500m级顺层陡倾特高人工边坡破坏模式分析与开挖支护设计

孙云志 苏传洋

摘要：为研究锦屏一级水电站大奔流沟料场500 m级顺层陡倾特高人工边坡破坏模式、为边坡开挖与支护设计提供依据，应用工程地质分析和数值模拟方法，研究了浅层滑移剪出破坏、深层滑移剪出破坏、压剪溃屈破坏、压裂滑移剪出破坏和随机块体破坏几种可能存在的边坡破坏模式，并以边坡破坏模式为基础，提出了开挖及支护设计建议。结果表明：压剪溃屈破坏和压裂滑移剪出破坏模式是500 m级顺层陡倾特高人工边坡特有的破坏模式;基于边坡破坏模式的边坡开挖与支护设计是有效的，可以保证人工边坡的整体稳定性，实现边坡的长期安全运行。

关键词：500 m级顺层陡倾; 特高人工边坡; 压剪溃屈破坏; 压裂滑移剪出破坏; 长锚索支护; 格构梁支护; 锦屏一级水电站

中图法分类号：TU43 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.003

文章编号：1006 - 0081（2022）02 - 0017 - 04

0 引 言

人工边坡稳定性问题一直是备受关注的地质工程问题[1-3]，人工边坡一旦失稳，将造成巨大的经济损失和人员伤亡。随着西部水电开发工程规模的不断增大，高度大于300 m的特高人工边坡工程越来越多。据不完全统计，在已建水利水电工程中，高度大于300 m的特高人工边坡有20余处，如小湾水电站右岸坝肩人工边坡高度700 m、锦屏一级水电站左岸坝肩人工边坡高度540 m、白鹤滩右岸坝肩人工边坡高度595 m、乌东德右岸拱肩槽人工边坡高度412 m等[4]。

在人工岩质边坡中，顺层陡倾岩质边坡是一种特殊类型的边坡，一般指岩层的走向、倾向与边坡的走向、倾向一致（或近似一致），且边坡倾角大于60°的岩质边坡。一般认为[5-7]，顺层陡倾岩质边坡的破坏模式有3种，即顺层滑移破坏，溃屈破坏和弯折–崩塌破坏，但各研究观点也有不同。在进行顺层陡倾岩质边坡的稳定性分析时，对其破坏模式的研究是最为重要的工作，是边坡稳定性分析的基础。人工边坡稳定性分析方法主要包括工程地质方法、极限平衡法、数值分析方法等[6-8]。从国内外相关的研究资料来看，人为的扰动（包括开挖施工、爆破等因素）、地震和降雨是导致边坡失稳的主要因素。

锦屏一级水电站大奔流沟料场是大坝混凝土人工骨料料场，位于雅砻江左岸临江斜坡上，上距水电站大坝9 km，最大自然边坡高度860 m，设计人工边坡高度513 m，属特高人工边坡，为国内外顺层陡倾岩质人工边坡高度之最。2014年8月，锦屏一级水电站主体工程建成，大奔流沟料场特高人工边坡与主体工程同时竣工验收。

根据对大奔流沟料场500 m级顺层陡倾特高人工边坡破坏模式的研究，以及开挖与支护设计工程实践得到的启示是：① 顺层陡倾岩质特高人工边坡破坏模式中，除通常的顺层滑移破坏外，还存在压剪溃屈破坏模式和压裂滑移剪出破坏模式，并已被实践证实;② 应对坡面随机块体破坏模式给予足够重视;③ 边坡开挖与支护设计应基于边坡破坏模式进行，并以此指导边坡开挖与支护施工。

1 边坡地质结构

1.1 地形地貌

大奔流沟料场自然边坡为顺向坡，边坡走向自南向北为NE21°-N-NW334°，倾向SE-NE，边坡高程2 130 m以下地形坡度55°～65°、以上65°～75°，坡脚河床高程1 620 m，临江坡顶高程2 480 m，最大自然边坡高度860 m。边坡基岩裸露，自然岸坡稳定。

