西藏扎拉水电站陡倾层状岩质边坡稳定性分析及支护设计

徐鹏 胡田清 丁亚楠

收稿日期：2023-09-17

基金项目：

长江勘测规划设计研究有限责任公司自主创新项目（CX2020Z13）

作者简介：

徐  鹏，男，工程师，博士，主要从事水利水电工程施工导截流设计咨询工作。E-mail：xupeng@cjwsjy.com.cn

引用格式：

徐鹏，胡田清，丁亚楠.

西藏扎拉水电站陡倾层状岩质边坡稳定性分析及支护设计

［J］.水利水电快报，2024，45（6）：38-42.

摘要：

为探究陡倾层状岩质边坡支护设计及稳定计算方法，结合扎拉水电站边坡开挖支护工程，通过分析边坡结构类型，研究边坡整体失稳破坏模式，分别考虑锚杆抗拉和抗剪作用，分析锚固力对边坡稳定性的影响规律，探究该边坡顺层滑移稳定性及支护设计方案。计算结果表明：不同规范推荐的安全系数计算方法得到的边坡稳定分析结论基本一致，考虑锚杆抗剪作用计算得到的边坡抗滑稳定安全系数较大，且数值计算分析结果验证了支护设计方案的合理性。研究成果可为类似边坡治理工程提供参考。

关键词：

顺层岩质边坡； 顺层滑动； 边坡治理； 锚杆抗剪强度； 扎拉水电站

中图法分类号：TV223

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.007

文章编号：1006-0081（2024）06-0038-05

0  引  言

高陡顺层岩质边坡因其岩层倾向与坡向一致，属于易滑边坡，设计方案或施工措施不当将会导致边坡整体失稳［1］，造成人员伤亡和财产损失，因此高陡顺层岩质边坡稳定分析及支护设计是岩土工程边坡的重要研究问题之一［2-3］。顺层岩质边坡破坏方式主要包括顺层滑动和溃屈破坏，其中顺层滑动指边坡整体顺层下滑［4］。王希宝等［4］总结了顺层岩质边坡出露类型，给出了边坡稳定系数计算方法，但未给出边坡支护设计方案和处理措施；李剑伟等［5］结合某缓倾顺层路堑边坡，分析了边坡破坏机理和稳定性，提出了抗滑桩支护的治理措施。

随着计算机技术的发展，数值计算方法被广泛应用于边坡稳定性分析和支护方案设计中［6］。张冬冬［7］采用FLAC3D，基于有限差分强度折减法，分析讨论了抗滑桩对顺层岩质边坡稳定性的影响。李云波等［8］采用slide软件，基于极限平衡法，分析计算某水电站在正常运行及降雨工况下的稳定性，但均未探究锚喷支护措施对岩质边坡顺层滑移变形破坏的影响。

本文结合扎拉水电站边坡开挖支护工程，计算陡倾层状岩体顺层滑移稳定性，探究锚喷支护在破碎层状岩质边坡支护工程中的适用性，以期为类似边坡治理工程提供参考。

1  工程概况

扎拉水电站坝址位于左贡县碧土乡扎郎村，为Ⅱ等大（2）型工程，坝址河床左岸设有一条导流隧洞。隧洞进口自然边坡坡顶高程约2 862 m，边坡坡度50°～70°，高程2 808 m，上部为卵漂石，下部大部出露砂质板岩，局部地表覆盖崩坡积块石。边坡采用台阶开挖，设计边坡开挖最大高度约49.5 m，其中高程2 779.0 m以下为垂直坡，以上岩石边坡设计开挖坡比约为1∶0.3。边坡开挖支护设计典型断面如图1所示。

2  工程地质条件

河床左岸岸坡自然坡度50°～70°，上部为Ⅲ级

阶地，岩性为第四系更新统冲积卵漂石，结构密实；下部出露砂质板岩，板理面倾向255°～285°，倾角70°～86°，沿河岸基岩面出露高程2 800～2 829 m。导流洞进口边坡典型地质剖面见图2。

导流隧洞进口位于岩质边坡坡脚，坡面与板理面大致平行，岩层代表性产状250°∠77°（视倾角67°）。岩体呈薄层板状，板理面总体倾向坡外，倾角较陡，坡面岩体破碎，坡面岩体特征见图3。

在施工前期的坡面清坡及施工便道开挖过程中，监测发现坡面发生局部开裂滑塌、掉块，坡脚发生褶曲变形。结合边坡地形及岩体特征，推测该变形是由开挖切层引起的坡面顺层滑塌，以及开挖后支护不及时引起的坡面卸荷松弛。由此推断，当开挖导流洞进水塔垂直边坡时，会造成陡倾层状板岩下部大范围切脚，开挖后边坡有整体顺层滑塌风险。

