顺坡向外倾优势裂隙连通率对高边坡稳定性影响分析

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(长江三峡勘测研究院有限公司, 武汉 430074)

1 研究背景

岩质高边坡不稳定性，是西南地区水利枢纽经常遇到的问题。岩质边坡稳定性受边坡结构与岩体质量双因素控制，边坡结构按层面分为顺向坡、斜向坡、横向坡，断层控制的边坡考虑断层与边坡走向夹角，岩体质量分为Ⅰ—Ⅴ级[1]。因层面与断层均为连续结构面，目前已有成熟的定性与定量分析方法。顺坡向外倾优势裂隙控制的边坡，由于裂隙的不连续性与不确定性，导致稳定性分析的复杂性。

本文针对金沙江乌东德水电站高达180 m的进水口岩质边坡，阐述了顺坡向外倾优势裂隙对岩质高边坡稳定性影响分析方法中，连通率对稳定系数影响程度，图1为该方法分析结构图。裂隙连通率采用的统计方法较多，工程中采用带宽投影法统计线连通率，带宽不同统计的连通率不同，因此，带宽选取的合理性还有待研究。

图1 边坡稳定性分析结构

2 边坡地质条件

边坡坡高180 m，单级开挖坡比为1∶0.1和1∶0.3，边坡走向171°，长约220 m。地层岩性为中元古代落雪组(Pt2l)互层、中厚层大理岩化白云岩、灰岩，见图2。地层走向近EW向为80°～100°，倾向为S向，倾角80°～85°，即近横河向近直立展布；坡面与层面走向夹角70°～80°，边坡结构为横向坡。微风化—新鲜岩体；从坡顶算起，0～55 m为强卸荷岩体，55～120 m为弱卸荷岩体，120～180 m为非卸荷岩体。强-弱卸荷岩体质量为Ⅲ2级，非卸荷岩体质量以Ⅱ2级。

图2 边坡地质剖面

未发育断层，裂隙较发育，横河向和铅直向线密度为0.5～1条/m左右。主要发育一组产状为275°∠60°优势裂隙，即顺坡向外倾中-陡倾角裂隙，裂隙倾角小于边坡坡度。裂面一般平直粗糙，多闭合或微张，少数张开2～5 mm左右；多为硬性结构面，充填方解石和钙质等，少数见泥钙质薄膜。裂隙延伸长度以<10 m为主，少数较长大的裂隙长30 m，极少数长60 m。

3 顺坡向外倾优势裂隙对稳定性影响的定性分析

通过勘探平洞揭露的顺坡向外倾优势裂隙，利用平切图、剖面图(见图3)，对贯穿勘探平洞三壁的裂隙进行空间连通性特征分析，结果表明：①裂隙未构成长度>100 m的控制性长大结构面，长度>60 m的裂隙极少；②边坡表层相对边坡深部顺坡向裂隙发育。

图3 贯穿勘探平洞三壁的优势裂隙空间连通性特征统计

顺坡向优势裂隙未连通形成控制性长大结构面，边坡为顺坡裂隙与岩桥组合的“底滑面”，层面为两侧面的模式，“底滑面”因岩桥作用抗剪强度高，边坡整体稳定；但需考虑边坡在长期卸荷松弛时效作用下，岩桥作用减弱，部分顺坡裂隙连通，抗剪切作用降低， 边坡稳定性有所降低。

4 顺坡向外倾优势裂隙对稳定性影响的定量分析

4.1 计算模型

顺坡裂隙与岩桥组合的“底滑面”，层面为两侧面，不考虑层面侧向约束作用，采用二维刚体极限平衡法[2]，对其稳定性进行定量分析，计算模型见图4。

图4 概化模型

4.2 连通率统计

对已开挖边坡不同高程、不同深度，多个2 m带宽的顺坡向外倾优势裂隙进行连通统计，见表1，该优势裂隙的连通率平均值为60%。

表1 优势裂隙窗口统计特征

4.3 物理力学参数的选取

对“底滑面”按裂隙与岩体的抗剪断强度，按60%的连通率采取加权平均值，见表2。

表2 物理力学参数建议值与取值

4.4 刚体极限平衡法计算

边坡采取二维刚体极限平衡法，见表3，计算得出稳定系数1.20，边坡整体稳定，但作为枢纽工程区Ⅰ级边坡安全裕度不足，与稳定性定性分析结果一致。

通过对边坡整体稳定性定性与定量分析，需对边坡采取“锁口、束腰、固脚”的深层支护。

表3 边坡稳定系数计算

5 连通率对稳定性影响敏感性分析

5.1 不同带宽连通率差异性

工程中常采用带宽投影法统计线连通率，投影法即基于全迹长调查的估算法，其优点是可追索到结构面沿走向方向的延伸情况及全部的延伸长度[3-4]。基本原理：确定一定的带宽，将这一带宽上所有的裂隙都向测量基线上投影，求出基线上所有投影裂隙长度总和，其与测带长度比值即为裂隙连通率。公式为CR=∑TL/L(ΣTL为结构面的投影总长度；L为测带长度)，统计中未规定带宽的选取，工程中根据勘探平洞的宽度，带宽通常取2～3 m。

连通率受倾向、倾角范围影响大，本次采用(260°～290°)∠(45°～75°)，即倾向与倾角均加减15°。对已开挖的边坡上不同部位不同带宽进行了连通率统计：2 m带宽连通率为60%；5 m带宽连通率为67%；10 m带宽连通率为78%；15 m带宽连通为85%，可见连通率受带宽影响大。

5.2 连通率敏感性分析

通过计算得出如下结论(见表4)：①连通率每增加5%，稳定系数减小0.10左右，连通率对稳定性影响大；②带宽分别为2，5，10，15 m统计的连通率所对应的稳定系数减小值为0.13～0.22，连通率统计中带宽的选取对稳定系数的计算影响大；③带宽2 m计算的稳定系数，与稳定性定性分析结果一致，可见利用带宽投影法统计线连通率时选取2 m带宽是合适的。

表4 不同连通率对应的稳定系数

6 顺坡向外倾优势裂隙组合块体分析

顺坡向外倾优势裂隙，对边坡局部稳定性的影响，表现以连续的单条顺坡向外倾优势裂隙为底滑面，缓倾坡内裂隙为顶面，层面为侧向切割面，可组合形成单滑面型随机块体，见图5。

图5 块体分界示意图

因块体裂隙连续贯通，不需考虑连通率，考虑连续裂隙长度即可，顺坡向外倾优势裂隙为Ⅳ级结构面，长度为10～30 m，取上限值，随机块体最大体积为300 m3，以三维极限平衡法计算块体稳定性系数为1.07，需随机锚固，见表5。

表5 块体特征表

连续的单条裂隙组合块体稳定系数，明显小于断续裂隙连通率控制的整体稳定系数，表明边坡局部块体稳定问题较整体稳定问题明显突出。

7 结 语

本文针对金沙江乌东德水电站高达180m的进水口岩质边坡进行了稳定性分析，得出如下结论：

(1) 顺坡向外倾优势裂隙控制的岩质高边坡，可采用定性和定量分析方法，分析裂隙连通性特征及连通率统计，判断该类边坡整体稳定性。

(2) 连通率敏感分析表明，顺坡向外倾优势裂隙连通率，对边坡整体稳定性起到重要作用，不同的连通率对边坡稳定性影响程度较敏感。

(3) 连通率统计中带宽的选取对连通率和稳定系数的计算影响大，且选取2m带宽利用带宽投影法统计线连通率是合适的。

(4) 该类边坡局部块体稳定问题较整体稳定问题明显突出。

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