順一切向高陡巖質邊坡穩定性分析及治理措施

關鍵詞：順—切向；高陡巖質邊坡；赤平投影；離散元；楔體法

中圖法分類號：TV223 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki. slsdkb. 2025.05.010

文章編號：1006-0081（2025）05-0063-07

0 引言

水利水電工程建設中，高壩開挖形成的高陡巖質邊坡因其高風險性和高危害性而通常被作為工程重大技術問題處理，對其開展穩定性分析和治理措施研究十分必要。陳祖煜等[1]結合三峽、小浪底、洪家渡、錦屏、小灣、糯扎渡等大型水利水電工程的研究成果，總結了巖質邊坡穩定分析的原理、方法和程序，發展完善了以極限平衡為基礎的巖質邊坡穩定分析理論。徐鵬等[2]結合扎拉水電站邊坡開挖支護工程，通過分析邊坡結構類型，研究邊坡整體失穩破壞模式，分別考慮錨桿抗拉和抗剪作用，分析錨固力對邊坡穩定性的影響規律，探究該邊坡順層滑移穩定性及支護設計方案。陳曦等[3]建立了料場分級開挖有限元模型，研究分析不同開挖步驟下旭龍水電站石料場高陡巖質邊坡的變形及穩定性特征。張胤等4基于邊坡臨界破壞狀態判別方法及強度折減法和排中律思想，建立二折線邊坡數值模型，分析了邊坡幾何形態及結構面物理力學參數對邊坡穩定性的敏感性，并應用于某邊坡穩定性分析中。陳紅如等5基于連續介質理論和顯式有限差分法的FLAC3D軟件，研究了滇中引水石鼓水源工程強風化巖質邊坡穩定性與治理措施。屈新等以皖南板巖邊坡為例，系統探討了“串層錨桿”的長度、數量，以及加固位置對反傾向層狀邊坡穩定性的影響規律，提出了邊坡的“串層錨桿”最佳加固方案。萬志杰[7]采用極射赤平投影法等研究了近壩庫岸多結構面高陡巖質邊坡穩定性。李韜等利用通用離散元軟件UDEC等技術研究了白鶴灘水電站左岸壩肩開挖邊坡穩定性。王吉亮等利用FLAC3D數值模擬等技術研究了復雜層狀高陡巖質邊坡變形與穩定性。李會中等[1]借助Adam三維數碼照相技術建立了一套高陡巖質邊坡塊體穩定性研究的系統方法。大量工程實踐表明，水利水電工程巖質邊坡穩定性分析和治理技術已比較成熟，在各類工程規模項目建設中均取得了成功。然而，對于更具風險性和危害性的順一切向邊坡高陡巖質邊坡，目前暫無針對性的分析案例。

本文以觀音水庫大壩左岸順一切向高陡巖質邊坡為研究對象，根據邊坡地形地質條件及開挖設計情況，分析破壞模式，計算抗滑穩定安全系數，對不穩定滑體采取針對性治理措施，為工程建設提供理論支撐，同時也能豐富和拓展高陡巖質邊坡穩定性分析和治理的理論與實踐經驗。

1 工程概況

省遵義市觀音水庫地處省遵義仁懷市學孔鄉與匯川區山盆鎮交界處，壩肩開挖形成最高122m 的順一切向高陡巖質邊坡，形成3個方向的臨空開挖坡面，上游側正順向坡，開挖坡比1：1.6;壩軸線方向斜順向坡，開挖坡比 1：0.25～1：1 ；下游側橫向或切向坡，開挖坡比 1：0.3 。各個開挖臨空坡面均存在不利結構面組合形成的空間楔形潛在滑體，構成了安全威脅，需要分析研究邊坡穩定性和破壞模式，制定處理方案。壩軸線方向邊坡分5級開挖，綜合開挖坡比 1：0.55 ，其中：從地表至第1級馬道高程 635.0m （即壩頂高程），開挖坡比1：0.5，坡高 13m ，馬道寬3m ；往下至第2級馬道高程 605.0m ，開挖坡比 1：0.25 ，坡高 30m ，馬道寬 3.0m ；往下至第3級馬道高程575.0m ，開挖坡比1：0.25，坡高 30m ，馬道寬 6m ；下至第4級馬道高程 542.0m ，開挖坡比 ，坡高33.0m ，馬道寬 7m ；下至河床壩基高程 526.0m ，開挖坡比1： 1.078～1：0.641 。大壩上游邊坡為順向邊坡，傾下游偏右岸，傾角 36^° ，開挖坡比按傾角推測采取1：1.6，不設置馬道，由于邊坡巖層傾下游偏右岸，存在斜向切角開挖。下游邊坡為逆向坡，邊坡穩定性較好，開挖坡比1：0.3，不設馬道。邊坡開挖設計見圖1。

