金川水電站路基邊坡穩定性分析與評價

趙中強 王有林 王文革

摘要：為研究金川水電工程進場公路路基邊坡出現拉裂變形，且對邊坡下部公路通行車輛和行人安全造成隱患的問題，通過現場勘察，分別采用極射赤平投影法和極限平衡法，對該巖質邊坡穩定性進行了定性和定量分析，并相互驗證。結果表明：該巖質邊坡整體穩定較差，發育傾向岸外兩組結構面與巖層面組合易形成不穩定楔形體，在天然工況下邊坡處于欠穩定狀態，在極端不利工況處于不穩定狀態，易發生整體失穩。研究成果可為其他公路邊坡拉裂變形穩定性分析提供借鑒。

關鍵詞：路基邊坡穩定性; 巖質邊坡; 赤平投影; 極限平衡分析法; 金川水電站

中圖法分類號：U416.14文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.010

文章編號：1006 - 0081（2022）05 - 0058 - 05

0 引 言

近年來，隨著中國水電工程的開發利用，相關基礎設施建設發展迅速，尤其是山區水電項目日益突出。水電開發一般位于高山峽谷地帶，地質條件復雜，地形起伏變化大，工程建設中往往會遇到人工邊坡和高邊坡拉裂變形問題。巖質邊坡一旦變形失穩，危害性極大，對邊坡實施有效防護和治理是避免地質災害發生的有力保證。邊坡穩定受地形地貌、地層巖性、地質構造及風化卸荷等因素影響，伴隨著人類活動及外動力因素[1]（地震、強降雨及施工擾動等），巖質邊坡失穩[2]與破壞主要受巖體內發育結構面控制，結構面的空間分布及不利組合直接影響邊坡穩定。本文以金川水電站進場道路（G248）路基邊坡為例，利用赤平投影法[3]分析各結構面的空間組合形式，定性分析邊坡可能出現的破壞形式[4]，再利用極限平衡分析法，定量分析邊坡穩定性，并相互驗證分析[5]，對該邊坡提出了切實可行的工程處理建議[6]。

1 工程概況

金川水電站建成蓄水后，會將原省級公路（S211）淹沒，為保障地方交通和工程建設，需對該路段進行復建（G248）。在電站復建公路里程K14+123～K14+191段路基邊坡外側出現拉裂縫（圖1），底部為原省道S211及過河鋼架橋。裂縫走向基本與邊坡走向平行，裂縫長約25 m，高出原省道路面超50 m，距省道內側路邊線僅2～3 m，距復建公路中心線平面距離6.6 m，垂直高差為7.5 m。邊坡整體為強卸荷發育區，發育多組拉張結構面，局部已發生崩塌、掉塊及塌滑現象。因此，該路基邊坡拉裂對復建公路及省道S211行人和車輛和鋼架橋有較大影響。

2場地工程地質條件

2.1 地形地貌

復建公路G248樁號K14+123～K14+191段地處高山峽谷區，山勢挺拔，為典型中高山地形地貌區。地形坡度一般為30°～68°，相對高差300～800 m，河段的總體走向為SE140°～160°，邊坡表部植被一般發育，整體多基巖裸露，由于風化卸荷及結構面發育，巖體較破碎。

2.2 地層巖性

邊坡出露的地層主要有三疊系侏倭組（T3zh）及第四系全新統地層。其中三迭系侏倭組（T3zh）為灰色薄-中厚層變質砂巖夾板巖等，巖層產狀NW290°～298°SW∠33°～67°;第四系全新統地層主要為崩坡積（Q4col+dl）碎石土等。

2.3氣象條件

工程區屬明顯的大陸性高原季風氣候，其顯著特點是全年日溫差大，年溫差小，立體差異突出，干濕分明，四季不明顯。區內降水分布差異顯著，降水量由南向北隨海拔的增高而增多。區內多年平均降水量為621.0 mm，最大年降水858.1 mm，最大日降雨量56.2 mm，最大一次暴雨量為52.1 mm。

3 邊坡穩定性分析

3.1 邊坡現狀及工程地質條件

復建公路G248工程K14+123～K14+191段位于電站壩址區上游約18 km處，岸坡山勢較為陡峻，岸坡傾向NE45°，坡度約為30°～68°，相對高差300 m以上。邊坡巖體主要是三疊系侏倭組（T3zh）為灰色薄-中厚層變質砂巖夾板巖，巖層產狀為NW290°～298°SW∠33°～50°，邊坡整體為順向谷反向坡，相對邊坡穩定性較好。

