水电站料场开口线外边坡开挖稳定性分析

洪 伟，徐超凡，吉 锋

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

0 引 言

水电站砂石料厂规划选择是水电站施工组织设计的重要环节，在水电站工程中，料场占有至关重要的位置。石料厂开挖过程中，经常发生安全事故，造成重大的财产、人员伤亡损失。近年来我国建立了许多世界级高坝，相应也遇到了许多高陡边坡料场，在治理这些高陡料场边坡过程中，积累了丰富的经验，形成了一系列料场高边坡治理措施。在水电站料场边坡的开挖过程中，工程技术人员往往只对开口线范围内的边坡进行分析和针对性的治理，对开口线外的自然边坡考虑较少，相关经验还较少。在料场边坡开挖过程中，必然会对其邻近边坡产生影响，一旦相邻边坡发生崩塌、滑坡等地质灾害，将造成严重的人员与财产损失，阻碍工程施工进度。因此有必要对水电站料场开口线外，工程边坡开挖过程中可能影响到的自然边坡，进行一系列的稳定性分析，对一些可能的地质灾害进行预测与治理，减小不必要的损失。

过去的30年中，非连续介质力学方法(离散元、DDA等)发展迅速，随着计算功能的完善，非连续方法在岩土工程分析中的应用越来越普遍。相对于有限元和极限平衡法，很多离散元软件，列如UDEC/3DEC程序在分析复杂岩体结构的三维效应和各向异性问题时具有独到的优势，不仅能较真实地模拟复杂节理裂隙网络(DFN)，且岩块和结构面的参数意义明确并可测量；该方法也能够获得边坡潜在破坏面及相应的稳定性系数，可较好地用于评价边坡的变形及稳定特性，并指导工程实践；此外，还可以考虑多种岩体本构关系、不同围压环境、岩体脆-延性转换以及耦合作用等，是一种功能强大并适用于节理岩体的数值模拟方法。因此，离散元方法能够满足研究石料场边坡开挖变形及稳定分析的功能要求。

采用离散元方法与强度折减法结合进行分析时，可通过对岩体和结构面强度参数进行折减，即采用人为恶化边坡条件的方式，使边坡变形增长，直至出现失稳征兆，并根据临界状态的变形场分布或变形速率分布情况判断出边坡潜在失稳模式，以达到认识和评价边坡稳定特征的目的。

目前对于开挖工程边坡的变形稳定性分析较多，经验也相对成熟，但大多都是基于有限元进行分析。基于离散元分析不同开挖阶段邻近非工程边坡的变形的很少。通过现场布置监测点，得到料场开口线外陡崖，在料场边坡开挖到不同高程时的变形数据，与数值模拟的结果进行比较，研究开挖对邻近的非工程边坡造成变形稳定性影响。

1 强度折减法及在UDEC中的实现

1.1 强度折减法的基本原理

强度折减法最早由ZIENKIEWICZ等[1]提出，主要是将土体的抗剪强度c、内摩擦角φ，同时除以折减系数Fr得到一组新的cm、φm值，然后将其进行试算，通过不断增大折减系数，反复分析边坡内的应力应变情况，直至边坡失稳时，所对应的折减系数即为边坡稳定安全系数。

(1)

1.2 UDEC本构模型及其屈服准则

在分析中，岩体本构模型采用摩尔库伦弹塑性模型[2, 3]，该准则是传统MOHR-COLUMB剪切屈服准则[4, 5]与拉伸屈服准则[6]相结合的复合屈服准则。岩体结构面模拟选用接触面模型，接触面的破坏准则基于库仑剪切强度准则。MOHR-COLOMB模型，在土石边坡稳定性分析中应用较为普遍成熟，对于松散的土体以及结构面发育的岩体分析都非常适用。该破坏准则相对于其它岩土体的破坏，在工程应用中更加普遍，在主应力空间上和UDEC中MOHR-COLOMB屈服破坏准则如图1、2。

图1 主应力空间的MOHR-COULOMB准则Fig. 1 Mohr-coulomb criterion for main stress space

图2 UDEC中的MOHR-COULOMB准则Fig. 2 Mohr-coulomb criterion in main UDEC

图2中，A到B的破坏为屈服准则：

(2)

B到C的破坏为拉破坏准则：

(3)

式中，σ1、σ3分别是最大、最小主应力，φ、φ分别为内摩擦角与剪胀角，c为黏聚力，gs为单轴抗压强度。其中，fs、ft为剪切、拉伸破坏的判别依据，当岩体内某一点应力满足fs>0时，发生剪切破坏；当满足ft>0时，发生拉伸破坏。

