缙云抽水蓄能电站节理岩体边坡开挖稳定性综合评价

史作言， 吴小林， 鲍利佳， 王 健， 张文涛， 祁长青

（1.缙云抽水蓄能有限公司，浙江丽水 321400； 2.河海大学地球科学与工程学院，南京 211100）

在山区进行工程建设，由于场地条件的限制，往往需要进行边坡的开挖施工，不恰当的开挖设计往往会导致边坡的失稳，带来巨大的经济损失和人员伤亡［1-3］，因此在边坡开挖设计前需要对边坡的稳定性进行详细的评价，从而能够深入地了解和分析边坡开挖后的稳定性特征，对可能出现的问题提出适当的处理措施，确保工程的安全.

对于岩质边坡而言，其稳定性与岩体质量和岩体结构特征密切相关［4-5］，因此现场详细的岩体结构特征调查和勘查及室内物理力学试验是岩质边坡稳定性评价中必不可少的部分，能够为边坡的稳定性评价提供详细的基础参数［6］，从而选择合适的评价方法对边坡的稳定性进行定性和定量的评价. 常用的岩质边坡稳定性评价方法有运动学方法、极限平衡法和数值模拟方法. 运动学分析法是节理岩体边坡稳定性评价的最常用方法之一，利用赤平投影及矢量代数理论，只需要考虑结构面及坡面的空间组合规律而不涉及岩土体的受力特征，简单方便，特别适用于节理岩体边坡的破坏模式分析和初步稳定性评价［7-11］. 在此基础上，通过计算边坡的安全系数和应力应变状态可以定量评价边坡的稳定性. 极限平衡方法可以考虑破坏面的抗剪强度参数和受力特性，能够快速给出符合实际的稳定性定量评价指标，在边坡稳定性分析中获得广泛应用.但极限平衡方法较为简单，无法考虑复杂的边界条件和岩体结构性，同时也无法获得岩体的应力应变状态，需要结合数值模拟方法进行分析，从而能够深入了解边坡的稳定性机理. 张伟星［12］将有限元法和极限平衡法相结合，通过与单一方法的对比，证明了该种综合方法在不同工况下计算边坡安全系数的准确性. 周东升和杨凤芸［13］利用PLAXIS 程序通过正交试验方法分析了五种影响边坡稳定性的参数，并得出黏聚力和内摩擦角是影响稳定性的最重要因素. 张东良、陈思娇、赵虎等［14-16］利用有限元强度折减法和极限平衡法分别评估和计算边坡的稳定性，得到了两种方法的适用条件及优缺点. 陈祖煜、冯树人、张均锋、郑宏等［17-20］将二维的极限平衡法拓展到三维，在对传统条分法进行进一步拓展的基础上，也能更好地处理地质分层和水压力等复杂条件. 邹广电和魏汝龙［21］改良了原有的极限平衡求解方法，从更普遍和广义的角度着手，建立更为严格的普遍极限平衡法，同时针对该种方法，利用工程实例验证所建立的理论及数值方法的正确性和可行性. 由此可见，极限平衡法和数值模拟的方法在岩质边坡稳定性分析中具有广泛的应用.

本文针对缙云抽水蓄能电站开关站边坡开挖工程，基于详细的现场调查、勘查和室内物理力学试验，对岩体质量进行评价，获得岩体的质量等级和力学参数，在此基础上，采用运动学方法确定边坡可能的破坏模式，并采用极限平衡法对各破坏模式的稳定性进行评价，获得定量的稳定性指标，评价边坡的整体安全性，最后结合离散单元模拟结果，详细了解岩体的受力状态和稳定性机理，为边坡的开挖设计和施工提供参考.

