某水库右坝肩高边坡稳定性分析与治理措施

李 凯，徐 博，赵 松，张 威

(1.贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002；2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 前 言

近年来，由于我国工程建设项目规模的不断扩大，高边坡的稳定性问题日益突出，其常常成为工程建设整体质量和施工进度的主要影响因素[1-3]；然而高边坡的稳定性主要受边坡工程地质条件、边坡结构、软弱(泥化)夹层、坡向坡型等众多因素影响[4-6]。因此，高边坡稳定性分析长期以来是工程建设行业中十分重要的课题；对高边坡的稳定性进行研究，有利于加强边坡的防治与管理，避免和减少边坡失稳带来的人民生命财产安全的损失，对国民经济和社会可持续发展具有重要的意义[7-8]。

1 边坡工程地质背景

1.1 边坡概况

该边坡位于贵州省某水库右坝肩坝顶高程以上，分布高程为1 704～1 802 m，最大坡高为98 m，原始地形坡度为35°～40°。坝肩边坡开挖范围为高程1 704～1 730 m，开挖坡比为1:0.7～1:1.0；开挖过程中，受强降雨影响，坝肩边坡及后缘出现多处裂缝，并伴随有小型崩塌发生(见图1)。

图1 边坡范围及裂缝分布(单位：m)

1.2 边坡工程地质条件

边坡原始地形坡度为35°～40°，局部开挖后坡度为45°～55°，属中山峡谷地貌。

场区无深大断裂及活动性断裂通过，地震基本烈度为Ⅵ度，区域构造稳定性较好。

工程场区有2种类型的地下水，分别为覆盖层孔隙水和基岩裂隙水。其中覆盖层孔隙水分布于黏土夹碎石、块石的孔隙中，受大气降雨补给；基岩裂隙水分布于岩体构造裂隙和风化带裂隙中，受大气降水和覆盖层孔隙水补给。枯水期地下水位于弱风化岩体内；由于汛期受岩体差异风化造成的裂隙发育程度不同的影响，因此地下水位于强风化带附近。

2 边坡结构及变形特征

2.1 边坡结构特征

边坡覆盖层厚度一般在0.5～8 m，为黏土夹碎石、局部地段夹块石，碎石、块石成分主要为全风化玄武岩和强风化玄武岩。该层结构较松散、孔隙度大、透水性强、力学性质较差，开挖后自稳性较差。

边坡下伏基岩为峨眉山玄武岩，强风化层深厚，一般在3.5～20 m，岩体柱状节理裂隙发育，呈破碎和镶嵌结构，开挖后自稳性较差；下部的弱风化岩体完整性则相对较好，呈较完整块状结构，岩体厚度为5～15 m，产状为300°～325°∠8°～20°(见图2)。

图2 边坡岩土体典型剖面

边坡岩体主要发育有4条软弱夹层(RJ1～RJ4)，其厚度为10～30 cm，间距为5～6 m，延伸长度为40～100 m，软弱夹层在已开挖区域露头起伏较大，大致呈平行展布，起伏差约为0.5～2 m，倾角5°～15°。软弱夹层在强风化岩体内呈褐黄色泥化状态，含少量岩屑，呈软塑～可塑状，有一定光泽，含水量较大，局部出现点状渗水，为强风化带内地下水过水通道；软弱夹层厚度向坡内逐渐减小过渡至弱风化岩体内部节理裂隙面，呈泥化薄膜状尖灭。软弱夹层主要是由地质构造、地下水、差异风化等因素综合作用的结果，在平面上与边坡坡向一致，且呈缓倾角，为边坡稳定最不利的控制因素。

2.2 边坡变形特征

受强降雨影响，坝肩边坡及后缘出现多处裂缝(见表1)，软弱夹层RJ2～RJ4处有明显剪出错动，位移约2～10 cm，坡面局部有鼓胀现象，在高程1 730 m附近伴随有小型崩塌。