其中，Nφ、Nφ的表示式为：

(4)

记弹性应力增量为σt,塑性校正后的应力增量为σN，则对应的MOHR-COLOMB准则为：

(5)

相应的破坏准则为：

(6)

通过UDEC，在边坡典型高程点布置监测点，通过数值模拟得到各高程监测点的变形监测数据，直观了解各个开挖阶段对边坡变形及稳定性的影响。为开挖支护方案，提供有效的参考。

2 算例分析

2.1 边坡概况

边坡位于西南地区某水电站料场，边坡岩体结构面发育，为典型的节理质高边坡。边坡目前还未开挖，设计开挖顶高程为2 270 m，设计开挖底高程为2 090 m，开口线外上方有一节理质陡崖，高程范围为2 320 m到2 415 m，工程边坡与陡崖的相对位置如图3。

图3 工程边坡与陡崖区平面图Fig. 3 Plane of engineering slope and steep cliff area

N-N坡面为通过工程边坡与陡崖的典型坡面如图4，陡崖区结构面发育，主要发育两条断层f(1)， f(2)，其中断层f(1)，产状为：N25～35°W SW∠60～75°，带宽约20～30 cm，带内为碎粉岩、岩屑，强风化，面起伏，局部影响带宽约50 cm，延伸到后缘陡崖；f(2)，产状为：N10°E NW∠40°，带宽约3～5 cm，带内见碎粉岩、岩屑，呈强风化，为中缓倾角卸荷面，延伸较长，面上见擦痕；fs1，产状为：N20°E NW∠10°，带宽约2～3 cm，带内见碎屑岩、岩屑，呈强风化，延伸较短，节理主要有四条。为后绪数值分析，结合陡崖与工程边坡地质概况，建立陡崖与边坡的结构面及势节理概化模型，作为数值分析的基础，如图4。

图4 N-N剖面地质概化模型Fig. 4 Geological generalization model of N-N profile

2.2 陡崖天然边坡稳定性分析

常用的边坡稳定性分析方法主要有刚体极限平衡法和有限元法[8, 9]，极限平衡法主要有Sarma法、Bishop法、Fellenius法、Janbuz法、锲形体法、平面滑动法和传递系数法。有限元法是数值模拟在边坡稳定评价中应用最早的方法, 较多应用于土质边坡的稳定性分析。但对于结构面发育、结构面项目切割的岩质边坡的稳定性分析，极限平衡法和有限元均不能较好的模拟边坡中断层、节理等结构面的性质，达不到想要的分析结果。离散元软件，如UDEC/3DEC能处理大量的结构面，这一特点对分析多节理型的岩质边坡非常适合。

边坡的稳定性分析非常关键，它是其它荷载组合、开挖支护等评价的基础。计算分析需要首先评价天然边坡的整体稳定性，然后在此基础上分析开挖边坡各工况下的稳定特性。采用UDEC[10, 11]结合强度折减法，对陡崖天然边坡在持久工况、暴雨工况和地震工况进行稳定分析，分析结果如图5，石料场边坡结构面计算采用的力学参数取值如表1。

图5 陡崖区各工况下的稳定性分析Fig. 5 Stability analysis of steep cliff area under various workingconditions

岩体分类密度/(kg·m-3)弹性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa摩擦系数fQ4覆盖层2 1500.100.360.030.55Ⅳ类2 6803.250.310.600.75Ⅲ类2 7009.000.250.901.00Ⅱ类2 72016.000.221.251.40断层f(1)———0.130.50断层f(2)———0.130.50

2.3 加固处理方案

陡崖部位存在较高的滑移破坏风险，在部分计算工况下安全系数未达到规范要求，设计拟定了3种加固处理方案：①无支护方案，主要将陡崖区的覆盖层挖除；②支护方案，用3排200 t系统预应力锚索进行加固；③开挖+支护方案，对潜在块体进行部分挖除，并施加3排200 t系统预应力锚索进行加固。通过对上述工程处理方案展开计算分析，各方案下潜在破坏模式具有一致性，仍为以f(2)为底滑面、由f(1)主控的后缘拉裂面组合的块体滑移模式，各方案处理后的稳定性如图6。