1 工程概况

缙云抽水蓄能电站位于浙江丽水市缙云县境内. 工程枢纽建筑物主要由上水库（坝）、下水库（坝）、输水系统、地下厂房及地面开关站等组成，总装机容量为1800 MW. 上水库位于缙云县方溪乡漕头村，天然库盆为山涧洼地，下水库位于方溪乡的龙宫洞电站至方溪二级水电站之间的方溪上游河段，输水系统位于上水库右岸与下水库右岸库尾山体内，总长3 391.00～3 424.50 m，电站最大净水头626.60 m，最小净水头561.9 m.地下厂房采用中部开发方式，主副厂房洞开挖尺寸218.0 m×24.5 m×55.0 m（长×宽×高）. 开关站位于下水库库尾方溪乡佛堂坑左侧边坡上，坡脚高程为430 m，开关站建基面高程为439.5 m. 开关站的修建需要对边坡进行开挖，开挖宽度为120 m，最大水平开挖深度约为40 m，开挖方量约11万m3. 开关站边坡拟采用三级边坡开挖：第一级边坡高程范围为439.5～454.5 m，边坡梯段高度15 m，正坡开挖坡比1∶0.3，侧坡开挖坡比1∶0.5；第二级边坡高程范围为454.5～469.5 m，边坡梯段高度15 m，正坡开挖坡比1∶0.5，侧坡开挖坡比1∶0.75；第三级边坡高程在469.5 m以上，边坡梯段高度0～10 m，开挖坡比1∶0.5. 边坡上在高程454.5 m 和469.5 m 处各设一级马道，宽度3 m. 边坡开挖设计纵剖面图见图1.

图1 边坡典型设计开挖剖面Fig.1 Typical design cross section

开挖后边坡的坡脚处将建设电站的开关站等重要建筑物，在边坡内部继续开挖地下厂房的出线隧洞，因此对边坡的稳定性要求更高，边坡的稳定性对于电站建设的顺利进行和安全运营至关重要.

2 研究区工程地质条件

开关站位于缙云县方溪乡佛堂坑左岸坡，边坡坡向为11°，边坡总体坡度较平缓，天然坡度20°～35°，普遍被第四纪坡积层覆盖，地表分布竹林和树林，在边坡开挖前地表植被和覆盖层已经被清除，清坡后的边坡地形特征见图2. 为查明边坡岩体质量，为边坡的设计和稳定性评价提供详细的基础资料，对边坡岩体结构特征进行了详细的现场调查和勘查. 边坡基岩为燕山期钾长花岗岩，肉红色，细粒结构，研究区无大型断裂带及褶皱构造. 现场调查共统计了260条节理，采用DIPS 软件对节理进行统计分析，DIPS 软件是用于描述节理和节理分布的统计分析软件，通过输入节理产状数据分析可以得出危险的节理面，并进行地质方位数据的交互式分析和稳定性的运动学评价. 各结构面的下半球等角度极点赤平投影见图3. 根据图3可以将研究区岩体节理分为四组，各节理组产状分别为J1：55°∠65°，J2：1°∠36°，J3：210°∠69°，J4：147°∠72°. 岩体结构面大多平直粗糙，延伸好，结构面间距为0.5～2.0 m，结构面大多闭合，无填充，侧壁有铁锰渲染.

图2 研究边坡概况Fig.2 View of the study slope

图3 边坡基岩节理统计图Fig.3 Stereographic projection of the joint sets in the study slope

为探明边坡内部岩体结构和风化带分布特征，在边坡区布设了10 个勘查钻孔，钻孔深度15.0～45.9 m. 钻孔揭示全风化层厚度为0.55～5.40 m，强风化层厚度为0.20～4.70 m，弱风化层未揭穿，通过现场岩芯统计，弱风化花岗岩的RQD值处于57%到94%之间，平均值为70.6%，岩体完整性中等到好.

边坡表层冲沟不发育，仅在场地中部发育一浅蚀坳沟，勘察期间未见流水. 研究区地下水以孔隙潜水为主，主要赋存于第四系覆盖层内，地下水位埋深为2.30～15.60 m.

3 边坡岩体质量评价及力学参数获取

由于边坡的全风化层和强风化层在开挖过程中将被开挖掉，所以本文重点研究弱风化花岗岩层的物理力学参数，从而为边坡稳定性评价和开挖设计提供参考和依据.

首先，采取现场钻孔试样，依据《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266—2013）对试样进行加工，制得试样高度为100 mm，试样的高度与直径之比为2.0，进行物理属性试验和抗压强度试验，获得试样的密度、孔隙率、单轴抗压强度、变形模量和泊松比等物理力学参数，见表1.