2 左岸壩坡巖體結構

左岸壩坡原始地形總體為一凸出山脊，下陡、上緩，下部（ 621m 高程以下）坡度 49^°～70^° ，為陡崖或陡坡，坡高約 80m;621～647m 高程，坡度 8^°～41^° 。壩軸線上游約 50～61m 分布1條沖溝，走向 S60^°W ，沖溝兩側呈不對稱“V”形縱向谷。

岸坡巖體由 T₁m^2-1 中厚層灰巖、白云質灰巖夾少量泥質白云巖、角礫狀白云巖和 T₁m^2-2 溶塌角礫巖夾炭質泥巖組成。二者在 720m 高程分界，厚度分別為80～120m 和 26～33m 。巖體完整、風化淺，中硬巖。

巖層傾下游偏右岸，產狀為 50^°～55^°∠32^°～37^° 。地表地質調查及平磵揭露，發育有 L1～L6 共6組裂隙和 NJ1～NJ3 共3條巖性夾層，分布見圖2。

L1：產狀 N45^°E∠70^° ，切層，可見延伸 5～10m ，間距 0.3～1.2m ，地表為溶槽，黏土夾碎石充填。

L2：產狀 N75^°W∠77^° ，切層，延伸大于 5m ，間距 0.3～0.7m 。

L3：產狀 N10^°W∠67^° ，切層，延伸 3～5m ，局部張開 0.5～1.2m ，地表溶槽，黏土夾碎石充填。

L4：產狀 N35^°W∠60^° ，切層，延伸長 1.5～2.0m 間距 20～50cm ，局部張開 1～3cm ，無充填。

L5：產狀 N80^°E∠74^° ，切層，延伸長大于 3m ，間 距 30～70cm 。

L6：產狀 N10^°E∠65^° ，切層，延伸長 1.5～2.0m 間距 50～120cm ，局部張開 1～5cm ，無充填。

NJ1：分布于壩軸線下游約 54m ，夾層厚 15～20 cm，巖性為地表呈黃色薄層泥灰巖夾灰巖，延伸長（岸坡）約 10m ，地表呈風化狀，張開，推測向內（山體內或河床下）性狀逐漸變好，為弱一微風化狀態。

NJ2：分布于壩軸線上游約 46～54m ，夾層厚 30～ 50cm ，巖性為地表呈黃色薄層泥灰巖，延伸長（岸坡）約 20m ，地表呈風化狀，張開，推測向內（山體內或河床下）性狀逐漸變好，為弱一微風化狀態。

NJ3：分布于壩軸線上游約 54～57m ，夾層厚約100cm ，巖性為地表呈黃色薄層泥灰巖夾灰巖，延伸長（岸坡）約 15m ，地表呈風化狀，張開，推測向內（山體內或河床下性狀遂漸變好，為弱一微風化狀態。

左岸巖體巖溶發育，巖溶以溶蝕裂隙、小型溶洞為主。壩軸線下游有一裂隙性泉水，水量約 0.5～2L/s ，高程702.66m 左右。壩軸線上游沖溝常年有水，流量 1～2L/s 。

3 邊坡穩定分析

3.1赤平投影法定性分析

上游側開挖臨空面產狀55^°∠45^° ，壩軸線方向開挖臨空面產狀 114^°∠53^° ，下游側開挖臨空面產狀 145^°∠40^° 。根據結構面產狀繪制赤平投影圖（圖3）。

上游側開挖邊坡巖層走向與開挖坡面基本一致，為順向坡，巖層傾角小于開挖坡面傾角，形成不穩定的順層結構邊坡。潛在滑體以層面或夾層為底滑面，上游沖溝為后緣面，裂隙L1，L2，L3，L5，L6中任意1條或2條組合形成側向切割面。潛在滑體組合：上游沖溝 + 巖層 +L5 ，上游沖溝 +NJ2+L5 ，上游沖溝 +NJ3+L5 ，上游沖溝 + 巖層 +L5+L6 ，上游沖溝 +NJ2+L5+L6 ，上游沖溝 +NJ3+L5+L6 等。

