含不利组合结构面的高边坡开挖稳定性分析

党 莉， 刘 军，刘海飞，卢 鹏，陈 星

（1.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002；2.二滩水电开发有限责任公司，四川 成都 610021；3.中国葛洲坝集团第二工程有限公司，湖北宜昌 443002；4.南方电网天生桥水力发电总厂，贵州 兴义 562400）

0 引言

为了满足高速发展的国民经济对电力和水资源的巨大需求，我国已经和即将建成一大批大型水利水电工程。这些工程的建设都不可避免地要在各种复杂的地质环境条件下，人为地开挖形成各种各样的高陡岩石边坡，其工程稳定性问题会对工程修建的可行性决策起到重要作用，并直接影响投资效益[1]。

对于边坡稳定性的分析方法很多[2-4]，目前，较为流行的是以FLAC3D为代表的有限差分法，在边坡稳定性分析中得到广泛应用[5]。块体极限平衡理论是近年来发展和完善的一种岩体工程稳定性分析的研究方法，是用于分析非连续体稳定性的有效方法之一，故块体理论在工程岩体稳定性分析中具有独特的生命力，发展较为迅速[6-7]。

本文综合运用有限差分法和块体极限平衡法对某开挖高边坡进行稳定性分析。有限差分法对边坡整体稳定性进行评价，块体极限平衡法对边坡局部稳定性进行评价，所得结论对工程施工具有指导意义。

1 工程地质概况

某开挖岩质高边坡的开挖步骤为：①460～493 m高程，坡比为1∶0.3；②430～460 m高程，坡比为1∶0.3； ③400～430 m 高程， 坡比为 1∶0.3； ④370～400 m 高程， 坡比为 1∶0.3； ⑤ 360～370 m 高程，坡比为 1∶0.3；⑥ 310～360 m高程，近似垂直。

边坡整体基本稳定，岩质坚硬，岩体较完整；边坡靠近上游侧有影响边坡稳定性的不利结构面组合，稳定性相对较差，开挖爆破等外力作用会影响边坡岩体的稳定性。其中，不利结构面主要有张开的层面L1及小断层f1、f2，见图1。

图1 边坡结构面示意

（1）f1断层在坡面揭露，在465 m高程开挖边坡自上游起与坡底约交于0+24桩号处，产状50°∠84°，切割L1，略有错动，错距约20 cm；L1以上为闭合面，稍弯曲，L1以下局部破碎夹泥，厚5～10mm，擦痕明显。该小断层自坡顶延伸至高程460 m左右，迹长约20 m。

（2）f2小断层在465 m高程开挖边坡自上游起与坡底约交于0+36桩号处，产状332°∠69°，断面明显擦痕，面稍起伏，局部夹泥，泥厚一般1～5 cm；断层带糜棱岩化，宽20～40 cm，局部风化碎石夹泥。目前该小断层自顶部延伸至已开挖边坡435 m高程处。

2 三维有限元差分分析

计算中运用的数值方法是有限差分法，其基本力学模型是弹塑性本构关系，采用带抗拉截断的M-C屈服准则，采用专业计算软件FLAC3D作为计算平台。边坡模型网格见图2。考虑岩体开挖卸荷作用，模型中划分了宽约10 m的卸荷带，以反映开挖过程中开挖面附近岩体参数的弱化。

图2 边坡网格模型和结构面

整个边坡位移等值线见图3。X、Y、Z向最大相对位移分别为11、10、18 mm，X向向坡外的最大相对位移发生在开挖边坡的上部，Y向向坡外的最大相对位移发生在开挖边坡中上部，Z向最大相对位移发生在边坡底部。

边坡第一主应力等值线见图4。从图4中可以看出，最大拉应力值为1.0 MPa，主要集中在底部隆起部位，对坡体稳定性威胁较小。从边坡整体来看，开挖以后并未出现明显的拉应力区，基本上以压应力为主。

开挖后边坡塑性区分布见图5。从图5中可以看出，开挖以后边坡的塑性区集中在马道圈顶和断层附近。塑性区的具体分布情况为：430～460 m高程之间沿断层f1扩展，宽约1 m；400 m高程处沿马道外侧向下扩展，宽5～10 m；370 m高程处同样沿马道外侧向下扩展，宽2～3m。

3 块体极限平衡分析

边坡的稳定性分析中，软弱结构面的起着控制性作用。因此，有必要用极限平衡法进行进一步的分析。下面用块体极限平衡理论详细分析边坡的局部稳定性。

3.1 可能块体组合及失稳模式判断

边坡发育的主要结构面有：控制性断层f1、f2产状分别为 50°∠84°、 332°∠69°； 上游开挖面产状为180°∠73°； 下游开挖面产状为 0°∠73°； 内侧开挖面产状为90°∠73°。在施工过程中，开挖面是动态移动的。