表1 花岗岩试样物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical properities of intact granite

为了考虑节理性状对岩体力学参数的影响，边坡岩体力学参数依据CSMR 方法进行估算. CSMR 是在RMR 法和SMR 法的基础上修正而来，被广泛应用于边坡岩体质量评价和参数估算. CSMR分类主要包括两部分，一部分是岩体基本质量（RMR），由岩石强度、岩石质量指标RQD值、结构面间距、结构面性状、地下水条件五个因素决定，另外一部分是对边坡的影响因素进行修正，包括坡高、边坡开挖方法、结构面，其表达式如式（1）：

式中：ξ为坡高系数；F1为反映结构面和坡面倾向关系的系数，F2反映结构面倾角大小关系的系数，F3为反映结构面和坡面倾角相互关系的系数；F4为边坡开挖系数；其中坡高系数ξ按公式（2）进行计算：

式中：H为边坡高度，m.

依据现场结构面调查和室内试样力学试验结果，边坡岩体的RMR指标和CSMR指标分别见表2和表3.依据CSMR指标，边坡岩体质量评价为中等，等级为Ⅲ级，对应力学参数取值见表4，其中抗剪强度指标选取依据RMR方法建议值，变形模量由式（3）获得.

表2 岩体质量评价RMR指标计算表Tab.2 RMR parameters and calculated RMR value

表3 岩体质量评价CSMR指标计算表Tab.3 CSMR parameters and calculated CSMR value

表4 边坡岩体力学参数Tab.4 Mechanical parameters of slope rock mass

4 边坡稳定性评价

4.1 边坡破坏模式分析

运动学分析法基于结构面空间分布特征进行边坡的稳定性评价，利用结构面的赤平投影图分析边坡的破坏模式和稳定性特征. 由于其原理简单清楚，操作方便，在节理岩体边坡初步稳定性评价中获得广泛应用，主要用来分析边坡的平面滑动、楔形体滑动和倾倒变形的可能性，DIPS软件的运动学分析功能可以方便地对岩体的破坏模式进行分析.

平面滑动模式中考虑结构面与坡面倾向相近（相差20°以内），结构面倾角小于坡面倾角，而大于结构面内摩擦角，根据赤平投影图，可能破坏区投影如图4中阴影部分所示. 从图4中可以看出，节理组2的大部分极点都会落入平面滑动的破坏区内，发生破坏的可能性的统计结构面极点数为37 个，占总结构面数的14.23%. 由于结构面延伸性较好，与边坡面相交，边坡有沿节理组2发生平面滑动的可能性.

图4 平面滑动模式的运动学分析图Fig.4 Kinematic result of planar failure

对于楔形体滑动的破坏模式，构成楔形体的两组结构面交线的倾向与边坡倾向相近但其倾角小于坡面倾角，并且大于节理面摩擦角，如图5中阴影部分所示. 可以看出，节理组2和节理组1投影的交点落入楔形体破坏区内，说明由节理组1和2构成的楔形体有发生破坏的可能性.

图5 楔形体滑动模式的运动学分析图Fig.5 Kinematic result of wedge failure

发生倾倒变形的结构面走向近似平行于坡面（小于30°），结构面倾角大于其内摩擦角，并且破坏面位于坡内，如图6所示. 可以看出，节理组3的大部分和节理组4的小部分极点落入破坏区以内，说明节理组3和节理组4切割岩体有发生倾倒变形的可能性.

图6 倾倒变形模式的运动学分析图Fig.6 Kinematic result of toppling

4.2 滑动稳定性评价

为定量评价平面滑动和楔形体滑动模式的稳定性，采用极限平衡分析法对沿节理组2发生平面滑动和沿节理组1和2交线发生楔形体滑动的安全系数进行了计算. 计算分别采用Rocscience 公司的RocPlane 软件和Swedge软件进行. 岩体结构面的力学性质往往具有离散型，因此采用概率分析的方法往往比采用均值计算的确定性方法更符合实际. 在概率计算时为了考虑结构面力学参数的随机特征，将摩擦角和黏聚力看作随机参数，服从正态分布，均值取表4中的值，变异系数按照经验取0.1，采用Monte Carlo法产生1000组随机参数组合，参数控制在均值附近3倍均方差区间内，根据随机生成的参数计算安全系数的分布范围和破坏概率.

