某水电站石料场开口线外边坡稳定性分析及处理措施

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，311122)

某水电站石料场规划区域位于电站坝址上游约1.5km处。石料场坡脚江面高程为1990m，分水岭的山脊高程为2600m～2736m，最大高差为746m，开口线至山顶最大高差391m。自然边坡总体走向约N10°～15°E，坡度40°～50°。石料场边坡大部分地表基岩裸露，局部地段有薄层崩坡积物覆盖。局部发育小陡崖、陡坎，边坡地形完整性较好。

2018年3月，石料场在揭顶施工过程中，发现其开口线后缘边坡一定范围内覆盖层较厚，经分析采取覆盖层清除的施工方案，当覆盖层清除后，石料场开口线外的边坡形成了包含陡崖、工程边坡的陡边坡，揭露边坡结构面发育，尤其发现断层f(1)、f(2)等不利块体组合，现场施工安全问题突出。随即采用非连续数值分析方法对该工程边坡进行稳定性计算与分析，并根据计算成果采取了针对性的加固治理措施，后续监测表明目前边坡处于稳定状态。这为类似石料场工程揭顶过程所出现的边坡稳定性问题提供参考，并建议加强重视水电工程中石料场的地勘与设计工作。

1 揭露地质条件

2018年7月，石料场完成开口线附近的覆盖层及部分强卸荷岩体开挖，揭露出的边坡见图1，高程2322m～2350m坡度为40°，坡面由一较平直的结构面组成；高程2350m～2380m坡度为60°～70°，局部为陡崖；高程2380m～2420m坡度为70°～80°，为自然边坡陡崖部分，陡崖上、下游分别发育2号、3号冲沟，沟底和沟侧有松散的崩坡积物覆盖。

图1 石料场开口线外揭露的边坡现状

揭露出的边坡结构面发育，其中断层f(1)，产状为：N25°～35°W、SW∠60°～75°，带宽约20cm～30cm，带内为碎粉岩、岩屑，强风化，面起伏，局部影响带宽约50cm，延伸到后缘陡崖；f(2)，产状为：N10°E、NW∠40°，带宽约3cm～5cm，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；f(6)，产状为：N15°W、SW∠30°～35°，带宽约1cm～5cm，带内见片状岩、岩屑，呈强风化，延伸较长；f(14)，产状为：N30°W、SW∠30°，带宽约3cm～10cm，带内见碎块岩、岩屑充填，呈强风化，延伸中等；f(15)，产状为：N25°～30°W、SW∠20°～25°，带宽约5cm～10cm，岩屑填充，含少量碎块岩，强风化，延伸中等；长大裂隙Lb1，产状为：N60°E、SE∠20°，面微张，平直粗糙，局部充填岩屑，延伸中等；Lb2，产状为：N20°E、NW∠20°～30°，面平直粗糙，闭合～微张，延伸中等；节理主要有：①N10°E、NW∠40°，面平直，发育间距40cm～80cm，②N40°W⊥，面平直，发育间距为20cm～30cm，③N40°E、NW∠75°～80°，面平直，发育间距为30cm～50cm。

揭露边坡岩体以弱风化花岗闪长岩为主，表层分布有少量强风化岩体；边坡发育的不良物理地质现象主要是强卸荷岩体和局部陡坡地段岩体因风化卸荷作用形成的危岩体。

2 分析方法与基本条件

2.1 分析方法

运用非连续数值分析方法对该边坡工程开展应用性研究，通过建立直观反映或表征该边坡岩体结构特征的非连续数值模型，展开数值模拟计算分析工作，可再现该边坡开挖过程中的典型变形特征、破坏机制以及稳定性。

离散元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)，而且岩块和结构面的参数意义明确且可测量；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，是一种功能强大并十分适用于节理岩体的数值方法，在岩土工程界得到了广泛的应用[1，2]。

