俄鲁石料场开挖边坡稳定分析研究

沈 玲 张怀芝

某水电站位于四川省甘孜藏族自治州境内的大渡河干流上，工程等别为二等，工程规模为大（2）型；水库正常蓄水位2 078 m，总库容为2.181 亿m3，正常蓄水位以下库容1.973 亿m3，电站装机容量720 MW。水电站枢纽建筑物主要由拦河坝、溢洪道、泄洪放空洞、输水系统、地下厂房等组成。大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高97 m。地震基本烈度Ⅶ度。

本工程混凝土骨料和坝体填筑料均开采于俄鲁石料场，该料场位于坝体上游约700 m 处，长约750 m，宽约430 m，分布高程2 030～2 560 m，坡度35°～60°，表部植被不发育，料场岩性分别为大理岩、片麻岩、石英岩及少量二云石英片岩。料场规划开采量758 万m3，规划开采高程为2 045～2 255 m，最大开挖边坡210 m，开挖边坡综合坡比1∶0.5，开挖的后缘和两侧边坡走向分别为NE48°和NW318°。由于该料场距离大坝较近，且规划开采高程低于正常蓄水位达33 m，为确保大坝的安全运行，对该高边坡的稳定性进行分析研究是非常必要的。

1 工程地质概况

俄鲁石料场出露地层岩性主要为地层为泥盆系危关群第四岩组（Dwg4）：分别为大理岩、片麻岩、石英岩及少量二云石英片岩，性状与坝址区相同。在山体表部及冲沟内分布有厚0.5～10 m 的崩、坡积碎块石土，碎块石成分为大理岩、石英岩、片麻岩，块碎石含量大于50%，直径一般为50～100 cm，个别直径大于2 m，土为灰黄色粉土。料场内出露F51、F52、F53 和F54 四个断层。

强风化带垂直厚度一般0～10 m，弱风化带垂直厚度一般50～100 m，水平厚度一般50～100 m。强卸荷水平厚度一般5～10 m。在二云石英片岩中卸荷、风化深度加大。自然边坡稳定，地下水埋藏较深。

2 边坡级别的确定

根据水工枢纽布置情况及DL/T 5353—2006《水电水利工程边坡设计规范》，俄鲁石料场位于坝址上游右岸约700 m 处，靠近工程枢纽区，且料场规划开采的底高程低于水库正常蓄水位，料场边坡失稳后产生危害性涌浪可危及大坝（1 级建筑物）的安全，故俄鲁石料场边坡属B 类水库边坡，安全级别为Ⅰ级，确定安全系数设计标准见表1。

表1 荷载组合及安全系数

3 边坡失稳模式分析

料场开挖的后缘及上、下游侧边坡走向分别为NE48°、NW300°和NW355°，平均综合开挖坡比1∶0.5。岩 层 产 状NW340°～350°NE∠40°～65°，后缘边坡岩层走向与边坡夹角为68°～58°，为大角度相交，则后缘边坡滑动的可能性较小；上游侧边坡与岩层走向夹角为40°～50°，也为大角度相交，则上游侧边坡滑动的可能性较小；下游侧边坡与岩层走向夹角为5°～15°，且下游侧边坡岩层倾角略小于边坡倾角，因此，存在以岩层面为底滑面滑动的可能性。

断层F52 较短，料场开采时已基本挖除。断层F51、F53 穿过石料场规划开采的后缘边坡，与后缘边坡夹角为40°～43°，为大角度相交，发生平面滑动的可能性较小。F54 断层产状为NW325°NE∠45°，穿过石料规划开采的下游侧边坡，走向与下游侧开采边坡夹角为30°，倾向边坡外侧，因此，存在以F54 为底滑面滑动的可能性。

分析岩层结构面与断层F54 结构面，得到其交线走向为NW300°、倾角42°，与下游侧边坡走向的夹角为55°，夹角较大，不会形成楔形体滑动。

4 基本资料

4.1 EMU基本原理

EMU(Energy MethodUpper Bound Limit Analysis)由中国水利水电科学研究院研制，是将塑性力学的上限定理运用到边坡稳定分析领域，即边坡稳定分析的能量法。这种方法将滑动岩（土）体划分为一种多块体模式，然后基于摩尔-库仑破坏准则及相关联流动法则，构造一个协调位移场，根据虚功原理，求出边坡安全系数的上限，用于岩质边坡的稳定分析。

