不同降雨和施工工况下某大坝左岸岩质边坡开挖稳定性分析

李国玉

（临沂市水利局，山东 临沂276000）

大坝开挖过程中坝肩边坡在不同工况下的稳定性问题是目前主要的研究热点和方向， 对于水库大坝安全运行至关重要［1，2］。 目前，关于边坡稳定性方面的研究成果较为丰富， 一部分学者通过进行室内模型试验， 模拟边坡在各种工况下的破坏过程进而实现了定量分析［3-5］；另一部分学者借助有限元模拟软件，建立边坡的三维地质模型，通过赋予材料的物理和力学参数，分析边坡的变形破坏规律［4-8］。 综合分析现有的研究成果发现， 大多数文献都是基于理想状态下的岩土体稳定性分析， 缺乏对施工期不同加固条件下的边坡的详细分析和模拟。

本文依托于某大坝左岸岩质边坡开挖过程，进行现场地质调绘， 并利用赤平投影对其可能的失稳模式进行判别。 然后从二维和三维角度分别分析了该岩质边坡在不同施工期的稳定性问题。

1 边坡概况

1.1 工程地质条件

某大坝左岸岩质边坡岩体主要为花岗岩， 高程约810m以上为角砾岩、砂泥岩。 边坡开挖后，表部有厚度0～13m左右的Ⅳa类或Ⅲb类岩体， 以里为Ⅲb或Ⅲa类岩体和Ⅱ类岩体， 而且边坡位于卸荷带以内，岩体结构以次块状结构为主，岩石强度高，岩体相对完整， 边坡稳定性主要受结构面控制。 该处分布有F15，F18，F19，F37等Ⅲ级结构面，从空间分布和断层规模来看，以NNW向中陡倾角、倾向坡外的F9，F15断层对坝肩工程地质条件影响较大， 两断层虽规模较大，但距开挖坡面水平埋深大于75m；属Ⅳ级结构面的小断层（f）亦较发育，其中，高程690m以上有一条f分布于开挖坡面附近，水平埋深仅0～10m，对心墙开挖边坡十分不利。此外，NNW顺坡向中陡倾角节理较发育，延伸数米～数十米。

由于受构造、蚀变、风化及卸荷等综合作用，左岸岩体完整性差，多为散体结构或碎裂结构岩体，相应坝基岩体质量差， 开挖边坡的工程地质条件在不同高程亦有所不同，边坡典型工程地质剖面如图1。

图1 大坝左岸典型工程地质剖面

1.2 岩体物理力学参数

根据室内土工试验成果，结合水电工程边坡岩体质量分级相关规范和标准［9］，本文初步确定该岩质边坡的各类岩体及结构面的地质参数建议值见下：

Ⅴ类岩体：容重γ=22.0kN/m3，岩体抗剪断强度f′=0.3，c′=0.05MPa。

Ⅳb类岩体：容重γ=23.5kN/m3，岩体抗剪断强度f′=0.6，c′=0.3MPa。

Ⅳa类岩体：容重γ=24.0kN/m3，岩体抗剪断强度f′=0.7，c′=0.4MPa。

Ⅲb类岩体：容重γ=25.2kN/m3，岩体抗剪断强度f′=1.00，c′=0.8MPa。

Ⅲa类岩体：容重γ=25.7kN/m3，岩体抗剪断强度f′=1.2，c′=1.3MPa。

Ⅱ类岩体：容重γ=26.1kN/m3，岩体抗剪断强度f′=1.3，c′=1.8MPa。

节理面（弱上风化）抗剪强度f′=0.35，c′=0.05MPa。

节理面（弱下～微新）抗剪强度f′=0.5，c′=0.15MPa。

Ⅲ级断层破碎带抗剪强度f′=0.25，c′=0.01MPa。

1.3 失稳模式初步分析

为充分分析该边坡的变形破坏机理， 从节理产状方面对该边坡可能的失稳破坏模式利用赤平投影进行了初步分析。

坝址区左岸尚发育一组结构面（倾向60°，倾角35°）， 该组结构面的产状对右坝肩开挖边坡的稳定极为不利。经地质工作分析，该组结构面主要为分布在上阶段重力坝方案右坝肩处的中缓倾角节理，而在堆石坝心墙开挖部位分布则较少， 不为优势结构面，相应对该处边坡的影响有限，因此，在失稳模式判断中未列该组结构面。 高程650m以下的二组结构面均倾向坡内， 它们自身及其组合不会影响边坡的稳定，且该段开挖坡度较缓，为31°，故只对高程650m以上的开挖边坡进行失稳模式分析。650高程以上开挖边坡倾向56°，倾角59°。 初步判定该边坡可能发生倾倒破坏，边坡判别分析结果如图2。

图2 边坡失稳模式判别图

2 二维极限平衡分析

利用极限平衡法，综合考虑施工期、暴雨期及加固措施前后的稳定性进行了计算和分析， 结果如表1。 计算结果表明，由于断层较多，岩体蚀变强烈，卸荷带发育， 高程710m以上边坡存在沿强卸荷带的滑动破坏，坝顶以上开挖边坡也存在沿V类岩体的圆弧型滑动破坏。

表1 左岸坝肩边坡稳定分析成果

3 三维极限平衡分析

由于左岸坝肩开挖边坡稳定性较差， 为反映空间约束效应对边坡稳定的影响，本文采用改进Sarma法在三维计算中的拓展［10］，对该部位边坡进行了三维稳定分析计算，该程序生成的临界滑裂面如图3。