另外，边坡的变形特征及稳定性分析采用强度折减法(SRM)[3]。

2.2 岩体物理力学参数与结构面参数

根据现场边坡开挖揭露的地质情况，岩体质量分类和结构面参数取值分别见表1、表2所示。后续还会通过反演分析进一步调整和细化关键性的相关参数取值。岩体本构模型采用摩尔库伦弹塑性本构模型，该准则是传统Mohr-Coulomb剪切屈服准则与拉伸屈服准则相结合的复合屈服准则。岩体结构面模拟将选用接触面模型，接触面的破坏准则基于库仑剪切强度准则。

表1 岩体物理力学参数

表2 结构面物理力学参数

2.3 边坡级别和安全标准

该石料场边坡属于水库区边坡，根据《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T 5353-2006)，属B类边坡，边坡设计安全系数取值见表3。

表3 边坡设计安全系数

2.4 抗震设计标准

该石料场工程区域地震基本烈度为Ⅶ度，以50a为基准期，超越概率为10%确定设计概率水准，相应的地震水平加速度为0.1445g。

3 数值模拟计算分析

3.1 模型建立

对该石料场开口线外现状边坡典型剖面的结构面及优势节理概化模型，作为后续开展数值分析工作的基础。

3.2 潜在破坏模式

顺坡中倾角的断层f(2)基本形成了贯穿的底滑面，在稳定性分析中将具有控制作用。后缘发育断层f(1)，其实际延伸范围具有不确定性。

结合工程经验，有以下三种典型破坏模式，其中底滑面相对明朗，由断层f(2)控制。具体包括：

(1)潜在破坏模式A：以f(2)为底滑面，后缘拉裂面由f(1)主控，组合形成块体滑移模式。

(2)潜在破坏模式B：以f(2)为底滑面，陡倾角优势节理为后缘拉裂面，组合形成块体滑移模式。

(3)潜在破坏模式C：以f(2)和同产状顺坡节理为底滑面，陡倾角优势节理为后缘拉裂面，组合形成追踪性台阶状滑移破坏模式。

3.3 参数反演分析

该陡崖经过漫长的地质作用演化形成，在天然状态下具备一定的整体稳定性，但在暴雨条件下的稳定性可能偏低，浅层局部存在一定滑移失稳风险。因此，可基于现状边坡概化模型，对该边坡潜在破坏机制、稳定现状进行复核，按暴雨工况下基本稳定或临界稳定状态(整体安全系数为1.0～1.05)进行二维参数反演分析，岩体结构面力学参数反演值见表4。

表4 岩体结构面力学参数反演值

3.4 计算方案选定

针对现状边坡，初拟增加三排200t系统预应力锚索进行试算，二维计算结果表明，暴雨工况条件下(最不利工况)边坡安全系数有较明显提高，可见锚索支护对潜在块体滑移问题的控制效果较好，见表5。

表5 不同潜在破坏模式下边坡安全系数对比

另外，相比较潜在破坏模式B，潜在破坏模式A的潜在块体体积更大，在同等支护条件下对边坡安全系数的提高程度偏弱。因此，在考虑到断层f(1)向坡体延伸情况暂未完全确定的情况下，从确保工程安全的角度出发，后续数值计算分析将按潜在破坏模式A开展分析工作，岩体结构面力学参数采用潜在破坏模式A所反演的参数，见表6。

表6 岩体结构面力学参数综合建议值

3.5 边坡二维稳定性分析

通过边坡二维稳定性分析，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。同时，计算结果显示，持久工况下现状边坡的安全系数为1.11；暴雨工况下现状边坡的安全系数为1.01；地震工况下现状边坡的安全系数为1.05；见图2。由此可见，在无支护条件下，该现状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，需要针对性进行加固处理。

图2 现状边坡稳定性分析

鉴于现状边坡的陡崖部位存在较高的滑移破坏风险，且部分计算工况下安全系数未达到规范要求，现场初拟两种加固处理方案：

(1)方案一为支护锚固方案，主要增加3排200t系统预应力锚索进行加固，间排距@5m×5m；

(2)方案二为开挖+支护方案，对潜在块体进行部分挖除，起到削坡减载的作用，并增加3排200t系统预应力锚索进行加固，间排距@5m×5m。

通过对上述初拟的工程处理方案展开二维计算分析，研究发现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。