壩軸線方向開挖邊坡巖層走向與開挖坡面走向夾角小于 45^° ，為順一切向坡。潛在滑體有兩種情況： ① 以巖層（含夾層）為底滑面，裂隙 L1～L6 中任意1條為側向切割面，與開挖臨空面組合成空間楔形潛在滑體； ② 裂隙 L2+L5 組合交線及 L3+L4 組合交線均傾向開挖坡外，同樣與開挖臨空面組合成空間楔形潛在滑體。潛在滑體組合有巖層 +[5，NJ]+[5，NJ]+[5 /NJ3+L5 等。

下游側開挖邊坡巖層走向與開挖坡面走向基本垂直，為切向坡，邊坡的穩定性較好。潛在滑體有兩種情況： ① 以巖層（含夾層）為底滑面，裂隙 L1～L5 中任意1條為側向切割面，與開挖臨空面組合成空間楔形潛在滑體，L6傾向與開挖坡面、巖層層面傾向相反，與其他結構面不組成潛在滑體； ② 裂隙 L3+L4 組合交線均傾向開挖坡外，同樣與開挖臨空面組合成空間楔形潛在滑體。潛在滑體組合有 L3+L4 等。

3.2施工開挖數值模擬分析

3.2.1 計算方法

數值模擬采用離散元法，該方法在表達節理巖體幾何特點上具有獨特的優點，把節理巖體視為由離散的巖塊和巖塊間的節理面所組成，允許巖塊平移、轉動和變形，而節理面可被壓縮、分離或滑動，因此被廣泛應用于模擬節理巖體、斷層、邊坡、滑坡等力學過程。數值模擬計算時，軟件自上而下自動逐級移除開挖體，盡可能反映真實開挖情況。

3.2.2數值模型建立

從實測地形圖中提取高程數據建立地形模型，確保模型與實際地形達到高度匹配，根據勘察成果劃分出強風化、弱風化、微風化巖體，進一步細分出夾層和節理裂隙，根據巖體和結構面物理力學參數值形成數值模型。左岸壩坡巖體和結構面物理力學參數取值見表1。

表1左岸壩坡巖體和結構面物理力學參數取值

3.2.3 計算成果

根據計算成果，隨著邊坡逐級開挖，巖體逐步清除，應力逐步釋放，應力大小逐漸降低，但總體表現為壓應力，僅在地表開挖線附近局部有拉應力分布。同時，巖體卸荷后，上部開挖邊坡向開挖臨空面發生較大位移，主要集中表現在第一、二、三開挖平臺之間，第四、五級開挖平臺位移較小。左岸壩頂 635.0m 馬道發育有切割裂隙L6，傾向坡內，開挖后巖體卸荷裂隙張開，以該組節理為后緣拉裂面，發生位移 5.9cm ，是整個左岸邊坡開挖最大位移發生位置。地表卸荷裂隙發育，開挖線巖體在拉應力和施工爆破擾動作用下，巖體更加破碎，裂隙進一步向深部發育，可能構成安全威脅，施工過程中需重點加強變形監測。數值模擬計算云圖見圖4。

通過強度折減法，天然工況下，邊坡初始穩定性安全系數為1.61，邊坡一級開挖安全系數為1.62，邊坡二級開挖安全系數為1.65，邊坡三級開挖安全系數為1.56，邊坡四級開挖安全系數為1.45，邊坡五級開挖安全系數為1.35，穩定性安全系數隨著開挖過程逐漸降低，最終處于基本穩定狀態。

3.3極限平衡楔體法穩定計算

3.3.1 邊坡等級及安全控制標準

該水庫工程等別為Ⅱ等，工程規模屬大（2）型。水庫樞紐碾壓混凝土重力壩建筑物級別為2級，大壩永久開挖邊坡級別為2級，工程區地震基本烈度為V度，抗震設防烈度為6度，可不進行抗震計算。邊坡抗滑穩定安全系數控制標準正常運用條件為1.25，非常運用條件為1.2。

