石龙水电站对外交通公路边坡稳定计算分析

杨静安,周丹顺,张为法,谢瑞昌

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

1 工程概况

石龙水电站位于松江河上，由混凝土重力坝(坝高43 m)、引水系统、发电厂房、开关站等组成，总装机容量72 MW。水库正常蓄水位479.00 m，相应库容0.403亿m3，石龙水电站于2010年机组全部投产发电[1]。

对外交通公路总长度760 m，属于山岭重丘三级公路，路肩宽7.5 m，路面宽6 m。2014年K0+600.00 m边坡上方山体发生滑塌，方量约100 m3；2015年K0+460.00 m～K0+600.00 m发生塌方，方量约200 m3，2015年6月和7月出现约7万m3和3万m3的大规模变形滑塌，进场公路被阻断。该边坡距厂房距离约200 m，下部为上坝、进厂公路，边坡的滑塌对于石龙水电站的安全运行影响较大，因此，必须重点研究边坡塌方的破坏机理和整体稳定情况，提出可靠的治理措施，彻底消除边坡安全隐患，保证水电站的安全运行[2-3]。

2 边坡地质条件

2.1 地形条件

公路边坡区为不对称的河谷地貌。边坡左岸为基岩岸坡，山势高陡，岸坡高度100～240 m左右。边坡下部为进厂房公路，路面高程452.00～454.00 m；边坡中部为上坝公路，路面高程466.00～486.00 m，2条公路基本沿河平行展布于岸坡中下部。天然坡度43°～58°。本段边坡因修建上坝路及进厂路对边坡坡脚进行开挖，对开挖边坡进行了喷锚处理，原设计开挖坡比1∶0.5～1∶0.75左右，开挖过程中因顺层滑塌，最终开挖后人工边坡坡度45°～60°，局部为80°陡崖。

2.2 地质条件

岩体层面与边坡小角度相交，倾向坡外。边坡岩层总体呈单斜构造，总体产状为NW310°～342°，倾向NE，倾角29°～47°。顺层裂隙作为边坡上最发育的一组结构面，除表部10～15 m左右卸荷略微张开、充填有少量岩粉、岩屑外，深部一般多闭合。边坡岩体中大的断层不发育，主要发育结构面为层面、中小规模断层及其它短小裂隙[4-5]。

按照优势产状，边坡出露断层可分为2组，2组断层均较发育：① 走向NW281°～295°，倾向NE，倾角为51°～75°，该组为近EW向断层，略偏N，且与坡面夹角较小，倾岸外，但多为陡倾，切不出坡面；② 走向NE57°～78°，倾向NW，倾角为59°～86°，该组与坡面大角度相交，陡倾向下游。其中断层F1为边坡发育的规模最大断层，纵向贯穿边坡，为滑塌面上游侧侧向边界。断层产状有较大变化，高高程部位走向NW270°～280°，倾向NE，倾角68°～75°，中部走向NE85°，倾向NW倾角62°～70°；低高程部位走向NE58°，倾向NW，倾角53°。即走向由高至低逐渐从NWW变化至NEE，倾向由NE变为NW，倾角逐步变缓，但总体仍较陡。F1断层破碎带宽度8～20 cm，主要充填灰白色断层泥、岩片、岩屑等，胶结差。

根据边坡危险性由高至低将进站公路边坡分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级区域，分别为危险区、潜在危险区和基本安全区(见图1)。Ⅰ区为危险区，已出现多次滑塌，后期仍有再次发生较大变形破坏的可能性；Ⅱ区为潜在危险区，分布于Ⅰ区上下游两侧；Ⅲ区目前无明显变形迹象，需加强观测，对厂房等建筑物有影响的部位局部块体、开口线附近可做适当处理。因此，重点对Ⅰ区进行模拟计算分析[5-6]。

图1 公路边坡分区及断层节理分布图

2.3 参数选择

岩体质量及各类结构面的力学参数见表1和表2[7-8]。

表1 岩体力学参数建议值表

表2 边坡结构面力学参数建议值表

对于Ⅰ区边坡，根据现有滑面形状、位置，假定塌方前边坡处于极限平衡状态，稳定安全系数Fs=1，分别采用极限平衡法及平面有限元法进行反演计算，反算出滑面的材料参数：c′=34 kPa，f=0.35。

3 边坡变形破坏机制

3.1 变形特征

一方面边坡挖除部分岩体后，造成坡形局部变陡，使位于开挖面上部的岩体临空，失去原有的支撑，在自身重力及其上部岩体荷载、边坡开挖爆破震动等作用下，岩石块体有向坡外发生变形的趋势；另一方面，边坡开挖使岩体向临空面方向发生卸荷回弹变形，而卸荷变形的差异导致岩体沿陡倾坡外、坡内结构面发生拉张、倾倒变形。岩体拉裂后，在爆破震动、地表水及风化等外动力作用下，促进了坡体变形向深部发展。此外，岩体内中-缓倾结构面(层面)尤其是缓倾坡外的结构面广泛分布，因此，坡体的拉张倾倒变形到一定程度将追踪岩体内不同深度的中-缓倾角结构面而发生剪切蠕滑，后缘沿已拉裂的陡倾结构面发生台阶式滑移-拉裂变形[9-10]。

