顺层中倾角对岩质边坡稳定性影响及开挖方案研究

张洋，沈俊良, 2，周勇, 2

(1. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州310014；2浙江中科依泰斯卡岩石工程研发有限公司，浙江杭州310014 )

顺坡向岩质边坡在水电工程、交通工程经常遇到，且顺坡向结构面往往是威胁边坡工程的主要因素之一[1-2]，尤其遇到规模较大的，结构面贯穿性强的边坡，通常这类边坡失稳的可能性较大，具有突发性、危害巨大等特点，其治理的代价也往往较高。近来，西南水电交通的大力发展，使不少国内外学者在边坡研究方面取得了不少成果[3-8]，主要通过定性分析的方法快速对边坡稳定性做出评价，但在定量方面还无法达到完全定量，通常通过刚体极限平衡、数值分析等方法，来评估边坡的稳定性[6-7]。其中，在顺层滑移破坏机制方面的失稳理论也有较多的[11-15]，但实际应用中遇到规模较大的边坡，仍少有较好的工程处理方法来解决岩体顺层滑移等问题[6-8]。金波石料场边坡顺坡向中倾角结构面发育，本文结合金波石料场，对其稳定性进行分析评价，并结合该边坡实际特点，通过对比两种避让方案，来达到石料开采期边坡施工安全的目的，可为其他顺坡向中倾角发育的料场边坡开挖提供思路。

1 工程概况

金波石料场(图1)规划区域位于雅砻江左岸上游江边，距上坝址约1.5 km，沿江长约570 m，宽约250 m；石料场为斜坡地形，边坡走向为边坡走向约N10～20°E，坡脚江面高程为1 990 m，斜坡分水岭的山脊高程为2 700～2 937 m，最大高差为947 m。基岩岩性为花岗闪长岩，有用层计算储量约1 782.18万m3，平均厚度校核储量约1 816.86万m3。金波石料场需承担杨房沟、卡拉两个工程混凝土骨料料源开采任务，其规划开采有用料至少为492万m3(杨房沟206万m3加卡拉286万m3)。金波石料场设计终采平台高程为2 090.00 m，最大边坡高度为257 m，其工程边坡从上游到下游的整体体型为侧卧“L”型，其坡面呈台阶斜坡状，分正面工程边坡、下游侧工程边坡。

整体边坡顺坡向结构面较发育，浅表层岩体卸荷强烈，局部陡坡分布有危岩体。工程边坡发育断层主要为3组，第一组,顺坡向中、缓倾角断层，发育;第二组,NE向陡倾角断层，次发育;第三组,NNW向陡倾角断层，较少发育。

2 料场边坡失稳机制分析

顺层岩质边坡的破坏模式多为平面滑动破坏[12-14]，金波石料场边坡大多地段顺坡中倾角结构面发育，边坡顺坡中倾角结构面与陡倾优势节理裂隙相互切割，可构成规模不等的潜在不稳定块体，顺坡中倾角结构面作为底滑面，对边坡稳定不利。显然，金波石料场边坡节理裂隙发育，作为典型的节理岩质高边坡，其潜在的变形破坏模式将主要受控于复杂的岩体结构。平面滑动采用刚体极限平衡法进行分析[14-15]，可简化为图 2。

根据边坡稳定性系数定义坡体抗滑力和下滑力的比值，则Fs可写成式(1)，其中滑体单宽面积为A，滑面长度为L，岩体容重为γ，滑面倾角为α，滑面摩擦角为φ，黏聚力为c。将滑体等效成同厚度h的岩层，当边坡处于极限平衡时，岩层的临界厚度可以写成式(2)。

(1)

(2)

由于坡体面积等效成同厚度的岩层，根据几何公式可得式(3)，其中坡面倾角为β。

(3)

联合式(2)、(3)，可求出平面滑动破坏时的临界坡高为：

(4)

该式即可作为平面滑动破坏的判据。如金波石料场岩体容重γ为27 000 N/m3，滑面摩擦角φ为0.5，黏聚力c为0.1，那么滑面倾角α和临界等效岩层厚度h的关系见图 3，坡面倾角β和临界坡高H的关系见图 4。

3 料场边坡稳定性分析

根据地质所提供信息，对金波石料场进行整体三维建模，当前三维模型中对马道开挖进行了简化，同时充分考虑坡体的多组优势结构面分布情况，其中顺坡向中倾角长大结构面为全贯通，倾角按统计结果40°考虑，其余的几组优势结构面按50%的连通率进行随机切割。