3.3.2 計算工況

（1）天然工況。持久正常運用條件下邊坡巖（土）體處于天然狀態。

（2）庫水位降落工況。持久正常運用條件下庫區正常蓄水位、設計洪水位降落至死水位，坡體水來不及排除，巖（土）體飽和，結構面充水存在孔隙水壓力，只涉及上游側臨庫水邊坡。

（3）暴雨工況。非常運用條件下降雨引起的邊坡巖（土）體飽和，結構面充水，存在孔隙水壓力。

3.3.3 計算方法

左壩肩為巖質開挖邊坡，潛在滑體為巖層層面（含夾層）和節理裂隙切割形成的空間楔形體。極限平衡楔體法以空間三維塊體為分析計算對象，對巖質邊坡潛在滑體計算更具針對性、真實性、準確性，因此采用楔體法進行抗滑穩定計算。楔體法指由左、右兩個結構面切割而成的滑體的穩定計算方法，其核心思想是利用極限平衡原理求解楔形體的穩定，并假定構成楔體的兩個底滑面上的剪力均平行于該兩平面的交線[11-12]。計算公式及計算簡圖分別見式（1）和圖5。

式中： ?_：A_A，c_A^′，φ_A^′ 分別為滑動面 A 的面積、有效黏聚力和內摩擦角： 分別為滑動面 B 的面積、有效黏聚力和內摩擦角； N_A 新 N_B 分別為滑動面 ^A，B 的有效法向反力； U_c 為張裂縫面 c 上的孔隙壓力； m_ws，m_cs，m_ps 為計算參數，詳見SI .386-2007 《水利水電工程邊坡設計規范》附錄D1.5。

3.3.4計算結果

根據赤平投影分析，空間楔形潛在滑體組合約有 30個，其中上游順向坡10個，壩軸線方向15個，下游 坡面5個。經計算，淺表層強風化帶開挖邊線附近有 3組潛在滑體的抗滑穩定安全系數不滿足規范要求， 其余均滿足，見表2。

計算成果表明：邊坡淺表層強風化帶裂隙發育，呈明顯張開，開挖邊線附近巖體裂隙切割，開挖后又形成臨空面，部分空間楔形塊體抗滑穩定性不滿足要求；進入深部弱風化后裂隙逐漸尖滅閉合，巖體逐漸完整，抗滑穩定性逐漸提高，計算抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

4 邊坡治理措施

治理措施總體采取清除松動或不穩塊體，錨噴支護進一步加固的方式，見圖6。

4.1 松動塊體清除

對于開挖邊線附近淺表層強風化帶松動或不穩塊體，采取清除處理。坡比為溶蝕裂隙傾角，按階梯狀放坡，動態調整清除范圍與坡比，并對坡面進行修整，清除倒懸體等。

4.2軟弱夾層處理

對于鄰近軟弱夾層的開挖施工，嚴格采取控制爆破，軟弱夾層揭露后，立即封閉處理，待軟弱夾層范圍內的支護措施完成并具備錨固作用后再進行周圍邊坡開挖。

對于開挖過程揭露的NJ1，NJ2，NJ3軟弱夾層及其他類似的夾層，采取的主要處理方法：對夾層進行擴挖，擴挖深度不小于夾層厚度的2＼～3倍，對擴挖面沖洗干凈后采用C20混凝土回填封閉。待C20混凝土強度達到 70% 設計強度后，再進行周圍爆破施工。若軟弱夾層處理時間較長，可通過在混凝土中增加早強劑或提高混凝土標號等措施縮短其凝結時間。

4.3噴錨支護措施

永久邊坡開挖后，整體采取掛網 + 噴錨支護措施，掛網鋼筋 ?8@200 ，噴C25混凝土厚 10cm ，系統錨桿直徑 25mm 。上游側順向坡采用長錨桿，長 9m ，間、排距 3m ；下游切向坡采用短錨桿，長 4.5m ，間、排距2m ;壩軸線方向順一切向坡長短錨桿結合布置，長錨桿長 9.0m ，間、排距 6m ，短錨桿長 4.5m ，間、排距2m 。開挖線外側設置截水溝，底寬 30cm ，溝深30 cm。