3.2 破坏机制

边坡的变形破坏是由于该边坡顺坡向及切坡陡倾结构面较发育，边坡开挖后因底部坡形变陡、临空失去支撑后发生的缓慢变形。变形在边坡形成的早期未能得到有效的约束，特别是这样高陡的边坡形成后裸露了近5 a后才进行系统支护，这段时间边坡持续变形，且达到一定的程度，随后进行的支护措施已不能完全约束住边坡变形，仅能起到延滞作用，变形仍在继续，当变形达到临界状态，在降雨入渗原本干燥、松弛的块体内，对岩体及结构面起到了湿化、软化和瞬间孔隙压力作用后，在重力作用下，边坡下部块体首先失稳，最终形成连锁反应，致使边坡出现较大规模的追踪不同高程缓倾岸外层面、后缘及侧向有陡倾结构面切割分离作用形成的大小不同、深度不同块体的由上至下台阶状牵引式滑塌破坏。

4 边坡稳定计算分析

4.1 计算范围

根据该研究区域的地质资料，顺坡向为X轴正方向，与纵剖面方向平行的方向为Y轴正方向，竖直方向为Z轴方向，确定边坡体三维地质模型的范围为：模型X轴方向的尺寸约为414 m、Y轴方向的尺寸约为450 m、竖向从+300.00 m高程起。

4.2 地质模型

根据现场实际测绘和地质钻孔等地质资料，控制性结构面主要考虑泥质型断层F1，层间挤压带J1和岩脉在地质空间中的分布状态，地层主要考虑弱风化岩体和微新岩体，建立三维有限元计算模型，计算范围包括了潜在滑坡区域，桩号范围K0+380.00 m～K750.00 m。其中X轴主要为顺坡方向，Y轴大致沿着纵剖面12的方向，Z轴为垂直向上。三维有限元网格划分及控制断面1-1见图2，其中节点482 171个，单元281 811个，单元类型以六面体为主，主要断层三维关系见图3。

图2 整体模型图

4.3 计算假定和计算工况

(1) 计算理论

利用大型非线性有限元软件FLAC和ABAQUS计算，对于研究区域岩土体材料采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型。边坡稳定性计算主要采用有限元强度折减法，强度折减采用非线性有限元方法。为了研究不同潜在滑坡体的三维稳定性状态，在计算过程中只对研究的潜在滑体进行强度参数的折减，而对其他岩土体则不进行折减。

图3 主要断层关系图

(2) 边界条件

模型地表面为自由面，四周侧面均法向位移约束，底面固定。

(3) 计算工况

边坡稳定性计算分析考虑2种工况：自然工况和暴雨工况。

1) 坡体自重的模拟：在坡体自重荷载作用下得到潜在滑坡的应力场和变形场，然后位移置零；

2) 对于暴雨工况的模拟:主要考虑岩体材料的降低和渗透水压力的作用。

4.4 边坡稳定性计算结果

(1) 稳定系数计算

利用有限元法计算的1-1剖面，在天然及暴雨工况下潜在滑动面大致位于坡顶附近，沿顶部节理层面滑出。稳定性系数：天然条件下为1.14，暴雨条件为1.02,见图4。

(2) 塑性区分布

从塑性区分布范围来看，连通区域主要分布在剖面1-1上下游附近，集中在断层F1、断层F7与水平面形成的三角区域；从塑性区发展的程度来看，底部比上部的塑性程度深，见图5。

(3) 边坡变形

边坡滑塌后潜在滑坡在临界状态的变形不大，主要位于滑塌后的顶部位置，且典型剖面1-1的变形增量显示了贯通的滑移面范围较大，且与滑移面的位置基本一致。最大变形点出现在边坡滑动面底部，数值为2.181 mm。

图4 自然工况和暴雨工况滑动面位置图

图5 自然工况和暴雨工况塑性区分布图

(4) 边坡支护

锚索的设置区域及方位充分考虑软弱结构面的产状、分布情况及可能发生的破坏模式，边坡锚索根据滑面位置布置在上坝路上部。在上坝路以上5、10及15 m三位置安设3排锚索，边坡纵向间隔4 m，锚索预应力分别采用1 500 kN，锚索与水平方向的夹角15°，锚索长30 m。计算得到天然工况下和暴雨工况下，1-1剖面的稳定安全系数分别为1.191和1.074。

5 结 语

(1) 从计算结果来看，暴雨工况均比自然工况的安全系数小。可见，降雨是影响边坡稳定性的主要因素之一，因此要注意进行边坡水位监测，进一步做好坡体的防洪排水工作，有效地拦截地表水和地下渗流，降低坡体水头压力，以提高边坡的稳定性系数。

(2) 从剖面1-1支护前后边坡的安全系数增加明显，因此，建议在上坝路以上布置3～4排间隔5 m的锚索，锚索沿边坡纵向间隔4 m，锚索预应力不少于1 500 kN，与水平方向的夹角15°。

(3) 对边坡中上部的松动破碎岩体、坡体表部残留的滑塌块石、碎石等，建议清除。削坡卸载处理后稳定安全系数可明显提升。

(4) 坡面有很多随机塌落的小块石，建议采用主、被动防护网支护。

(5) 建议对边坡进行安全监测，主要监测边坡内部的变形、支护内力，预测边坡发展趋势。

参考文献:

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[3] 杨加智,张岩.洪屏抽水蓄能电站中控楼后边坡稳定计算[J].甘肃水利水电技术,2014(05)：32-34.

[4] 张楠,陈新.某电站厂房边坡稳定性的数值计算及分析[J].四川水力发电，2011(08)：133-138.

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[10] 李宁,张鹏.岩质边坡稳定分析与设计中的几个基本问题[G]//西安理工大学.中国岩土力学与工程学会第七次学术大会论文集.西安：2002：395-398.