西部地区某水电站工程厂房边坡稳定分析与评价

吴 波，谢红建

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

西部地区某水电站工程位于贵州省西南部马别河上游隔界河段，总库容9912万m3，正常蓄水位为1337m，工程的主要任务是以城乡生活和工业供水为主，结合灌溉，兼顾发电等综合利用。

该电站厂房位于坝后河流转弯前距坝址约130m处的陡岩脚一狭窄缓坡地带，高程在1268～1280m。厂房边坡为各种结构面切割的岩质边坡，由于边坡坡度变化较大，形成峻坡和悬坡，边坡高度大于150m，为超高边坡。边坡结构复杂，且距离大坝较近，施工中降雨、水库蓄水对水工建筑物安全构成威胁，故针对厂房开挖边坡的稳定性作专题研究。

1 厂房边坡工程地质条件

1.1 基本地质条件

厂房边坡区出露地层由下至上分别为关岭组二段(T2g2)第一层至第四层及关岭组三段(T2g3)和第四系覆盖层。

厂房边坡的坡脚高程为EL1267～EL1272m，出露地层为关岭组二段第二层(T2g2-2)灰色、浅灰色薄至中厚层灰岩、瘤状灰岩及白云质灰岩夹极薄层泥质灰岩。

边坡下部高程分布在EL1330～EL1360m，高约30m，出露地层为关岭组二段第三层(T2g2-3)灰色薄泥质灰岩、灰岩及杂色砂质泥岩、钙质泥岩，厚约30m，产生物化石，由于岩性较软，地形坡度相对较缓，地形坡度为41°～54°。

边坡中上部高程分布在EL1360～EL1600m，出露地层为关岭组二段第四层(T2g2-4)灰色厚层瘤状灰岩白云质灰岩，分布在坝肩以上。地形坡度约在80°左右。

1.2 边坡构造及结构面

厂房边坡位于博上宽缓向斜西南扬起端近核部。岩层倾向左岸，倾角6°～10°，左岸为逆向坡，右岸为顺向坡。岩体左岸为层状结构，右岸为碎裂结构。据地表地质测绘及硐探揭露，未发现断裂构造，节理裂隙及卸荷裂隙较发育，并分布有软弱夹层，细述如下：

1.2.1 节理裂隙

表1 厂房一带边坡节理裂隙统计

1.2.2 软弱夹层及泥化夹层

厂房边坡区共分布有2层软弱层及1层间泥化夹层，层面及软弱层是岩体内的主要薄弱面，分述如下。

图1 节理裂隙的极点及对应的大圆

泥化夹层(NJ1)：为层间泥化夹层，厚25～27cm，局部达30cm，沿层面延伸，成分为黄色、黄褐色粘土夹碎石，碎石含量约40%～50%，粒径0.2～5cm，呈软塑状态，该层上下均为中厚至厚层灰岩。

软弱岩石层：第一层软弱层位于T2g1-2地层与T2g2-1地层分界处，成分为薄层泥灰岩、泥质白云岩及钙质泥岩；第二层软弱层位于T2g2-1地层与T2g2-2地层分界处，成分为薄层泥灰岩、泥质白云岩及钙质泥岩，沿层面有起伏，沿泥化夹层有渗水现象；

1.3 边坡岩体质量分类

根据厂房边坡一带岩层分布情况，将岩石划分为3个工程岩组，根据各地层单元岩性特征、岩体强度及节理发育情况等划分岩体类别见表2。

表2 厂房边坡岩体基本质量分级

2 定性分析与评价

2.1 赤平投影分析

根据前文中表1所统计的节理裂隙，厂房边坡的优势结构面为5组，分别为：①250°∠80°；②330°∠80°；③350°∠85°；④150°∠85°；⑤175°∠85°。

按DL/T5337-2006《水电水利工程边坡工程地质勘察技术规程》附录A.2及DL/T5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》附录B.1，左岸厂房边坡为层状斜向边坡。

左岸厂房边坡的地形坡度41°～85°，边坡坡面倾向为206°。根据地质参数，边坡泥化夹层的最小内摩擦角为19°，层面和节理裂隙面的最小内摩擦角为26.5°。岩层平均产状为70°∠9°，图1为节理裂隙的极点及对应的大圆。

2.2 数值分析

根据原设计开挖卸荷方案和支护计划及边坡区工程地质条件，分析范围为矩形区域，分析中的地层岩性有关岭组第一段、关岭组二段第一层至第四层，关岭组第三段，泥化夹层和软弱层面均采用实体单元进行模拟，将其厚度均设置为2m，最下部的泥化夹层由于未在地表出露，不予考虑。厂房开挖在不同剖面的高程有一定的差异，不考虑每15m高的台阶，简化成斜坡，斜坡的坡度为1∶0.18。模拟范围内的原始地貌及开挖形状如图2所示。

图2 模拟范围内的原始地貌及开挖形状

根据上述三维数值分析，其位移、应力和塑性区的分布基本上等同于二维分析，也表明厂房开挖的三维效应不明显。对三维边坡进行强度折减法的安全系数分析，开挖后的稳定性系数为1.23，边坡破坏以坡顶产生拉裂缝和开挖面产生剪切屈服为标志。

3 措施与建议

(1)厂房边坡一带岩体层面及软弱层均较发育，共分布有二层软弱层及一层间泥化夹层，层面及软弱层是岩体内的主要薄弱面，且岩体节理裂隙及卸荷裂隙较发育，边坡的结构类型为含软弱夹层的层状斜向高边坡。

(2)根据赤平投影分析，由于存在裂隙250°∠80°，故开挖边坡后，其坡度不能陡于开挖前，边坡坡度不宜超过80°，以防止发生平面滑动；边坡由2组或2组以上的结构面产生较多的楔形体组合，很容易产生楔形体滑动。

(3)根据二维及三维数值分析，在坡脚、软弱层面和泥化夹层的周边及地形变化处，出现较多的剪切应力集中区，这些位置容易发生剪切破坏。在坡顶出现较多的拉应力分布区，在坡脚和坡度变化的位置也分布有少量的拉应力。开挖后，坡顶位置拉应力区有扩大的趋势，并在开挖面附近形成新的拉应力区。

4 结论

通过对上述厂房边坡的赤平投影分析及二维及三维数值分析，采用极限平衡法对该边坡在不同工况下的整体稳定进行验算，认为该边坡开挖后总体能满足规范要求，但考虑到边坡的高度及含软弱夹层的特性，爆破损伤及不同结构面形成的局部不稳定楔形体等因素，边坡的变形和产生的崩塌落石危害性很大，且治理较困难，建议采用地下厂房。根据岩层硬夹软边坡的稳定性影响因素和失稳破坏模式，建议软硬岩支护措施的防治重点在于注重地表的排水、控制软岩的风化和控制软岩的变形，为类似高边坡稳定分析评价及治理提供借鉴，值得推广。