向邊坡可能存在以下4種破壞模式：淺層滑移剪出破壞、深層滑移剪出破壞、壓剪潰屈破壞及隨機塊體破壞模式。

2.2.1 淺層滑移剪出破壞模式

當邊坡開挖至一定高程后，邊坡巖體沿[T3（1-3）2-3z]、[T3（1-4）2-3z]或[T3（1-5）2-3z]的層間軟弱夾層向下蠕滑變形，并沿某一緩傾角結構面（或近水平，或外傾）剪出，形成淺層滑移剪出破壞。

2.2.2 深層滑移剪出破壞模式

當邊坡開挖至一定高程后，邊坡巖體沿深部[T3（1-1）2-3z]或J301、J302、J303等層間軟弱夾層（帶）向下蠕滑變形，并沿中部或下部緩傾角結構面（或近水平，或外傾）剪出，形成深層滑移剪出破壞。

2.2.3 壓剪潰屈破壞模式

大奔流溝人工邊坡設計綜合坡角64°，與巖層真傾角相當。邊坡開挖后，陡傾層狀巖體在重力作用下，沿層面向下蠕滑變形;當變形受阻時，邊坡中部（或下部）將會出現鼓起、拉裂、脫層;當這些部位所受剪應力超過巖體抗剪強度時，巖層產生剪切折斷，形成壓剪潰屈破壞。

圖3為壓剪潰屈破壞演化數值模擬圖，取北西向正面坡的典型剖面進行計算分析。計算域內模擬了大理巖、薄層砂板巖、中厚層砂巖等14種巖層及強弱卸荷帶、層間錯動帶和斷層薄層實體單元。數值模擬計算參數取值見表1。

數值分析結果表明：邊坡開挖完成后，在正常工況、短暫工況和偶然工況下的安全系數分別為1.35， 1.18和1.17，均能滿足規范要求;各支護方案相對應的邊坡安全系數差別不大;與無錨固方案相比，正常工況下的安全系數提高了0.15～0.18。邊坡加固重點是對下部抗力體加以合理的保護和加固，及時提供圍壓，預應力錨索、鋼筋混凝土格構以及系統錨桿等措施均可以起到良好的加固作用;采取放緩坡比、留寬平臺、并使邊坡坡面出露在厚層砂巖中，以及每級馬道多排錨索支護的方案，對提高邊坡穩定性有明顯效果。

2.2.4 隨機塊體破壞模式

邊坡結構面組合形成隨機塊體發生破壞，其規模較小，一般小于20 m3。

2.3 南側斜向邊坡破壞模式

南側斜向邊坡，邊坡走向N28°W，傾向62°，與巖層走向夾角約15°～54°。南側斜向邊坡可能存在2種破壞模式，即壓裂滑移剪出破壞模式和隨機塊體破壞模式。

（1） 壓裂滑移剪出破壞模式。以長大結構面與陡傾角巖層層面為側向切割面，形成大型柱狀塊體。當大型柱狀塊體下部分布有層狀風化破碎巖體、軟弱夾層等軟弱巖體時，在重力作用下，下部軟弱巖體被壓裂破碎，導致上部大型柱狀塊體沿下部軟弱巖層壓裂滑移剪出，形成壓裂滑移剪出破壞模式。已知的壓裂滑移剪出柱狀塊體高度約90 m，寬度約27～30 m，結構面內交棱線埋深約27.44 m，體積約4 100 m3。

（2） 隨機塊體破壞與西側順向邊坡類似，規模較小，一般小于20 m3。

3 邊坡開挖與支護建議

3.1 開挖設計

（1） 邊坡巖層傾角64°～68°，開挖邊坡綜合坡角不應大于64°[8]，并保證邊坡開挖不切腳。

（2） 西側順向邊坡在高程1 850 m設計一級10～15 m的寬馬道，以此改善開挖邊坡下部巖體受力條件，同時保證高程1 850 m以下邊坡表部巖體為巖性較好的T2-3z3（1-5）層砂巖。

（3） 南側斜向邊坡在高程1 865～1 880 m設計一級10～15 m的寬馬道。

（4） 適當放慢開挖降坡速度，讓邊坡巖體有較充裕的時間變化邊坡應力分布。

（5） 嚴格執行預裂爆破作業，控制炸藥量，分段爆破開挖措施。

3.2 支護設計

（1） 應用長錨索和超長錨索防止邊坡淺層滑移破壞和深層滑移破壞。

（2） 設置坡面格構梁防止坡面隨機塊體破壞。

（3） 對于局部完整性較差、巖體質量低于Ⅲ2的坡體，增加錨筋混凝土短樁。

4 討 論

以邊坡破壞模式為基礎，開挖與支護設計的依據充分，且科學合理，西側順向邊坡均未發生淺層滑移剪出破壞、深層滑移剪出破壞和壓剪潰屈破壞，500 m級順層陡傾巖質特高人工邊坡順利建成，為類似特高人工邊坡勘察、設計、施工提供了范例。南側斜向邊坡也未發生淺層滑移剪出破壞或深層滑移剪出破壞，僅發生1起壓裂滑移剪出破壞，總體積約4 100 m3;由于預報準確，沒有造成生產事故。因此，對于順層陡傾特高人工邊坡而言，除通常的順層滑移破壞外，還應重視壓剪潰屈破壞模式和壓裂滑移剪出破壞模式帶來的人工邊坡安全風險。

5 結 語

錦屏一級水電站大奔流溝料場西側順向邊坡存在淺層滑移剪出破壞、深層滑移剪出破壞、壓剪潰屈破壞及隨機塊體破壞可能;南側斜向邊坡存在壓裂滑移剪出破壞模式和隨機塊體破壞可能。對于順層陡傾特高人工邊坡而言，除通常的順層滑移破壞外，還應重視壓剪潰屈破壞模式和壓裂滑移剪出破壞帶來的人工邊坡安全風險。本研究中基于邊坡破壞模式的邊坡開挖與支護設計是有效的，可以保證人工邊坡的整體穩定性，實現邊坡長期安全運行。

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（編輯：高小雲）