考虑到进口边坡为典型陡倾层状岩体，岩体破碎且板理面发育，边坡切脚后顺层滑移风险突出，而且，原始地形高陡，地下水位较高，不具备设置抗滑桩等典型抗滑措施的条件，因此选择安全有效且经济合理的支护方案是本边坡工程的重难点之一。然而，常用的边坡支护设计方法中，关于锚杆、锚筋桩及锚索等柔性支护的抗滑原理及抗滑作用计算方法不一致，如何验算锚喷支护作用下顺层边坡的抗滑稳定性是本工程的另一难点。

3  边坡稳定性验算及支护设计

3.1  计算剖面

导流洞进口边坡设计开挖面倾向与板理面倾向夹角22°～52°，属层状顺向-斜向结构，边坡在开挖坡脚时易发生顺层滑移破坏，边坡稳定分析计算示意如图4所示。边坡抗滑稳定安全系数采用极限平衡法进行计算。

3.2  计算参数

根据前期地质勘察结果，结合现场地质调查情况，导流隧洞进口边坡稳定分析及支护方案设计所取边坡岩石（体）物理力学参数见表1。

3.3  支护设计方案

根据边坡结构类型，结合现场施工条件，采用锚筋桩作为边坡整体浅层支护。具体支护方案见表2。

3.4  稳定性计算及分析

现有规范对于层状岩质边坡抗滑稳定的分析计算方法稍有不同，且安全稳定标准差异较大。为验算本工程岩质边坡在锚杆、锚筋桩及锚索支护作用下的抗滑稳定性，根据边坡滑移失稳特征，采用NB/T 10512-2021《水电工程边坡设计规范》及NB/T 10391-2020《水工隧洞设计规范》中相关方法对边坡稳定性进行设计计算，同时采用数值计算方法对结果进行验证，以确保相关设计计算成果的合理性和可靠性。

3.4.1  根据边坡设计规范验算

采用NB/T 10512-2021《水电工程边坡设计规范》推荐的楔形体法计算边坡顺层滑移稳定安全系数。根据规范要求，边坡在正常运行条件的持久状况下，安全系数应大于1.10；施工期的短暂状况下，安全系数应大于1.05。计算得到开挖边坡不同支护参数下的边坡抗滑稳定安全系数结果见表3，其中锚杆（锚筋桩、锚索）加固作用按照杆体筋材抗拉来考虑。

从表3可以看出，边坡开挖后若不及时采取支护措施，边坡顺层滑移稳定安全系数远低于规范要求，边坡发生整体失稳的风险较大。采用方案一支护可满足边坡在临时短暂状况下的安全稳定要求，采用方案二支护后，边坡在短暂及持久状况下的安全系数均满足规范要求。

总体来看，按照杆体筋材抗拉来考虑锚杆（锚筋桩）对边坡的加固作用，计算得到加固后的边坡稳定安全系数整体偏小。这主要是由于潜在滑动面倾角较大，锚杆（锚筋桩）与滑动面间夹角较大，不计锚杆（锚筋桩）作用于滑动面的法向作用力，其抗拉力在滑动面切向方向分力较小，因此对边坡顺层抗滑稳定作用有限。

3.4.2  根据隧洞设计规范验算

进口边坡的潜在不稳定块体受底滑面约束，需考虑滑面上的黏聚力和摩擦力作用。块体失稳类型为滑移型，可参考块体滑移理论，采用块体稳定安全计算方法进行边坡顺层抗滑稳定安全系数计算。

根据NB/T 10391-2020《水工隧洞设计规范》要求：施工完成前的短暂状况下，块体稳定安全系数应大于1.35；施工完成后的持久状况下，块体稳定安全系数应大于1.50。采用块体滑移稳定计算方法计算边坡顺层抗滑稳定安全系数，考虑锚杆（锚筋桩、锚索）抗剪加固作用，计算得到边坡稳定安全系数见表4。

从表4可以看出，考虑锚杆（锚筋桩、锚索）抗剪加固作用后，计算得到的边坡抗滑稳定安全系数值较大，其中锚筋桩对边坡抗滑稳定加固作用较为明显，这与以往工程实践经验较为相符，但由于规范中块体抗滑稳定安全标准较高，采用方案一支护后，持久状况下边坡抗滑稳定安全系数仍不满足规范要求，需补充锚索深层支护。