4.2 计算参数选取

根据本工程地质勘探试验，俄鲁石料场岩体物理力学参数见表2。

表2 俄鲁石料场岩体物理力学性质参数表

俄鲁石料场岩石裂隙较为发育，而裂隙岩体结构面力学参数的合理取值对整个边坡稳定性分析起着至关重要的作用。结合本工程实际地质情况，计算参数选取主要考虑结构面以及非贯通断续结构面（裂隙面）的连通率对岩体强度的影响，计算方法见式（1）和式（2）。

式中 Cj、fj——裂隙面的凝聚力与摩擦系数；

C、f——岩体的凝聚力与摩擦系数；

K——裂隙的连通率。

在本文料场开挖边坡分析计算中，偏于安全角度考虑，俄鲁石料场的岩体强度采取整体折减，利用饱和抗剪断强度参数，得到折减后的各岩体力学指标见表3，各工况计算均采用表3 的数值。

表3 考虑裂隙后俄鲁石料场岩体物理力学性质参数表

4.3 计算工况及荷载组合

根据DL/T 5353—2006《水电水利工程边坡设计规范》规定，结合俄鲁石料场特性，按下列工况进行设计。

4.3.1 施工期

4.3.1.1 施工期持久工况

俄鲁石料场地下水埋藏较深，在2 020 m 高程以下，均处在规划开挖底高程以下，因此施工期持久工况时不考虑地下水作用。不考虑岸坡外水压力，本工况主要考虑自重作用。

4.3.1.2 施工期降雨工况

主要考虑施工期暴雨或久雨工况，采用孔压系数法，孔压系数按0.1 考虑。

4.3.1.3 施工期地震工况

采用基本烈度作为设计烈度为Ⅶ度，水平向地震加速度为0.1g。采用拟静力法考虑地震力作用，并同时考虑水平和竖向地震力。根据DL 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》规定，水平地震力系数取0.025 和竖直地震力系数取0.016 7。

4.3.2 运行期

4.3.2.1 运行期持久工况

主要为边坡正常运用工况，此时采用基本组合设计，为自重+岸坡外水压力+地下水压力。

4.3.2.2 运行期降雨工况

主要考虑运行期暴雨或久雨工况，此时应用基本组合设计；采用孔压系数法，孔压系数按0.1考虑。

4.3.2.3 运行期地震工况

主要为运行期水库放空时遭遇地震情况，此时应采用偶然组合设计。

4.4 计算剖面

根据本文边坡失稳模式分析，选择俄鲁石料场规划开采的下游侧边坡为计算对象，计算剖面如图1 所示。

图1 计算剖面

5 边坡稳定性计算及分析

存在两种失稳模式，分别为：（1）边坡以F54断层为底滑面，在后缘边坡岩体内自动搜索得到后缘滑动面；（2）边坡以岩层结构面为底滑面，在后缘边坡岩体内自动搜索得到后缘滑动面。失稳模式简图如图2、3 所示。

图2 失稳模式①

图3 失稳模式②

采用EMU 程序，边坡稳定计算结果见表4。

表4 各工况边坡稳定计算结果

从以上分析结果可知，俄鲁石料场开挖边坡整体稳定性较好，在各种工况下计算得到的不同破坏模式下的完全系数均高于规范要求，发生较大规模的滑动破坏的可能性较小。

6 边坡支护建议

从开挖边坡失稳模式和计算结果分析看，俄鲁石料场开挖边坡（综合边比1∶0.5）可以整体稳定，满足规范要求的安全系数的要求。

考虑到实际施工过程中，边坡地质情况的多变性，结合上述计算成果并参照类似工程，对俄鲁石料场开采边坡有针对性的采取支护，其措施如：（1）料场开挖边线附近及料场边坡马道需设置排(截)水沟；（2）料场开采坡面均布设排水孔，孔深4 m，孔间距4 m×4 m；（3）根据地质情况，设置随机锚杆和锚索。对局部楔形体破坏采用随机锚杆和随机锚索组合的支护方式进行局部加固；（4）料场边坡开挖完成后，强卸荷岩体开挖面以及岩体比较破碎的开挖面应采用系统锚喷支护。