1.2 地层岩性

大奔流沟料场边坡出露基岩为三叠系中、上统杂谷脑组第2段（[T22-3z]）的大理岩、第3段（[T32-3z]）的变质细砂岩夹少量板岩。第3段（[T32-3z]）总厚度大于300 m，按岩性进一步划分为3层，即[T3（1）2-3z]～[T3（3）2-3z]，人工边坡主要涉及其中第一层（[T3（1）2-3z]），厚度为177.66 m;[T3（1）2-3z]可进一步细分为9个小层，其中第1，3，5，7，9 小层岩性为中厚层状变质石英细砂岩，第2，4，6，8小层为薄层状变质石英细砂岩与板岩互层。

1.3 地质构造

大奔流沟料场边坡为单斜层状岩体，岩层总体走向350°～30°，倾向SE，倾角64°～72°。边坡主要地质构造包括断层、裂隙、层间软弱夹层。断层有32条，均为裂隙性断层;以陡倾角为主，缓倾角断层不发育。裂隙共计757条，以陡倾角为主，倾向坡外的缓倾角裂隙不甚发育。层间软弱夹层有23条，主要发生在[T3（1）2−3z]变质石英细砂岩内，分为两个类型，即层间剪切破碎夹泥层（Ⅰ类）和层间剪切破碎夹层（Ⅱ类）;其中，Ⅰ类夹层有3条，Ⅱ类夹层有20条。

大奔流沟料场边坡地表径流条件较好，地下水位埋深100～120 m，分布高程在1 868 m以下[5]。强卸荷带水平宽度30～35 m，弱卸荷带水平宽度40～50 m，为中等偏小地应力水平。边坡岩体质量为Ⅱ类至Ⅲ1类。边坡地质结构见图1。

2 边坡破坏模式

2.1 边坡分区

根据人工边坡坡面倾向与岩层倾向夹角的相对关系，将大奔流沟人工高边坡划分为西侧顺向边坡和南侧斜向边坡。西侧顺向边坡涉及开挖Ⅱ区和Ⅲ区，开挖坡面倾向与岩层倾向基本一致，二者的夹角小于15°，为顺层陡倾岩质特高人工边坡，是大奔流沟特高人工边坡的主体（图2）;南侧斜向边坡涉及开挖Ⅰ区，开挖坡面倾向与岩层倾向的夹角约15°～54°。

2.2 西侧顺向边坡破坏模式

西侧顺向边坡，边坡走向NE28°，与岩层走向夹角约2°～5°，顺层开挖。根据边坡地层岩性、边坡结构等工程地质条件及數值模拟分析结果，提出西侧顺向边坡可能存在以下4种破坏模式：浅层滑移剪出破坏、深层滑移剪出破坏、压剪溃屈破坏及随机块体破坏模式。

2.2.1 浅层滑移剪出破坏模式

当边坡开挖至一定高程后，边坡岩体沿[T3（1-3）2-3z]、[T3（1-4）2-3z]或[T3（1-5）2-3z]的层间软弱夹层向下蠕滑变形，并沿某一缓倾角结构面（或近水平，或外倾）剪出，形成浅层滑移剪出破坏。

2.2.2 深层滑移剪出破坏模式

当边坡开挖至一定高程后，边坡岩体沿深部[T3（1-1）2-3z]或J301、J302、J303等层间软弱夹层（带）向下蠕滑变形，并沿中部或下部缓倾角结构面（或近水平，或外倾）剪出，形成深层滑移剪出破坏。

2.2.3 压剪溃屈破坏模式

大奔流沟人工边坡设计综合坡角64°，与岩层真倾角相当。边坡开挖后，陡倾层状岩体在重力作用下，沿层面向下蠕滑变形;当变形受阻时，边坡中部（或下部）将会出现鼓起、拉裂、脱层;当这些部位所受剪应力超过岩体抗剪强度时，岩层产生剪切折断，形成压剪溃屈破坏。

图3为压剪溃屈破坏演化数值模拟图，取北西向正面坡的典型剖面进行计算分析。计算域内模拟了大理岩、薄层砂板岩、中厚层砂岩等14种岩层及强弱卸荷带、层间错动带和断层薄层实体单元。数值模拟计算参数取值见表1。