采用赤平投影法分析可知，上述结构面和下游开挖面之间的组合，可能构成潜在的不稳定块体。判断以上组合中可能出现的不稳定块体失稳模式见图6。从赤平投影分析可知块体存在双面滑动的可能性。

图3 相对位移等值线 （单位：mm）

3.2 块体稳定性分析

（1）计算参数。依据开挖揭露出的小断层性状，f1小断层抗剪断强度 f′取 0.50， c′取 0.1 MPa； f2小断层抗剪断强度 f′取 0.35， c′取 0.03 MPa。

图4 第一主应力等值线

图5 塑性区分布

图6 块体的可能失稳模式判断 （坡面产状0°∠73°）

（2）计算方法及假设。采用极限平衡方法，假设作用在滑面上的切向力与滑面交棱线平行，考虑到计算中的块体在空间延伸长度有限，忽略坡面空间起伏对楔形体稳定安全系数的影响，即坡面按空间平面来处理。

（3）局部稳定性分析成果。根据可能块体组合及失稳模式判断结果，应用楔形体稳定分析程序对可能形成的不稳定块体进行分析，组合形成的楔形体空间见图7。楔形体滑落示意见图8。

在430～460 m高程开挖施工过程中，形成的开挖剖面可能与两组结构面组成不稳定块体，故应重视开挖方向和顺序，特别是爆破扰动可能造成不稳定块体下滑；开挖完成后两组结构面距离下游开挖面较远，组成不稳定块体的可能性不大，故开挖完成后局部稳定性基本能得到保证。

图7 楔形体空间视图 （坡面产状0°∠73°）

图8 楔形体滑落示意

4 结语

综合运用有限差分法和块体极限平衡法对开挖高边坡进行稳定性分析，得到如下结论：

（1）边坡稳定性分析中，软弱结构面起着控制性作用，考虑卸荷后的计算结果表明，断层对该边坡的整体相对位移应力有一定的影响，但是局部的小断层对边坡的整体稳定没有构成较大威胁，但部分含有断层的区域应该给予重点关注。

（2）从有限差分计算结果分析可知，边坡整体的位移较小，边坡开挖后在X、Y向的最大相对位移发生在中部370 m高程附近，而Z向的最大相对位移发生在开挖底部；第一主应力中最大拉应力为1.0 MPa，主要集中在底部隆起部位，对坡体稳定性威胁较小；开挖以后的塑性区集中在每级马道附近，特别是弧形马道的圈顶部分塑性区集中尤为明显，应根据需要进行加固。因此，建议对边坡每级开挖的坡脚进行监测，尤其是在370 m高程的位置。并且建议在开挖高程370 m处、马道圈顶和断层附近施加锚杆，以保证该边坡开挖后的稳定性。

（3）采用块体理论对边坡的局部稳定性进行分析计算可知，在430～460 m高程开挖施工过程中，形成的开挖剖面可能与两组结构面组成不稳定块体，故施工过程中开挖方向和顺序应该重视，及时观察f1、f2的产状和延伸情况，特别注意爆破扰动可能造成不稳定块体下滑。

（4）开挖完成后两组结构面距离下游开挖面较远，组成不稳定块体的可能性不大，故开挖完成后局部稳定性基本能得到保证。但考虑到水对开挖以后边坡整体稳定性的影响，建议顶部开口线处设截水沟、每级马道内侧设排水沟，以控制雨水对边坡稳定的影响。

［1］ 张敏，黄润秋，史新鹏.小湾水电工程坝前2号山梁高边坡稳定性评价［J］.湖南科技大学学报 （自然科学版）， 2009， 24（1）:53-57.

［2］ 孙玉科，牟会宠，姚宝魁.边坡岩石稳定性分析［M］.北京：科学出版社，1998.

［3］ 陈祖煜.土质边坡稳定分析·原理·方法·程序［M］.北京：中国水利水电出版社，2003.

［4］ 杨军.边坡稳定性分析方法综述［J］.山西建筑， 2009，35（4）:144-145.

［5］ Itasca Consulting Group Inc.FLAC3D （Fast Lagrangian Analysis of Continuain3Dimension）User'sManualsVersion2.1 ［Z］.Mineapolis,Minnesota,2002.

［6］ 刘锦华，吕祖珩.块体理论在工程岩体稳定性分析中的应用［M］.北京：水利电力出版社，1988.

［7］ 于青春，陈德基，薛果夫，等.裂隙岩体一般块体理论初步［M］.水文地质工程地质， 2005（6）:42-48.