方案一在持久工况下，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。二维计算结果表明，方案一现状边坡安全系数有较明显提高，锚索支护对潜在块体滑移问题的控制效果较好，该块体在各工况下的安全系数均满足规范要求，见图3。

图3 支护方案边坡安全系数

方案二在持久工况下，边坡的安全系数为1.31；暴雨工况下，安全系数为1.18；地震工况下该块体的安全系数为1.22。二维计算结果表明，方案二现状边坡安全系数相比方案一有明显提高，该块体在各工况下的安全系数均满足规范要求，见图4。但是，考虑到该块体削坡减载的施工难度大、潜在工程风险高、爆破开挖扰动损伤影响等多重因素，现场不建议采用。

图4 开挖+支护方案边坡安全系数

3.6 边坡三维稳定性分析

通过边坡三维稳定性分析，利用强度折减法对开口线外的现状边坡稳定性进行计算，研究发现主要潜在变形破坏模式与二维计算成果一致，仍为f(2)为底滑面、后缘拉裂面由f(1)和陡倾角优势节理组合，整体表现为块体滑移破坏模式，潜在块体体积约5万m3，见图5。

图5 现状边坡典型潜在破坏模式

鉴于现状边坡整体稳定性较差，现场可能出现块体失稳风险，针对该块体采取预应力锚索加强支护处理方案(方案一)。

无支护方案在持久工况下，块体安全系数为1.13；暴雨工况下，安全系数为1.02；地震工况下该块体的安全系数为1.06。三维计算结果表明，该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，需要针对性进行加固处理，同二维计算成果基本一致。

支护锚固方案在持久工况下，边坡的安全系数为1.18；暴雨工况下，安全系数为1.08；地震工况下该块体的安全系数为1.12。三维计算结果表明，通过预应力锚索加固方案，现状边坡的安全系数有较明显提高，锚索支护对潜在块体滑移问题的控制效果较好，该块体在各工况下的安全系数均满足规范要求，见表7，其成果略大于二维计算成果，这是由于该块体在三维效应下的约束所造成的，三维计算更接近真实性，而二维计算偏于保守。

表7 石料场开口线外边坡三维稳定性分析

4 加固处理方案

通过二维及三维计算成果表明，在陡崖部位增设3排200t预应力锚索支护的加固处理方案基本合适，边坡安全系数在施工期和运行期均能够满足规范要求。

另外，削坡减载虽然对该陡崖部位块体稳定性提升明显，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，加固处理方案为在陡崖部位增设3排200t预应力锚索支护，间排距@5m×5m。

5 边坡变形监测

为监测石料场开口线外现状边坡的变形情况和支护效果，在陡崖处布置2个表面变形测点，3套多点位移计，在所增设的预应力锚索中选择3根布置锚索测力计。

经过一年的观测表明，锚索支护后的现状边坡表面变形最大位移10.4mm，深部变形最大位移0.79mm，锚索荷载均略小于锁定荷载，测值较稳定，因此，综合分析该现状边坡变形量、位移量均较小，测值都趋于稳定，边坡处于稳定状态。

6 结论

(1)根据二维及三维计算结果，石料场开口线外现状边坡可能存在失稳情况，处于临界状态，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。

(2)根据二维及三维计算结果，在陡崖部位增设3排200t预应力锚索支护后，边坡安全系数均满足规范要求，加固后边坡安全系数增幅在0.04～0.05，现场采用在陡崖部位增设3排200t预应力锚索支护的加固处理方案基本合适。

(3)边坡变形监测表明，加固处理后的现状边坡变形量、位移量均较小，测值都趋于稳定，边坡处于稳定状态。

(4)工程边坡后续开挖时，加强动态监测、动态勘察、动态支护设计，确保边坡稳定。

(5)水电工程中石料场虽属临建设施，但地勘工作需引起重视，后期补救措施往往代价较高，料场勘探应与开挖支护设计紧密结合。