表1 主要裂缝特征统计

3 边坡变形成因及模式分析

3.1 边坡变形成因

边坡变形范围内岩土体主要为黏土夹碎石、强风化玄武岩等，黏土夹碎石结构松散，强风化岩体破碎，且岩体内软弱夹层较发育，其力学性质极差。

受汛期以来强降雨影响，地表水向下渗入坡体，因覆盖层与强风化岩体、强风化岩体与软弱夹层间的透水性差异较大，导致地下水在各接触带上发生汇集。边坡岩、土体在降雨入渗作用下遭雨水浸泡达到暂态饱和状态，其力学性质降低，尤其是强风化带内的软弱夹层因地下水富集而发生的软化作用更为突出，导致其抗剪强度显著降低，为潜在滑动面的形成提供了有利条件；同时，强降雨引起地下水位迅速抬高，导致坡体内孔隙水压力增大，也加快了潜在滑动面的形成。

其次，强风化岩体裂隙随深度增加逐渐减小甚至趋于闭合，其透水性随深度逐渐减弱，在一定深度上将发生地下水富集，该部位岩体裂隙在地下水的软化侵蚀作用下，会造成岩体裂隙面的贯通，导致边坡沿强风化岩体裂隙滑动。另外，坝肩边坡的开挖对坡脚进行了切坡改造，产生了新的临空面，也加剧了边坡变形开裂的发生。

因此，在边坡自身岩土体结构松散、易于形成滑移面的岩土组合、接触带附近岩土体的透水性差异，以及强降雨和人类工程活动等因素的共同作用下，使边坡产生了变形开裂。

3.2 边坡变形模式

边坡的变形开裂主要是边坡工程地质条件、边坡结构特征、地下水活动、强降雨，以及人类工程建设活动等诸多因素共同发生作用的结果。在裂缝形成的初期，贯通性较差，地下水沿裂缝运输不畅；在遭遇强降雨时，裂缝中的动水压力骤然增加，底面出现扬压力，岩土体力学性质降低，坡体逐渐沿覆盖层与强风化岩体接触带、强风化岩体与软弱夹层接触带以及强风化带内的贯通性裂隙面产生滑动变形，坡体滑动后，导致裂缝增大，降雨又沿裂缝大量渗入坡体，进一步导致边坡变形加剧，乃至大规模滑动。

根据边坡工程地质条件、边坡结构特征、以及边坡变形破坏因素等综合分析，该边坡变形类型为滑动变形，主要有以下3种滑移面。

(1)沿覆盖层与强风化接触带滑动(上滑面)，滑移面形态主要受覆盖层及下伏基岩控制，为非圆弧形。

(2)沿软弱夹层及裂隙面滑动(下滑面)，滑移面形态主要受软弱夹层及裂隙控制，为非圆弧形。

(3)沿强风化带内的滑动(圆弧形滑面)，滑移面形态主要受强风化带内的贯通性裂隙面控制，为圆弧形。

4 边坡稳定性分析

4.1 计算模型及工况

根据边坡地质环境条件和结构特征，选取3条均布于边坡的纵向剖面作为边坡稳定性计算剖面。

根据SL 386—2007《水利水电工程边坡设计规范》，该边坡位于水库坝顶高程以上，在水库运行期间不存在水位起落，按非临水边坡考虑；场区地震基本烈度为Ⅵ度，不考虑非常运用条件Ⅱ。因此，边坡运用条件(计算工况)为正常运用条件和非常运用条件Ⅰ，分述如下。

(1)正常运用条件:天然工况；

(2)非常运用条件Ⅰ:由降雨等原因引起的边坡岩土体饱和工况。

4.2 计算参数

计算参数主要根据室内试验和现场大剪试验结果，结合边坡岩土结构特征及有关工程经验综合确定，本次边坡稳定性计算采用的岩土体物理力学参数取值见表2。

表2 岩土体物理力学参数取值

4.3 计算方法及结果

本次计算主要采用极限平衡法(Simplified Bishop、Morgenstern-Price)对边坡潜在滑移面进行稳定性计算，计算的潜在滑移面包括上滑面和下滑面(Morgenstern-Price)、强风化带内的圆弧形滑面(Simplified Bishop)。根据岩土体物理力学参数分别对该边坡在不同工况下稳定性进行计算，并将3条代表性剖面在不同工况下的计算结果统计于表3中。

