窄冲水库右坝肩危岩体稳定性分析

卓国锋 李 凯 罗江波

(贵州省水利水电勘测设计研究院,贵州 贵阳 550002)

1 工程概况

窄冲水库右坝肩1 225 m高程以下为开挖形成的人工边坡，高程1 225 m～1 345 m为陡峭的自然岩质边坡,危岩体分布范围大致为大坝坝轴线至上游取水口闸门井，顺河向长约150 m,场区下伏基岩为泥盆系上统高坡场组第二段第3层(D3g2-3)的浅灰、灰白色中厚层白云岩夹灰质白云岩，夹泥质白云岩及泥岩夹层,多组节理裂隙发育,严重威胁坝体、取水闸门井及连接公路的安全。

2 危岩体工程地质特征

根据现场调查，结合危岩体分布位置、特征及失稳破坏模式等情况，坝肩危岩体分为4个区：1)上游碎裂危岩体区;2)倒悬危岩体区;3)侧深切卸荷危岩体区;4)下游碎裂危岩体区。

2.1 上游碎裂危岩体区

上游碎裂危岩体区分布在1 260 m～1 325 m高程，相对高差约65 m，顺河向长约28 m。碎裂危岩体法向深度0 m～3.5 m，平均约1.2 m。该区域节理裂隙、卸荷裂隙及溶蚀裂隙发育，强风化带裂隙多数张开充填粘土夹碎石，局部为空隙。现状条件下常发生掉块、块体崩落现象。

2.2 倒悬危岩体区

倒悬危岩体区主要分布在1 260 m～1 315 m高程，相对高差约55 m，顺河向长约16 m。母岩体为浅灰、灰白色中厚层白云岩夹灰质白云岩，夹泥岩软岩夹层，软岩夹层厚10 cm～30 cm，间距0.5 m～3.0 m。在结构面切割、地下水浸透及重力作用下，泥质白云岩及泥岩风化较快于上部母岩体，差异性风化脱空形成多处“头重脚轻”的倒悬岩体。

2.3 下游深切卸荷危岩体区

下游侧深切卸荷危岩体区分布高程1 265 m～1 315 m，相对高差约50 m，顺河向长约20 m，卸荷带法向深度为5 m～25 m。卸荷裂隙很发育，其次为两组侧缘裂隙。卸荷裂隙产状为N30°～40°E/NW∠78°～89°，张开宽度2 cm～25 cm，局部宽约70 cm，间距1.5 m～3 m，卸荷深度3 m～30 m不等，距离大坝相对高差80 m～120 m。层间软岩夹层风化后形成空腔，顺层可见侵蚀深度0.5 m～1.5 m。

2.4 下游碎裂危岩体区

下游碎裂危岩体区分布高程1 250 m～1 310 m，相对高差约60 m，顺河向长约53 m。该区域节理裂隙、卸荷裂隙及溶蚀裂隙发育，在强风化带多数张开充填粘土夹碎石，局部为空隙。

3 稳定性分析

以下采用定性和定量分析相结合的方法对各分区危岩体进行稳定性分析。

3.1 上游及下游碎裂危岩体区

上游碎裂危岩体区已清除了局部危岩体，目前整体处于较稳定的状态。但在高程1 310 m～1 325 m表层强风化带，主要受层面及3组裂隙切割，岩体形成三角形或四边形危石块体，大多数结构面已溶蚀贯通。松散危石堆叠在原地，局部受植物支挡防护作用，目前处于欠稳定状态，存在潜在崩塌滚石危险。

下游碎裂危岩体区，目前整体处于基本稳定状态，与上游碎裂危岩体区类似。但在高程1 295 m以上边坡表层强风化带，主要受结构面切割及根劈作用，局部存在危石块体及孤石，体积0.5 m3～2 m3。大多松散危石堆叠在原地，局部受植物支挡防护作用，目前处于欠稳定状态，存在潜在崩塌滚石危险。