設計藍圖在開挖邊線布置2排預應力錨索，外側錨索長 30m ，內側錨索長 25m ，水平間距均 3～6m 錨固段長 10m ，鉆孔孔徑 150mm ，設計抗拔力為1500kN ，錨索數量共51根。設計藍圖錨索布置方案針對性不強，實施時進行了動態調整，根據開挖揭露的滑體具體位置，有針對性地采取錨索錨固。

4.4 安全監測

在邊坡布置變形、應力監測儀器，加強邊坡監測，掌握邊坡的安全情況。外部變形觀測布置了2個GNSS測點，內部變形觀測布置了8支多點位移計，錨索測力計布置4套，錨桿應力計布置9支。

4.5治理后邊坡安全穩定情況

采取極限平衡楔體法，對抗滑穩定安全系數不滿足規范要求的組合塊體治理后的穩定性進行復核，復核成果見表3。復核成果表明，治理后，邊坡抗滑穩定安全系數滿足規范要求。自前邊坡開挖治理均已完成，在壩體填筑期間，定期對邊坡開展監測和巡視檢查。根據監測數據，歷史最大沉降測點為GNB2，位于壩軸線方向邊坡壩頂高程馬道（一級馬道），壩軸線下游 12m ，最大沉降（下沉）量為 14.94mm ，觀測期間平均日變化速率為 0.01mm/d ;歷史最大位移測點為GNB1，位于上游順向邊坡壩頂高程馬道，壩軸線上游5m ，最大順坡向（河床方向）位移值為 12.52mm ，觀測期間平均日變化速率為 0.07mm/d 。監測未出現異常，結合現場巡視，可判斷大壩邊坡處于穩定狀態。

5結論

遵義市觀音水庫工程區沖溝、切割裂隙、軟巖夾層發育，設計開挖邊坡高陡，順一切向邊坡切角開挖對邊坡穩定性影響大。沖溝、切割裂隙、軟巖夾層及開挖坡面相互組合形成了多個空間楔形潛在滑體，給工程施工帶來巨大的風險。

本文通過采用赤平投影法定性分析和數值模擬整體穩定分析、極限平衡楔體法逐塊驗證，系統分析了觀音水庫重力壩左岸順一切向高陡巖質邊坡穩定性，計算了潛在滑體的穩定性安全系數，得出邊坡滑動位置及滑動塊體，針對性地采取了錨索 + 錨桿 + 噴混凝土等治理措施，施工中根據開挖揭露地質條件及潛在滑體的具體位置針對性調整支護措施。目前邊坡開挖治理均已完成，開挖治理及壩體填筑期間未出現異常，表明邊坡穩定，破壞模式分析合適，治理方案可靠。

本文對順一切向邊坡高陡巖質邊坡穩定性及治理措施進行了針對性分析和研究，豐富和拓展了高陡巖質邊坡穩定性分析和治理的經驗，可為類似工程提供參考。

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（編輯：高小雲）

Stability analysis and treatment for dip and oblique -oriented high - steep rock slope

ZHAO Yingwu1，LONGYunbao2，ZHANG Taibo1

（1.GuizhouWaterCoserancyIestmentGoupCod.GuingCina；.GuzouSureyndDesignReseachitt forWaterand Hydropower，Guiyang55OoO2，China）

Abstract：Theexcavationontheleftbank of ZunyiGuanyin Reservoir gravitydam had formeda122 mdipandoblique -oriented high-steeprock slope，where multiplesetsof intersecting fracturesandseverallithological inter-layers had been developed.These structural features combined with the excavated slope surface to form multiple spatial wedge - shaped potential sliding bodies，posingsafetyrisks totheconstructionprocess.Toanalyze thestabilityofthisslopeand develop treatment measures，qualitative analysis byusing the stereographic projection method，numerical discrete element simulation of construction excavation，and three-dimensional stabilitycalculation using the wedge method were conducted.Thestudyidentifiedrock blocks thatdidnotmeetanti-sliding stabilityrequirements，andsupport measuresofanchor cables + anchor rods + shotcrete were adopted.The results showed that the adopted failure mode analysis was reasonable，and theremediationplanwas reliable.Noanomalies hadoccurredafter excavationand treatment，confirming the stability of the slope.The researchon the stability analysisand treatment measures of this slope can provide a reference for similar projects.

Key words：dipand oblique orientation；high-steeprock slope；stereographic projection；discrete element；wedge method