表3 不同工况下各剖面稳定性计算结果

4.4 稳定性分析

根据SL 386—2007《水利水电工程边坡设计规范》，结合水工建筑物级别，确定该边坡为4级边坡，其抗滑稳定安全系数标准见表4。

表4 4级边坡抗滑稳定安全系数标准

通过计算分析可知:在正常运用条件下，边坡各剖面最小抗滑稳定安全系数为0.936～1.054，最不利滑面主要集中于各剖面上滑面和下滑面，其抗滑稳定安全系数均小于1.0，处于不稳定状态，计算结果与边坡现状变形特征一致，边坡稳定主要受软弱夹层及深厚覆盖层影响。在非常运用条件Ⅰ下，边坡各剖面最小抗滑稳定安全系数为0.909～0.987，边坡所有滑面抗滑稳定安全系数均小于1.0，边坡整体处于不稳定状态，因此受强降雨影响，边坡将失稳滑动。根据以上分析结果，应采取适当措施对该边坡进行治理。

5 治理措施与效果

边坡稳定主要受软弱夹层、深厚覆盖层及强降雨影响，治理重点应尽可能清除上覆不稳定体，加固软弱夹层及其他不利结构面，建立边坡截排水系统(见图3)。

图3 边坡治理典型剖面

边坡治理主要采取削方减载+挂网喷浆+锚杆格构梁+锚筋桩+截排水系统等综合治理方案。方案为:在边坡高程1 704～1 774 m段，按坡率1:1进行削方，高程1 774～1 784 m段，按坡率1:1.2削方，要求每10 m坡高设置一条宽度3 m的马道；在削坡坡面进行挂网喷浆并设置锚杆格构梁，锚杆长度为14～20 m，间排距为2.5 m×2.5 m，锚杆应布置于格构梁节点上，其中高程1 704～1 744 m段采用3束锚筋锚杆，高程1 744 m以上采用单束锚筋锚杆，格构梁断面尺寸为300 mm×400 mm；在高程1 704 m坡脚平台布置锚筋桩，桩顶采用冠梁连接；在坡面布置浅、深层排水孔，深度分别为3 m、10 m，在边坡外围布置截水沟，坡面中部位置布置竖向排水沟，各级马道内侧布置平台排水沟并连接竖向跌水沟，最后导入场外排水系统。

对治理后的边坡稳定性进行计算得出:在正常运用条件下，边坡抗滑稳定安全系数为1.163～1.172；在非常运用条件Ⅰ下，边坡抗滑稳定安全系数为1.118～1.121。计算结果表明:经治理后的边坡抗滑稳定安全系数显著提高，满足规范要求，边坡治理措施合理。另外，监测成果表明:边坡变形较小，边坡至今运行良好。

6 结 论

(1)该边坡主要为3种滑移面，即沿覆盖层与强风化接触带滑动(上滑面)、沿软弱夹层及裂隙面滑动(下滑面)、沿强风化带内的滑动(圆弧形滑动)。

(2)边坡自身的岩土体结构松散、易于形成滑移面的岩土组合、接触带附近岩土体透水性的差异，以及强降雨和人类工程活动等因素，是导致边坡变形开裂的关键。

(3)遭遇强降雨时，裂缝中的动水压力增加，岩土体力学强度降低，使裂缝变形加剧，随着裂缝变形的增大，降雨又沿裂缝大量渗入坡体，进一步导致边坡变形加剧甚至出现大规模滑动。

(4)在正常运用条件下，边坡各剖面抗滑稳定安全系数均不能满足规范的要求，且上滑面和下滑面处于不稳定状态；在非常运用条件Ⅰ下，边坡各剖面均处于不稳定状态，边坡将失稳滑动。

(5)边坡治理采取削方减载+挂网喷浆+锚杆格构梁+锚筋桩+截排水系统等综合治理方案，治理措施合理，边坡至今运行良好。