3.2 倒悬危岩体区

危岩倒悬体易于产生拉裂式破坏，在不利结构面的切割作用下，进而产生坠落破坏。拉裂式崩塌的典型情况如图1所示。以悬臂梁形式突出的岩体，在AC面上承受最大的弯矩和剪力，若顶层部受拉，底部受压，A点附近拉应力最大。在长期重力和风化应力作用下，A点附近的裂隙逐渐扩大，并向深处发展。拉应力将越来越集中在尚未裂开的部位，一旦拉应力超过岩石的抗拉强度时，上部悬出的岩体就会发生崩塌。这类崩塌的关键是最大弯矩截面AC上的拉应力能否超过岩石的抗拉强度。故可以用拉应力与岩石的抗拉强度的比值进行稳定性检算。假如突出的岩体长度为1,岩体等厚，厚度为h，宽度为1 m(取单位宽度)，岩石重度为r,计算模型见图1。

其中，M为AC面上的弯矩，M=0.5l2rh;y为0.5h;I为AC截面的惯性矩;[σ拉]为岩石的允许抗拉强度。

危岩计算模型见图2，稳定系数K值可用岩石的允许抗拉强度与该点所受的拉应力比值求得：

倒悬体主体为强风化岩石，抗剪强度为0.4 MPa～0.45 MPa,根据材料力学及相关工程经验，岩石的允许抗拉强度取抗剪强度的1/2，则[σ拉]=0.2 MPa=2 000 kPa。

由以上分析计算可知，上游倒悬体区稳定系数K=1.14，岩体破坏模式主要为坠落，稳定系数偏小，安全储备不足，倒悬危岩体区整体上处于欠稳定状态。上述计算尚未考虑地下水、不利结构面、软弱夹层、深切裂隙的不利作用，在这些不利因素的影响下，稳定系数大大削减，岩体实际的稳定系数应该是偏小的，可能产生拉裂式变形，产生坠落、滚动破坏，因此总体评价上、下游倒悬体区危岩处于欠稳定状态。

3.3 深切卸荷危岩体区

由以上分析可知，深切卸荷危岩体区卸荷裂隙深切，在结构面组合切割及泥岩软弱夹层共同作用下可能产生滑移、倾倒式破坏，采用如下计算模型进行分析计算，计算模型见图3。对可能产生平面滑动的岩质边坡宜采用平面滑动法进行计算，滑块稳定系数K可按下列公式计算。

计算假定条件：岩体为条块性切割体，非楔形体等块体，不同断面岩体截面基本相同，因此可采用单位长度进行稳定性计算。根据深切裂隙填充情况及张开度判断，暴雨工况下危岩体后深切裂隙充水高度为2/3危岩体高度。天然工况下深切裂隙不充水。计算过程：

故在暴雨工况下，稳定系数K计算如下：

表1 危岩体稳定程度等级划分表

对比表1的稳定程度划分，采用Slide6.0计算软件，通过直线滑动法自动搜索最小稳定系数，计算得F=1.126，与公式计算结果1.15较接近，但偏小，说明该危岩体安全储备较小。故只从计算所得的K值来看，1.0≤F<1.2，岩体处于欠稳定状态。天然工况下：泥岩软弱夹层与坡向反向、进水平，裂隙充水高度较小，没有下滑分力，稳定系数K≥1，处于稳定状态。因此，综合评价深切裂隙危岩体区整体处于欠稳定状态，易产生倾倒、滑移等失稳破坏。

4 结语

1)根据右坝肩危岩体地质特征，将其分为四个分区，其稳定性主要受软弱不利结构面(外倾裂隙、软弱夹层)、地下水的不利影响控制。

2)采用定性和定量相结合的方法，综合评价各分区的危岩体均处于欠稳定状态，易产生崩塌滚石、坠落、倾倒、滑移等失稳破坏。

3)根据危岩体稳定性分析结论，上下游碎裂危岩体区建议采用锚杆+挂网喷混凝土、主动防护网方案、倒悬围岩体区建议采用嵌补支墩+被动防护网方案、深切裂隙围岩体建议采用锚索等深部主动加固方案，对局部分布的不稳定块体建议清除。