邊坡巖體未見斷層發育，主要發育有4組結構面裂隙（圖2～3）。① 層面裂隙組： NW290°～298°SW∠33°～50°（傾向岸內）;② L1組：NW303°～338°NE∠55°～72°（傾向岸外）;③ L2組：NE6°～42°SE∠71°～73°;④ L3組：NW280°～290°NE∠50°～64°（傾向岸外），邊坡整體屬強卸荷區，卸荷深度較大，大多為壓扭性或張扭性節理裂隙。

由于邊坡臨空卸荷及拉張結構面發育，相互組合切割，邊坡前緣陡立臨空面發生崩塌掉塊現象，局部已發生小范圍牽引式塌滑，現該邊坡前緣處出現拉裂（圖4），拉裂寬度約為5～12 cm，延伸超20 m，該裂縫高出S211省道約50 m。

該邊坡屬縱向谷反向坡，對邊坡整體穩定有利，但表部強卸荷及傾向岸外結構面發育，對臨空陡立邊坡不利，易形成崩塌及沿傾向岸外結構面發生牽引式崩滑。

該邊坡前緣出現拉裂縫，主要受原S211省道路塹邊坡開挖影響，邊坡陡立，邊坡卸荷回彈發育多組結構面，巖體沿卸荷結構面發生變形拉裂，形成拉裂縫，且結構面相互組合切割，形成不穩定楔形體，發生崩塌掉塊現象，局部已發生蠕滑變形，其邊坡變形范圍為472 m2（圖5），變形方量約為800 m3。

3.2 邊坡破壞模式分析

現場調查表明，邊坡巖體在重力作用下形成張拉裂縫，拉裂面沿著原有結構面壓碎擴容，形成貫通性破裂面，沿裂隙貫通面滑移破壞（滑坡）。

滑移破壞是邊坡巖體在重力作用下，所受上覆巖體剪應力超過層間結構面的抗剪強度，沿貫穿結構面發生傾向坡外滑動。滑動是邊坡破壞的普遍形式，以剪切破壞為主。邊坡巖體沿單一地質斷裂面或傾向岸外裂隙面（L1組、L3組）等發生剪切位移，而滑體的兩端多呈拉斷破壞。

根據邊坡的破壞形式，采用赤平投影法對邊坡結構特征穩定性進行定性分析，再采用極限平衡分析法對邊坡穩定性進行定量分析評價，相互驗證，評價邊坡整體穩定性，最后根據評價結果提出相應的措施建議。

3.3 赤平投影法邊坡穩定性分析

通過邊坡巖層產狀和發育的4組結構面，用赤平極射投影分析邊坡穩定性（圖6）。

邊坡發育多組結構面，其中有3組組合形成的塊體不穩定，易發生滑動（圖5）：① L1組與L2組裂隙組成塊體與邊坡傾向相同，傾向岸外，傾角小于邊坡坡角，組合塊體不穩定，易滑動;② L1組與L3組裂隙組成塊體與邊坡傾向相同，傾向岸外，傾角小于邊坡坡角，塊體不穩定，易滑動;③ L2組與L3組裂隙組成塊體與邊坡傾向相同，傾向岸外，傾角小于邊坡坡角，邊坡塊體不穩定，易滑動。

綜合分析判定，K14+123～K14+191段路基下方的邊坡整體較穩定，但其中L1和L2組、L1組和L3組、L2組和L3組結構面與巖層面組合切割楔形體形成危巖體，在不利條件下，易沿傾向岸外結構面向下滑動，進而發生崩塌及滑移破壞。

3.4 邊坡穩定性計算

根據G248公路K14+123～K14+191段邊坡開裂變形剖面（圖7），建立極限平衡分析計算模型。其中邊坡為巖質邊坡，L1組和L3組結構面基本平行于坡面，易形成貫穿結構面，使巖體沿結構面發生滑動，且拉裂縫方向基本與傾向坡外結構面一致，因此，本次計算滑動面以拉裂縫為后緣，以傾向岸外結構面延伸至邊坡坡腳巖體破碎處為剪出口作為整體滑動面。

根據邊坡的邊界特征模型，以現場調查的地質原型為基礎，考慮到拉裂縫和軟弱結構面對邊坡穩定性的影響，根據巖體風化程度及結構面發育定義拉裂縫結構面、軟弱結構面、第四系崩坡積碎石土、拉裂變形體、弱風化變質砂巖上限和弱風化變質砂巖上限巖體及拉裂滑移面等，計算模型見圖8，材料計算參數取值如表1所示。

在本次邊坡穩定性計算中，考慮了天然、降雨和地震3種工況。根據當地氣象臺監測資料，區內日最大降水量為56.2 mm。邊坡區地震基本烈度為Ⅷ度，50 a超越概率水平10%的水平加速度峰值為0.1g，故計算考慮地震影響時，根據GBT 38509-2020《滑坡防治設計規范》，取綜合水平地震系數為場地地震動峰值加速度的1/4，即[αw]=0.025g。

