裂隙发育岩质边坡变形特征与稳定分析

姜 鹏，舒 香，李 韬，张元龙，张 伟

(1.成都市李家岩开发有限公司，四川 成都 611230；2.中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610200)

1 概述

边坡稳定一直是困扰西南山区水利水电工程建设的一大因素，边坡失稳破坏往往会造成工程整体延误，并可能造成灾难性事故，带来巨大的生命和经济损失。其中，1985年12月24日，由于坡脚存在砂质淤泥层，在地下水、基坑开挖以及边坡顶部增加荷载等因素作用下，天生桥二级水电站闸首边坡在修建进水口拦沙坎上游右岸挡土墙时发生滑坡，总方量约7000m3，造成48人死亡和巨大经济损失;2009年5月3日、8月16日和9月1日，由于地质勘探不足，大岗山水电站右岸坝肩边坡f231出露断层在爆破施工以及地下水作用下，出现裂缝及变形加剧，导致边坡停工半年、增加工程投资2.5亿元。因此，近年来，在水利水电工程建设过程中，对工程岩质边坡的地质调查，施工控制以及稳定性评价越来越重视，但由于岩体的复杂性，各工程岩体特性均会出现一定程度上的差异，从而表现出不同程度的边坡稳定性问题。本文以李家岩水库工程导流泄洪放空洞进口闸室边坡为例，结合安全监测数据，研究开挖过程中的边坡稳定性问题。

图1 工程位置图

李家岩水库工程位于岷江一级支流——西河上游的文井江山区河段右岸如图1所示。闸室正面边坡最大开挖高度83m左右，开挖边坡与岩层走向交角3°～12°，闸室两侧边坡开挖高度20～30m，开挖边坡与岩层走向交角78°～78°。闸室边坡开挖平面及监测布置如图2所示。

闸室边坡于2016年12月2日开始开挖，在开挖过程中，2017年8月17日出现局部垮，在汛期强降雨过程中，边坡混凝土喷层出现多处裂缝。因此分析边坡开挖过程中的裂缝成因，评价支护效果及其稳定性，对边坡的安全具有重要意义。

2 工程地质条件

进口闸室边坡地层岩性主要为：K1j①砾岩夹岩屑砂岩、粉砂质泥岩，K1j②岩屑砂岩与泥质粉砂岩、粉砂质泥岩不等厚韵律互层夹灰质砾岩，K1j③厚层块状砾岩夹薄层透镜状岩屑砂岩及K1j④砾岩与岩屑砂岩不等厚互层。

闸室正面边坡岩层倾坡内，为逆向坡如图3所示，边坡整体稳定，但风化、卸荷带裂隙发育，岩体较破碎，加上粉砂质泥岩岩性软弱，存在局部垮塌问题；侧面边坡为横向坡，因此层面不是边坡稳定的控制结构面，边坡整体稳定，但风化、卸荷带裂隙发育，岩体较破碎，加上其它不利结构面组合，可能存在局部垮塌问题。

图2 开挖平面及监测布置图

3 开挖支护设计及裂缝分布

3.1 开挖支护设计

根据前期地勘资料，进口闸室边坡的支护设计为：浅层采用喷射混凝土、挂钢筋网和锚杆支护，

图3 闸室正面边坡开挖图

深层采用锚索支护。挂网钢筋为A6.5@20×20；锚杆采用C25系统锚杆，L=6m，间排距为2m，梅花型布置，马道及开口线处采用一排C28锁扣锚杆，L=9m，间距2m；锚索支护采用2000KN，L=55m锚索，高层分部为EL699～723m。

3.2 裂缝分布

闸室边坡于2016年12月2日开始开挖，2018年4月18日导流洞贯通，2018年6月17日开挖至闸室底板高程EL669。2017年8月17日，在汛期强降雨过程后，闸室正面边坡EL.735.0m～EL.715.0m出现局部跨塌如图4所示，塌腔体积约为1190m3。导流隧洞贯通以后，边坡混凝土喷层出现多处裂缝，并在2018年10月隧洞洞内0～30m桩号段出现工字钢变形如图5所示。

图4 直面边坡EL.735.0m～EL.715.0m局部垮塌

图5 边坡裂缝

4 边坡变形特征分析

4.1 浅层岩体变形特征分析

进口边坡的浅层岩体监测主要以锚杆应力计为主。其中，共安装单点式锚杆应力计24支，两点式锚杆应力计18支，均安装在洞轴线偏左15.7m，洞轴线偏左2m和洞轴线偏右19m三个断面上如图2所示。锚杆应力计监测数据如图6—7所示。