通过强度折减法对边坡进行稳定性计算，图 5为天然边坡不同系数折减后的变形特征，可判断，边坡的整体安全系数为1.2～1.3。图 6为原方案开挖无支护后折减的变形特征，石料场正面边坡持久工况下的整体安全系数约为1.05～1.10，由于正面开挖，致使多组顺坡向结构面切脚剪出，且上游侧临近金波沟为凌空面，整体卸荷问题相对突出，上游侧边坡的稳定性相对下游侧略差。整体来看，边坡开挖后，边坡稳定性较差，各工况安全系数均不满足边坡规范要求。

4 开挖方案对比分析

由于该工程顺坡向结构面对边坡的影响程度非常大，若采用锚索支护，施工成本将严重影响工程经济效益，所以需在开挖体上做大的方案调整，根据杨房沟水电站、卡拉水电站两者所需用料，给出了两种边坡开挖体型调整方案见图7。

方案一(转角)在原设计开挖坡面最上游侧开挖线向金波沟方向旋转30°。设计终采平台高程为2 090 m，与原方案一致，开挖高度为320 m。开挖坡比与原技施阶段基本一致，即微新岩体开挖坡比为1.0∶0.2，弱风化、弱卸荷岩体开挖坡比为1.0∶0.3，强风化、强卸荷岩体开挖坡比为1.0∶0.5。

方案二在利用料场的已有两个溜渣竖井的同时，为避开料场可能潜在的顺坡向长大断层(节理)，将料场分为上下游2个主要开挖区，保留竖井间岩体。设计终采平台高程为2 070 m，较原方案低20 m，开挖坡比与原技施阶段一致，岩柱顶部高程2 230 m高程，顶宽为34 m，底宽约为130 m，开挖形状为“牛鼻型”。

基于强度折减法分别对各方案开挖后的边坡进行稳定性计算，图 8、9给出了2种方案强度折减后的变形失稳区域特征，潜在破坏模式均以中浅层坡体沿顺坡向中倾角结构面的滑移破坏为主。针对3种方案，表 1分析了各方案的相对利弊。

表1 各设计方案下工程边坡的整体稳定性情况

“方案一”情况下，工程边坡持久工况下的整体安全系数在1.20～1.25之间。相比原方案，此方案由于向金波沟方向旋转30°，一定程度上改善了与原顺坡结构面的不利交切关系，规避了“原方案”中切脚开挖带来的潜在工程风险，整个坡面的安全系数均有较明显的提升。

“方案二”情况下，边坡持久工况下的靠上游侧的安全系数为1.10～1.15，靠下游侧的安全系数为1.20～1.25之间。相比原方案，此方案预留了一定厚度的中间岩柱，降低了边坡的整体开挖尺度或规模，整个正面坡的整体安全系数均有所提高，尤其对靠下游侧边坡的稳定性提升作用明显。

5 讨论

通过3种方案对比，和现场勘探情况的进一步复合，最终拟定开挖方案(图 10)，该开挖方案，上部2 210 m高程以上与原开挖方案保持一致，上游侧保留中下部岩体，下游侧向下游拓展30 m，两侧开挖面角度增大，设计终采平台高程为2 095 m，开挖坡比与原技施阶段一致。该方案结合了原方案和方案二优点，在保证及时供料的同时，也保证了水库蓄水时间节点不受影响。从安全上来看，该方案不但减小了顺坡中、缓倾角断层和节理出露长度，避开顺坡向中倾角贯穿结构面剪出带来的潜在风险，而且可利用前期已布置的交通洞、溜渣井及其他相关布置。

6 结论

a) 金波石料场整体边坡顺坡向中倾角结构面非常发育，规模较大，开挖后，整体稳定性较差，安全系数较低。

b) 金波料场开挖边坡的安全威胁主要来自顺坡向中倾角结构面，根据刚体极限平衡法得出金波石料场滑面倾角和临界等效岩层厚度的关系以及坡面倾角和临界坡高H的关系。

c) 通过数值模拟对比3种开挖方案，拟定新方案结合了原方案和方案二的优点，边坡上游侧2 210 m高程以下避免了更多顺坡中倾角结构面的揭露，未开挖部分可以起到对上部岩体的支撑作用，对开挖边坡稳定有利，在满足工程施作各个时间节点的同时，最大化地利用前期原方案已实施的相关布置。