顺层岩质边坡破碎岩体开挖回填稳定性分析

孙展杰（塔里木河流域管理局新疆库尔勒841000）

顺层岩质边坡破碎岩体开挖回填稳定性分析

孙展杰
（塔里木河流域管理局新疆库尔勒841000）

为定量分析存在破碎岩体边坡的整体稳定性大小，以观音水库边坡除险加固工程为背景，采用数值分析法对边坡破碎岩体开挖回填过程进行模拟分析，计算考虑了初始工况、开挖工况和回填工况，计算结果对水库边坡的整治有一定的参考价值。

边坡；数值分析；安全系数；塑性应变；滑裂面

1　工程概况

观音水库位于四川省平昌县境内，距县城约15km，位于巴河一级支流小桥沟上段。水库枢纽工程由大坝、溢洪道及放水设施组成。工程于1977年竣工，坝址以上集雨面积0.61km2，水库最大坝高11m，坝顶长89.0m，坝顶宽2.0m，坝顶高程为623.31m。坝体坡度较陡，实测上游坝体坡度坡比从上到下依次为1∶2.0、1∶2.15、1∶1.9；下游坝体坡度坡比从上到下1∶1.9、1∶1.9、1∶2.0。水库校核洪水位623.20m，正常水位622.75m，总库容10.69万m3，正常库容6.74万m3。该工程是一座以灌溉为主，兼有防洪综合效益的工程，水库设计灌面为197亩，实际有效灌面为150亩。

经过多年的正常运行，在最近的水库除险加固工程调查中发现，部分水库边坡岩体局部风化破碎严重，且发生过几次小规模的岩体坍塌、掉落，需及时进行加固整治。

2　库区地质概况

2.1区域地质条件

水库在区域上属构造剥蚀堆积类型，显低山深丘峡谷地貌特征。在构造作用下，河谷下切较深，两岸沟发育，形成树枝状。由于岩层平缓，受侵蚀切割形成阶梯状岭谷地貌，山顶宽阔平坦，或呈圆顶状。台地边缘深沟狭谷发育，平面呈现不规则锯齿形状，台面宽度数十至数百米，台面地带多为泥岩分布，地形平缓，风化剥蚀作用相对较强，台地边缘岩坎高度与砂岩厚度密切相关。

库区内河谷为深切“V”型狭谷，主河道现代河床宽8m～20m，坝址区沟底宽度小于10m，正常畜水位621.41m时，主河道河水面宽约98m。河床高程523.45m～524.61m，主河道纵坡比降约133‰。河谷两岸山体宽厚雄伟，谷坡陡峻。

工程区内地下水主要为第四系松散堆积层中的孔隙潜水及基岩裂隙水，孔隙潜水主要埋藏于松散堆积层中，受大气降水或冲沟水补给，排泄于水库。基岩裂隙水主要埋藏于砂岩及粉砂质泥岩风化裂隙中，砂岩的风化带为含水层或透水层，新鲜完整的粉砂质泥岩以及砂岩致密，含水微弱，透水性较差，可视为相对隔水层。

2.2库区内边坡稳定问题

根据相关地质测绘资料显示，水库两岸岸坡强、弱风化带垂直厚度分别为1.5m～2.5m、4.8m～6.3m。在陡坎、陡崖段多见有卸荷裂隙，卸荷带水平宽度约8m～20m。库周岩体裸露，植被较好，未见大的堆积体分布，不存在水库浸没、水库淤积等问题。库内岩体强度低，库水深度小，未有断层分布，不存在水库诱发地震的可能。［1］

经现场调查，未发现大的坍塌和滑坡体存在，且已建水库多年的运行证明，近坝库岸稳定性较好，不存在大的库岸再造问题。但部分边坡岩体局部风化破碎比较严重，在裂隙切割作用下存在小规模垮塌的可能，将直接影响水库的正常运行［2-4］。因此，有必要对部分边坡内破碎严重的岩体进行开挖清理，并及时回填，从而提高边坡的整体稳定性。［4］

3　边坡模型建立及参数选取

结合水库地质资料，得到了典型边坡断面内部岩土体岩层走向及分布，结果表明边坡岩层走向与坡面相同，是典型的顺层边坡，岩层走向不利于边坡的稳定。本文基于相关勘测结果及地质资料，建立了边坡有限元模型［5-8］，边坡模型高20m，长30m，坡角36.5°，见图1，根据报告得到了数值计算所需的岩体力学参数，见表1。

图1　边坡断面有限元模型及岩体材料分区

4　模拟结果及分析

4.1稳定性分析

位于边坡坡脚位置的破碎岩体，由于岩体强度很低，在一定的外力条件下，比如重力作用，有可能发生不可逆转的塑性应变。因此，计算得到了3种工况下边坡内部塑性应变区分布，如下图2所示，可以发现：在初始状态下，见（a）图，边坡内部风化破碎岩体分界处发生了较大的塑性应变，形成一个贯穿的弧形分布区，为破碎岩体的滑动提供了条件；当对破碎岩体进行开挖清理后，边坡的塑性应变位置转移到开挖面的底部位置，并有往下部岩体发展的趋势，见图（b）；当采用混凝土及时回填处理后，修复受损坡面，塑性应变分布范围大大减小，仅在分界处零星存在，见图（c）。