数值分析结果表明：边坡开挖完成后，在正常工况、短暂工况和偶然工况下的安全系数分别为1.35， 1.18和1.17，均能满足规范要求;各支护方案相对应的边坡安全系数差别不大;与无锚固方案相比，正常工况下的安全系数提高了0.15～0.18。边坡加固重点是对下部抗力体加以合理的保护和加固，及时提供围压，预应力锚索、钢筋混凝土格构以及系统锚杆等措施均可以起到良好的加固作用;采取放缓坡比、留宽平台、并使边坡坡面出露在厚层砂岩中，以及每级马道多排锚索支护的方案，对提高边坡稳定性有明显效果。

2.2.4 随机块体破坏模式

边坡结构面组合形成随机块体发生破坏，其规模较小，一般小于20 m3。

2.3 南侧斜向边坡破坏模式

南侧斜向边坡，边坡走向N28°W，倾向62°，与岩层走向夹角约15°～54°。南侧斜向边坡可能存在2种破坏模式，即压裂滑移剪出破坏模式和随机块体破坏模式。

（1） 压裂滑移剪出破坏模式。以长大结构面与陡倾角岩层层面为侧向切割面，形成大型柱状块体。当大型柱状块体下部分布有层状风化破碎岩体、软弱夹层等软弱岩体时，在重力作用下，下部软弱岩体被压裂破碎，导致上部大型柱状块体沿下部软弱岩层压裂滑移剪出，形成压裂滑移剪出破坏模式。已知的压裂滑移剪出柱状块体高度约90 m，宽度约27～30 m，结构面内交棱线埋深约27.44 m，体积约4 100 m3。

（2） 随机块体破坏与西侧顺向边坡类似，规模较小，一般小于20 m3。

3 边坡开挖与支护建议

3.1 开挖设计

（1） 边坡岩层倾角64°～68°，开挖边坡综合坡角不应大于64°[8]，并保证边坡开挖不切脚。

（2） 西侧顺向边坡在高程1 850 m设计一级10～15 m的宽马道，以此改善开挖边坡下部岩体受力条件，同时保证高程1 850 m以下边坡表部岩体为岩性较好的T2-3z3（1-5）层砂岩。

（3） 南侧斜向边坡在高程1 865～1 880 m设计一级10～15 m的宽马道。

（4） 适当放慢开挖降坡速度，让边坡岩体有较充裕的时间变化边坡应力分布。

（5） 严格执行预裂爆破作业，控制炸药量，分段爆破开挖措施。

3.2 支护设计

（1） 应用长锚索和超长锚索防止边坡浅层滑移破坏和深层滑移破坏。

（2） 设置坡面格构梁防止坡面随机块体破坏。

（3） 对于局部完整性较差、岩体质量低于Ⅲ2的坡体，增加锚筋混凝土短桩。

4 讨 论

以边坡破坏模式为基础，开挖与支护设计的依据充分，且科学合理，西侧顺向边坡均未发生浅层滑移剪出破坏、深层滑移剪出破坏和压剪溃屈破坏，500 m级顺层陡倾岩质特高人工边坡顺利建成，为类似特高人工边坡勘察、设计、施工提供了范例。南侧斜向边坡也未发生浅层滑移剪出破坏或深层滑移剪出破坏，仅发生1起压裂滑移剪出破坏，总体积约4 100 m3;由于预报准确，没有造成生产事故。因此，对于顺层陡倾特高人工边坡而言，除通常的顺层滑移破坏外，还应重视压剪溃屈破坏模式和压裂滑移剪出破坏模式带来的人工边坡安全风险。

5 结 语

锦屏一级水电站大奔流沟料场西侧顺向边坡存在浅层滑移剪出破坏、深层滑移剪出破坏、压剪溃屈破坏及随机块体破坏可能;南侧斜向边坡存在压裂滑移剪出破坏模式和随机块体破坏可能。对于顺层陡倾特高人工边坡而言，除通常的顺层滑移破坏外，还应重视压剪溃屈破坏模式和压裂滑移剪出破坏带来的人工边坡安全风险。本研究中基于边坡破坏模式的边坡开挖与支护设计是有效的，可以保证人工边坡的整体稳定性，实现边坡长期安全运行。

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（编辑：高小雲）