图7为沿节理组2发生平面滑动的安全系数分布范围. 图中横坐标为概率计算获得的安全系数分布范围，纵坐标为各安全系数在1000次概率计算中出现的频次，从中可以看出安全系数的相对集中度和出现概率，同时可以根据安全系数小于1的出现次数与总计算次数的比值获得破坏概率的值. 从图7 中可以看出，边坡发生平面滑动的安全系数分布范围为1.70～3.23，平均值为2.38，没有出现安全系数小于1 的情况，破坏概率为0，说明此滑移模式下边坡稳定性较好，边坡发生平面滑动的可能性较小.

图7 沿节理组2平面滑动的安全系数Fig.7 Safety factor of slope sliding along joint set 2

图8 为节理组1 和2 组合形成楔形体滑动模式的边坡安全系数分布及出现频次的柱状图，从图中可以看出，楔形体滑动的安全系数最小值为2.37，最大值为4.36，平均安全系数值为3.32，同样没有出现安全系数小于1的工况，破坏概率为0，说明边坡不太可能发生大规模的楔形体滑动.

图8 楔形体滑动的安全系数Fig.8 Safety factor of wedge failure of the slope

由于边坡节理较为发育，节理延伸较好，有发生倾倒和局部崩塌掉块的可能性，需进一步结合数值模拟方法对此进行详细研究. 本文采用UDEC离散单元软件对开挖边坡的稳定性进行评价，离散单元计算剖面选为边坡纵剖面，各节理组按照视倾角投影到计算剖面上，为了计算方便和显示清晰，节理组间距取为现场量测的较大值，即2.0 m. 模型中岩块采用线弹性本构模型模拟，节理采用弹塑性模型模拟，服从摩尔-库伦破坏准则. 岩块参数和节理参数分别采用表1和表4参数. 边坡原始模型网格和开挖计算结果分别如图9和图10所示.

图9 边坡原始离散单元模型Fig.9 Initial distinct element model of the study slope

图10 边坡开挖离散单元计算结果Fig.10 Distinct element result after the excavation of the slope

图10中红色线代表节理发生剪切错动的部位，而蓝色线表示可能发生拉张破坏的位置. 从图10中可以看出，在边坡开挖以后，边坡整体稳定性较好，没有大范围的连续剪切或者拉张破坏区域. 但在开挖边坡的顶部位置，近坡表的节理发生剪切变形，坡顶局部块体有发生剪切破坏的可能性，而在开挖台阶处，近地表节理发生拉张破坏，有发生崩塌破坏的可能性，虽然范围很小，但在开挖时应予以关注，并及时实施合理的支护措施.

5 结果和讨论

缙云抽水蓄能电站开关站边坡基岩为弱风化花岗岩，岩体节理发育，因为开关站的建设，需要对边坡进行开挖，开挖水平深度约40 m，开挖后整体坡度约为60°. 为了保证开挖施工的顺利进行和开关站的安全，需要对开挖边坡的稳定性进行评价. 通过现场调查、现场勘查、运动学分析、极限平衡计算和数值模拟，对开挖边坡的可能破坏模式进行分析，对其稳定性和失稳机理进行评价，获得如下结论：

1）开关站边坡基岩主要为弱风化钾长花岗岩，主要发育4组节理，节理面多平直粗糙，节理面间距0.5～2.0 m，节理侧壁有铁锰渲染. 边坡岩体质量指标RQD指标介于57%和94%之间，岩体完整性中等到好，根据CSMR方法评价岩体质量等级为III级.

2）运动学分析显示缙云抽水蓄能电站开关站边坡开挖后的可能破坏模式主要是沿着节理组2的平面滑动模式、由节理组1和2组成的楔形体滑动模式和节理组3、4控制的倾倒变形模式.

3）极限平衡结果显示沿节理组2发生平面滑动模式的安全系数为1.70至3.23，平均值为2.38，破坏概率为0，由节理组1和2组成楔形体滑动模式的安全系数为2.37至4.36，平均值3.32，破坏概率同样为0，说明边坡发生大规模滑动失稳的可能性较低，开挖后边坡整体较为稳定.

4）离散单元模拟显示边坡整体稳定性较好，不具备发生大规模剪切破坏和拉张破坏的条件，但在开挖边坡顶部近地表位置，节理会发生剪切错动变形，而在开挖台阶处，近坡表岩块有发生拉张破坏和崩塌的可能性，在设计和施工中需要重点关注.