3.4.3  数值计算

基于简化毕肖普法（Bishop），采用软件slide边坡稳定计算分析软件，对开挖支护后进口边坡进行抗滑稳定分析计算。数值计算中基岩及层面采用Mohr-Column本构模型，计算范围为边坡坡顶及坡脚水平向外延伸30 m，大于潜在滑动面范围，模型底部及左右两侧边界均采用固定位移约束，计算中所用材料的物理力学参数如图5所示。从图5中可知，采用锚杆及锚索联合支护后，边坡顺层抗滑稳定安全系数计算值为1.247，与表3中规范法计算结果基本一致，短暂状况及持久状况下边坡抗滑稳定安全系数满足规范要求。

对比表3与表4，根据不同规范推荐的计算方法，分别考虑锚杆（锚筋桩、锚索）抗拉与抗剪加固作用的两种方案计算得到的安全系数差别较大，但边坡抗滑稳定安全结论基本一致。经数值计算验证分析，采用方案二对开挖边坡支护后，边坡顺层滑移安全系数满足规范要求，边坡支护后处于安全稳定状态。因此，进行边坡顺层滑移稳定性计算时可分别考虑锚杆及锚筋桩的抗拉和抗剪加固作用，但二者对应的安全稳定标准稍有差异，进行支护设计及稳定性验算时应参照对应规范合理取值。

4  结  语

扎拉水电站导流洞进口边坡为典型的陡倾破碎层状岩质边坡，边坡开挖时会因岩层切脚而引起边坡整体顺层滑动失稳。采用规范法和数值计算方法对边坡抗滑稳定安全进行了计算和分析，得到如下结论。

（1） 相同滑移模式下，采用NB/T 10512-2021

《水电工程边坡设计规范》及NB/T 10391-2020

《水工隧洞设计规范》两种不同规范推荐的边坡抗滑稳定安全系数计算方法，分别考虑锚杆在边坡支护中的抗拉和抗剪加固作用，计算得到的安全系数差别较大，但边坡安全稳定分析结论基本一致，二者均可用于边坡抗滑稳定安全分析与支护方案设计。

（2） 基于极限平衡法，采用slide有限元软件计算得到的边坡顺层滑移安全系数与规范法基本一致，可用于层状岩质边坡顺层滑移安全系数计算及稳定性分析。

（3） 采用锚筋桩支护方案，导流洞进口边坡满足短暂状况下安全稳定要求，但持久状况下边坡安全系数不满足规范要求，需补充锚索深层支护。

（4） 分析研究时导流洞进口边坡开挖支护工程尚未完工，边坡永久监测尚未实施，后续可根据永久监测结果进一步验证设计方案合理性，为陡倾顺层岩质边坡开挖支护设计方案的调整优化提供依据。

参考文献：

［1］  李险峰.某顺层岩质边坡开挖支护过程及其稳定性响应研究［J］.长春工程学院学报（自然科学版），2022，23（2）：11-16.

［2］  孙云志，苏传洋.500 m 级顺层陡倾特高人工边坡破坏模式分析与开挖支护设计［J］.水利水电快报，2022，43（2）：17-20.

［3］  邓荣贵，周德培，李安洪，等.顺层岩质边坡不稳定岩层临界长度分析 ［J］.岩土工程学报，2002，24（2）：178-182.

［4］  王希宝，袁松，黎良仆，等.顺层结构边坡稳定性一般性分析［J］.湖南交通科技，2022，48（4）：29-33.

［5］  李剑伟，何勇，杨堉果，等.某砂泥岩互层缓倾长大顺层边坡稳定性分析［J］.水运工程，2023（增1）：143-149.

［6］  王肇慧，肖盛燮，刘文方.边坡稳定性计算方法的对比分析［J］.重庆交通学院学报，2005，24（6）：99-103.

［7］  张冬冬.某水库顺层岩质边坡稳定性及抗滑桩防护研究［J］.陕西水利，2023（2）：101-102，105.

［8］  李云波，董泳，刘肖峰，等.基于Slide的水电站高边坡稳定性分析及支护方案研究［J］.水力发电，2023，49（3）：29-32，103.

（编辑：高小雲）

Stability analysis and support design of steeply dipping stratified rocky slopes of Xizang Zhala Hydropower Station

XU Peng1，2，HU Tianqing1，2，DING Yanan1，2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2. National Dam Safety Research Center，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to explore the support and design method of steep dip stratified rock slope，based on a slope project of Zhala Hydropower Station，the overall instability failure mode of slope was studied by analyzing the slope structure type，the stability and support design of the slope were explored and the impact of anchoring force on slope stability was analyzed by considering the tensile and shear strength of anchor bolt respectively. The calculation results showed that the conclusions of slope stability calculated by different methods were basically consistent. A higher safety factor was derived by considering the shear strength of anchor bolt，and the numerical analysis results verified the rationality of the support design. The research results can provide a reference for similar slope projects.

Key words：

bedding rock slope； bedding slide； slope treatment； shear resistance of bolt； Zhala Hydropower Station