从图6—7可以看出，截止2018年11月23日，进口边坡锚杆应力累计值均较大，最大值为202KN(PR13，洞轴线偏左2.0m，EL745～EL752)。从锚杆应力计增长趋势来看，锚杆应力计在安装初期均出现了较大应力增长，在监测后期，锚杆应力值逐渐趋于收敛。主要原因是在锚杆施工时，边坡岩体松弛变形开始处于约束状态，边坡内部应力开始进行调整，在监测后期，边坡内部应力调整结束，岩体逐渐趋于稳定，表现为锚杆应力计趋于收敛。上述现象表明，监测数据的变化过程反映出监测岩体的应力调整过程。

图6 进口边坡单点式锚杆应力计应力变化过程曲线

图7 进口边坡两点式锚杆应力计应力变化过程曲线

针对2017年8月17日的闸室直面边坡局部跨塌事件，选取该时段进口边坡锚杆应力计作为研究对象，其应力变化过程曲线如图8所示。

从图8可以看出，在局部垮塌发生前的上一个监测时段，塌腔附近多个锚杆应力值突增，表明此时边坡浅层已发生失稳破坏，2017年8月17日强降雨直接导致该处边坡EL.735.0m～EL.715.0m浅层岩体突然垮塌。监测数据表明，该处岩体失稳为内部岩体破坏与强降雨的综合作用所致。

图8 闸室直面边坡局部跨塌事件前后锚杆应力计变化过程曲线

4.2 深层岩体变形特征分析

进口边坡深层岩体监测主要以多点位移计、锚索测力计监测为主。其中，共安装锚索测力计6只，均匀分布于洞轴线偏左15.7m，洞轴线偏左2m和洞轴线偏右19m三个断面上；共安装三点式多点位移计4只，均匀分布于洞轴线偏左15.7m和洞轴线偏右19m二个断面上。锚索测力计和多点位移计变化过程曲线分别如图9—10所示。

图9 进口边坡锚索测力计变化过程曲线

图10 进口边坡多点位移计变化过程曲线

从图9可以看出，位于洞轴线偏左2.0m，EL706高程的Dp3锚索测力计变化较为明显，并于2018年11月后趋于收敛，其余锚索测力计应力积累均保持在较低水平。Dp3出现较大应力积累的原因，一方面是因为Dp3位于洞轴线正上方，在该处隧洞形成后，在隧洞顶部以上三角体容易形成应力集中区；另一方面是，边坡岩体风化较为严重，卸荷裂隙带发育，岩体较为破碎，在汛期强降雨作用下，岩体遇水软化严重，从而易出现向临空面的变形问题如图5(f)所示。

从图10可以看出，多点位移计深层测点在监测期内均处于较低水平，岩体变形均以浅层变形为主。

5 边坡稳定性分析

通过对进口闸室边坡地质条件及开挖期间的监测数据分析可以看出，仪器安装初期以及边坡开挖过程中，岩体存在一个内部应力重分布的过程，特别是在汛期降雨的作用下，边坡易出现失稳破坏。在边坡形成以后，随着支护措施的跟进，岩体内部应力调整结束，岩体变形得到控制，监测数据趋于收敛，边坡岩体整体处于较为稳定的状态。

6 结论

本文通过大量监测资料，结合工程地质条件，分析了李家岩水库工程导流泄洪放空洞进口闸室边坡开挖过程中的变形特征与稳定性，分析了边坡的潜在失稳区域，研究结果可为同类型边坡的施工及监测仪器的布置提供参考。得出以下结论：

(1)监测数据在监测仪器安装初期数据增长较为明显，而后随着支护措施的跟进，监测数据逐渐趋于收敛。

(2)隧洞顶部以上三角体容易形成应力集中区，在边坡及隧洞形成后，岩体应力调整所需时间较长，且在降雨作用下易出现失稳破坏，为边坡的潜在失稳区域。在边坡施工过程中应做好工程排水措施，并密切关注此类岩体的稳定性问题。

(3)正面边坡局部垮塌岩体附近多个监测仪器数据出现突变，表明该处岩体失稳为内部岩体破坏与强降雨的综合作用所致，监测数据与岩体失稳破坏表现出较好的一致性。

(4)对于岩质边坡工程，在边坡开挖及支护过程中应高度重视监测工作，并密切关注监测数据的发展趋势，分析岩体内部的稳定状态及失稳预测对边坡的安全施工具有重要的意义。

(5)在边坡施工过程中，岩体深层监测仪器未及时安装造成一定程度上的数据缺失，因此，在开挖边坡的监测仪器安装过程中，应高度重视仪器安装的及时性，确保数据完整。