图6 工程加固处理方案效果对比Fig. 6 Comparison of project reinforcement treatment schemes

2.4 工程边坡开挖对陡崖影响分析

为了能够获得陡崖区在下部工程边坡开挖时的变形量，在陡崖性高程布置了五个位移监测点，位置如图7、图8。

图7 监测点平面布置Fig. 7 Plane layout of monitoring points8

图8 监测点布置横断面Fig. 8 Cross-sectional map of layout of monitoring points

基于“地质工程机制分析—定量评价”[12]研究思想，借助数值模拟方法定量评价工程边坡开挖对邻近边坡的稳定性影响，为该工程的支护设计及开挖施工提供技术支持借鉴。模拟陡崖下部工程边坡开挖时陡崖区变形监测数据，帮助进一步了解下部工程边坡开挖对陡崖区域的影响特征。根据现场的地质调查情况和工程设计方案，在模拟中利用UDEC在陡崖区相应的高程布置了几个典型监测点，模拟陡崖区的变形，与实际监测变形比较如表2。图9给出了不同开挖阶段边坡的变形特征，后续典型开挖阶段陡崖部位的变形增长情况如图10。

表2 变形模拟值与实际值对比Table 2 Comparisons between the simulated and the actualdeformation values

图9 不同开挖阶段陡崖变形特征Fig. 9 Deformation characteristics of steep cliff at differentexcavation stages

图10 工程边坡开挖典型阶段陡崖部位的变形特征Fig. 10 Deformation characteristics of steep cliff parts at typicalstage of excavation of engineering slope

2.5 结果讨论与分析

1)从图5可以看出，UDEC基于强度折减法分析边坡稳定性，是可以实现的。陡崖部位存在明显块体变形问题，表现为以f(2)为底滑面、由f(1)主控的后缘拉裂面组合的块体滑移模式，在持久工况下边坡的安全系数为1.06；暴雨工况下整个块体处于临界状态，安全系数为1.00；地震工况下该块体的安全系数为0.98，边坡在持久工况和暴雨工况下稳定性均不能达到规范要求，需要针对性的进行加固处理。

2)“无支护方案”在持久工况下，边坡的安全系数为1.11；暴雨工况下整个块体处于临界稳定状态，安全系数为1.01；地震工况下该块体的安全系数为1.05。“支护方案”在持久工况下，块体安全系数为1.15；暴雨工况下，安全系数为1.05；地震工况下该块体的安全系数为1.09。“开挖+支护方案”在持久工况下，边坡的安全系数为1.30；暴雨工况下，安全系数为1.12；地震工况下该块体的安全系数为1.22。当前针对该区域的加固方案基本合适(在陡崖部位增设3排200t预应力锚索支护)，在施工期和运行期均能够满足规范要求，加固后陡崖部位坡体安全系数增幅在0.04(考虑下部的两排锚索后，该块体安全系数增幅可达到0.06)，可见预应力锚索加固方案具有可行性和合理性。削坡对该陡崖部位块体稳定性提升较为明显，但考虑到该部位施工难度大、潜在工程风险高、爆破开挖扰动损伤影响等多重因素，不建议采用。因此针对此类多节理质的高陡岩质边坡加固，首先考虑削坡，开挖难度较大，则考虑支护。

3)从表2可以看出，数值模拟得到的陡崖区变形值与实际监测值基本一致。工程边坡开挖过程中，相邻的陡崖区也会发生变形，且开挖到不同阶段时，陡崖区的变形量也不相同，开挖开始和结束阶段，陡崖区的变形很小，开挖中间过程，陡崖区的变形量较大，因此需要在开挖的中间阶段，加强支护。

4)从图9、图10可知，开挖变形整体以卸荷回弹变形为主，局部受不利断层组合影响，存在块体变形问题。坡体整体变形量值在2～4 cm。从监测点来看，下部开挖卸荷一定程度上会影响到邻近陡崖区的变形及稳定性。边坡开挖完成后，开口线上方陡崖部位的变形约在0～7 mm，与实际监测点得到的值0～6.8 mm基本一致，这说明数值模拟陡崖在边坡开挖过程的变形稳定性是可行的。

3 结论及建议

通过现场监测与数值模拟，得到以下结论和建议：

1)利用UDEC中的节理模型，分析多结构面类型的岩质边坡的稳定性，相对于传统的极限平衡法、有限元法，离散元分析更加的简便。

2)多节理质高陡边坡的加固方案，开挖削坡效果较好，在开挖难度较大时，再考虑支护设计。

3)料场开挖工程中，开口线外的陡崖发生了变形破坏，需要相应的支护设计。

4)实际监测数据与数值模拟结果相比较，发现数值模拟的结果与监测结果基本一致，说明，利用UDEC模拟工程边坡开挖过程对邻近非工程边坡的变形结果是可靠的。