根據計算結果（表2）和GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術規范》邊坡穩定性評價標準，在天然狀態下，拉裂變形區邊坡Fs=1.042，邊坡整體處于欠穩定狀態;在暴雨工況下和地震-暴雨耦合工況下，Fs分別為0.991和0.963，均處于不穩定狀態。

3.5 邊坡發展趨勢分析與預測

綜合分析，目前拉裂變形邊坡在天然工況下處于欠穩定狀態，可能發生崩塌滑移破壞;在暴雨及地震工況下，邊坡處于不穩定狀態，易發生整體塌滑，且邊坡在復建公路修建過程中，受大型機械加載及施工擾動，不利于邊坡穩定。因此，需對邊坡進行必要的工程處理。

4 邊坡治理工程措施建議

結合現場地形，G248公路K14+123～K14+191段位于拉裂變形區邊坡上部，路堤擋墻位于拉裂變形區內側，路基基礎為弱風化變質砂巖，對G248公路路基影響相對較小，但G248公路建設施工對下部拉裂變形區邊坡有影響，施工擾動和機器加載可能導致邊坡發生崩塌或整體失穩，威脅邊坡下部鋼架橋及S211省道過往行人和車輛。因此，需對下部拉裂變形區進行工程處理。

（1） 對該工程而言，拉裂變形區范圍相對較小，建議清除拉裂變形區以下松動和不穩定巖體，對局部相對穩定區域進行噴錨加固，并對邊坡巖石破碎區進行噴混凝土防護處理。

（2） 建議邊坡上方設置截水溝和排水溝等截排水措施，防止地表水或降雨入滲軟化巖體，影響邊坡穩定性。

5結論與建議

（1） 金川水電站復建公路G248樁號K14+123～K14+191段邊坡整體為順向谷反向邊坡，岸坡整體較為穩定。

（2） 樁號K14+123～K14+191段邊坡前緣出現拉裂縫現象。邊坡巖體受原S211省道路塹邊坡開挖影響，邊坡卸荷回彈，發育多組卸荷結構面且邊坡陡立;在自重應力作用下，巖體沿卸荷結構面發生變形拉裂，形成拉裂縫，且多組結構面組合切割，形成不穩定結構體，發生崩塌掉塊現象。邊坡局部已發生滑動破壞，其邊坡變形范圍為472 m2，變形方量約為800 m3。對邊坡下部鋼架橋及道路行人和車輛影響較大。

（3） 通過赤平投影法對邊坡穩定性進行分析，K14+123～K14+191段路基下方的邊坡整體較穩定，因L1組和L3組結構面與邊坡斜交，斜交夾角小于40°，且L1和L2組、L1組和L3組、L2組和L3組結構面與巖層面組合切割楔形體形成危巖體，在不利條件下，易沿傾向岸外結構面向下滑動，發生崩塌及滑移破壞。

（4） 通過極限平衡法分析，拉裂變形區邊坡在天然工況處于欠穩定狀態，在暴雨和地震工況（施工擾動）下，邊坡均處于不穩定狀態，需對拉裂變形區進行工程處理。

（5） 拉裂變形區方量相對較小，建議清除拉裂變形區以下松動和不穩定巖體，對局部相對穩定區域進行噴錨加固，并對邊坡巖石破碎區進行噴混凝土防護處理。

（6） 建議在邊坡上方設置截水溝和排水溝等截排水措施，以防坡面水流滲入影響邊坡穩定。

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（編輯：唐湘茜）

Stability analysis and evaluation of subgrade slope of?Jinchuan Hydropower Station

ZHAO Zhongqiang，WANG Youlin，WANG Wenge

（Northwest Engineering Corporation Limited， Xi'an 710065， China）

Abstract： In order to study the tensile cracking deformation of highway subgrade slope of Jinchuan hydropower project， which threat the safety of road traffic and pedestrian safety， based on the field investigation， stereographic projection method and limit equilibrium method are respectively adopted to make the qualitative and quantitative analysis of rock slope stability for mutual corroboration. The results show that the overall stability of the rock slope is poor， and the combination of two groups of structural planes inclining toward to river bank and rock planes tends to form an unstable wedge body. The slope is in an less stable state under natural conditions， and in an unstable state under extreme unfavorable conditions， and the overall stability loss is easy to occur. The research results can provide reference for other highway slope tensile deformation stability analysis.

Key words： subgrade slope stability; rock slope; stereographic projection; Limit Equilibrium Analysis Method; Jinchuan Hydropower Station

收稿日期：2021-07-09

作者簡介：趙中強，男，工程師，碩士，主要從事水利水電工程、巖土工程勘察及地質災害調查評價工作。E-mail：610264726@qq.com