图3 边坡滑动效果

3.1 荷载工况与分析计算方法

计算荷载包括初始应力场、边坡开挖释放荷载和地下水渗透体积力，以及锚索预应力，加载过程如下：

（1）初始地应力场（包括天然地下渗流场产生的渗透力场）。

（2）①+边坡开挖释放荷载。

（3）②+锚索预应力。

（4）③+暴雨（或半暴雨）水位产生的渗透力增量。

第（4）级荷载增量是：认为运行期边坡受到暴雨入渗，边坡岩体处于饱和状态，称为暴雨水位。另外，在暴雨水位和天然地下水位之间取中间值水位作为一种荷载工况进行计算，称为半暴雨水位。

采用求材料强度储备安全系数的方法对边坡的稳定性进行分析。 在计算中逐步降低岩体材料的强度参数，即用kf去除各种材料的c，f 值。根据计算结果中边坡岩体的应力屈服状态， 判断是否产生大面积的屈服破坏区或形成了贯通性屈服通道， 通过试算c，f 值，可求得kf。

3.2 应力应变分析

心墙坝左岸边坡剖面在开挖释放荷载作用下，当材料强度储备安全系数kf等于1.3时， 边坡部位的最大位移增量约8.8cm，边坡岩体的塑性屈服区并未贯通， 表明施工期心墙坝左岸边坡整体安全系数≥1.3（图4）。 但心墙坝顶以上岩体出现局部剪切破坏，边坡中下部各断层带附近出现张拉剪切屈服区 （图5），说明应进行局部加固。

图4 开挖完成后位移矢量图（kf=1.3）

图5 左岸边坡开挖完成后屈服状态图（kf=1.3）

心墙坝左岸边坡剖面在运行期设定的半暴雨水位渗透力作用下，当材料强度储备安全系数kf等于1.3时，边坡顶部的最大位移增量值为19.8cm左右（图6），边坡中部断层带处岩体产生局部范围的屈服区（图7）。

图6 半暴雨水头作用下位移矢量图

图7 半暴雨水头作用下塑性屈服区

心墙坝左岸边坡剖面在运行期设定的全暴雨饱和水位渗透力作用下（kf=1.0），边坡上部岩体产生较大范围的屈服区（图8），可以认为全暴雨运行期边坡岩体饱和状态下的安全系数＜1.0。

图8 暴雨水头作用下塑性屈服区填充图（kf=1.0）

心墙坝左岸边坡在710m高程以下各断层带附近，在边坡开挖完成后和暴雨工况下，均有局部范围的张拉和剪切屈服。

3.3 稳定性分析

计算结果如表2：在多种工况下，坝顶以上局部V类岩体边坡稳定性较差，存在失稳可能。

表2 左岸坝肩边坡三维极限平衡分析计算成果

以上分析表明， 心墙坝左岸边坡在施工期的整体边坡安全系数基本满足设计要求； 运行期边坡在710m高程以下各断层带附近及坡顶有局部的张拉和剪切屈服，应采取适当的加固措施。

4 加固处理措施

在710m高程以上，由于边坡坡度较陡（开挖坡比1∶0.6），且边坡岩体质量较差，二维、三维极限平衡分析成果显示， 该处存在沿强卸荷带的滑动及坝顶以上边坡沿V类岩体的圆弧型滑动破坏；平面有限元分析成果显示，高程710m附近及其以下的断层带岩体，在半暴雨水位渗透力作用下将产生局部屈服区，需要进行加固。

除系统支护外， 采用坡面锚索与山体内锚固洞结合的方式，联合加固不稳定坡体；高程731～790m的开挖坡面， 设置2000kN级预应力锚索， 间距4m×6m，深度30～60m；高程821.50～890m的开挖坡面，施加3000kN级预应力锚索，间距3m×6m，深度50～70m；高程890m以上的边坡及自然山坡，设置锚固洞，锚固洞水平间距6m，高差8m，洞深70～100m，每洞内布置锚索3×3000kN，锚索深度60～90m。

左岸坝顶以上边坡经预应力锚索与锚固洞加固后， 总锚固力达到18.7×105kN （其中： 锚固洞5.85×105kN，预应力锚索12.87×105kN），与三维计算成果的总锚固力18.6×105kN较接近，边坡稳定可满足要求。

5 结语

以某大坝左岸岩质边坡为研究对象， 开展了不同降雨和施工工况下稳定性分析研究，结论如下：

（1）边坡高程650m以下的二组结构面均倾向坡内，它们自身及其组合不会影响边坡稳定，且该段开挖坡度较缓，为31°，故只对高程650m以上的开挖边坡进行失稳模式分析， 初步判定该边坡可能发生倾倒破坏。

（2）断层较多，岩体蚀变强烈，卸荷带发育，高程710m以上边坡存在沿强卸荷带的滑动破坏， 坝顶以上开挖边坡也存在沿V类岩体的圆弧型滑动破坏。

（3）大坝左岸边坡在施工期的整体边坡安全系数基本满足设计要求， 但暴雨工况下可能发生倾倒破坏， 需要及时采取运行期边坡在710m高程以下各断层带附近及坡顶有局部的张拉和剪切屈服。