为进一步定量分析不同工况下水库边坡的稳定性大小，采用有限元强度折减法对不同工况边坡的抗剪强度进行折减计算［9-11］，主要折减参数包括粘聚力和内摩擦角，计算得到了不同折减系数下边坡岩体单位的最大位移，见下图3。分析可知，随着折减系数的增加，边坡内部岩体单元发生的最大位移也逐渐增加，这是由于边坡内岩体强度逐渐降低造成的，当取相同折减系数时，初始工况发生的位移最大，其次是开挖工况，最小是回填工况。另外，根据位移量突变为判别指标，确定了3种工况边坡的稳定安全系数，初始状态为1.3，开挖后可达到1.7，回填后则进一步增加到2.0左右，回填后相比初始状态安全系数提高了大约54%，说明在重力的作用下，由于存在破碎岩体，边坡稳定性较低，进行及时开挖回填处理可有效的提高水库边坡的安全性。

图3　不同折减系数下3种工况边坡单元最大位移量

表1　边坡岩体数值计算力学参数

图2　不同工况边坡内部塑性应变区分布

4.2潜在滑裂面分析

为深入分析不同工况下水库边坡可能存在的滑裂面，得到了3种工况下边坡达到极限平衡状态的危险滑裂面位移矢量图，如图4所示，图中箭头代表边坡岩体单元的运动方向。可以发现，在初始工况下，折减系数为1.3时，边坡潜在的危险滑裂面位于破碎岩体内部，发生较大的沿着岩层走向的位移；而开挖工况和回填工况下，边坡达到极限平衡状态时，潜在的滑裂面位于岩体内部，起于顶部边坡，止于坡脚位置，这是顺层岩质边坡存在的典型圆弧滑动面，特别是在回填工况下，当折减系数达到2.0时，边坡才有可能出现滑动，表明回填加固后边坡稳定性得到较大的提升。

图4　极限平衡状态下边坡潜在滑裂面（位移矢量）

5　结语

基于平昌县观音水库除险加固工程，发现部分水库边坡岩体局部风化破碎严重，容易发生岩体坍塌和掉落，对水库的正常运行存在较大影响。采用数值方法对破碎岩体的开挖和混凝土回填后边坡的稳定性进行定量评估，得到了边坡在不同工况下的稳定性大小和塑性应变分布情况，结果表明：

a）初始工况下，破碎岩体内部发生较大的塑性应变，导致边坡稳定性较小，安全系数仅有1.3，在某些不利工况组合作用下，存在滑动的可能；开挖回填处理后，稳定性得到提升，塑性应变分布大大减小，安全系数可提高54%；

b）当边坡达到极限平衡状态时，初始工况的潜在滑裂面沿破碎岩体分界面分布，而开挖工况和回填工况则受岩层走向控制，滑裂面位于岩体内部，起于顶部边坡，并止于坡脚位置。

说明针对类似含有破碎岩体的边坡断面，本文的开挖回填方案是有效可行的。陕西水利

［1］易长平，卢文波，许红涛等.岩体开挖过程中初始应力的动态卸荷效应研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（增1）：4750-4753.

［2］秦帆，王正中.基于有限元强度折减理论的边坡稳定分析方法探讨与改进［J］.水利与建筑工程学报，2012，10（1）:43-47.

［3］谢国海，章广成，杨昌斌.边坡分级开挖过程的动态模拟［J］.土工基础，2007，21（3）：54-56.

［4］郑颖人，陈祖煜，王恭先等.边坡与滑坡工程治理［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［5］黄梦宏，丁桦.边坡稳定性分析极限平衡法的简化条件［J］.岩石力学与工程学报，2006，25 （12）:2529-2536.

［6］王汉辉.边坡稳定的有限元塑性极限分析法研究［D］.武汉：武汉大学，2003.

［7］张奇华，杜俊慧，胡进华.某水电站右坝肩边坡岩体稳定性研究［J］.长江科学院院报，2006，23 （4）:32-35.

［8］陈浩.极限分析上限法在边坡稳定性问题中的应用［J］.人民珠江，2014，35（3）:67-70.

［9］郑颖人，赵尚毅，张鲁渝.用有限元强度折减法进行边坡稳定分析［J］.中国工程科学，2002，4 （10）：57-62.

［10］钟志辉，杨光华，张玉成等.基于局部强度折减法的土质边坡位移研究［J］.岩土工程学报，2011，33（增刊1）:196-201.

［11］郑颖人，赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2004，23 （19）:3381～3388.

（责任编辑：畅妮）

TU452；TV74

A