高边坡稳定性分析及工程处理方法研究

刘家艳，杨惠青

(1.二滩水电开发有限责任公司两河口建设管理局(筹)，四川成都610051;2.中国电信云南楚雄分公司，云南楚雄657000)

1 概述

在国家实施“西部大开发”和“西电东送”的战略大前提以及国家、行业、地方等的政策支持下，兴起了又一个水电开发的高潮。水电工程中的高边坡失稳将对工程建设、工程运行和社会影响产生严重后果。国内外边坡发生破坏性的事故也较为频繁，因此，对高边坡进行稳定性分析是水电工程建设面临的一个重大工程技术问题。笔者根据工程施工和工程建设实践，总结归纳了几种传统的边坡稳定性分析方法，结合工程案例，采用传统的边坡稳定性分析方法对电站的进水口边坡进行了比较分析。

2 边坡变形破坏原理

边坡变形破坏的机理就是研究在特定的工程地质条件下，边坡从开始变形到破坏全过程所产生的一系列力学的、物理的和化学的变化，它揭示了边坡变形破坏的内在规律，从而对边坡稳定性的现状及发展趋势作出正确的评价，并建立符合实际的数学模型。

2.1 边坡变形破坏机理的研究内容和方法

目前，对机理的研究主要是围绕潜在失稳分离面的形成和发展变形破坏的力学过程进行，其主要内容有边坡岩体变形的地质模式、力学作用过程及判断、影响边坡稳定性的各种因素的定量分析等。

(1)边坡岩体变形的地质模式。

由于工程建设的不断发展，边坡变形和破坏的实例越来越多，通过进行数理统计及归纳分析，建立了相应的地质模式。边坡变形的地质模式主要包括工程地质岩组特征、岩体结构特征、岩体应力条件、水文地质条件、边坡破坏形态及变形破坏的力学原理和时间效应等。

(2)力学作用原理及判据。

边坡以变形表明其发展，以失稳破坏宣告其消亡并形成新的边坡。从统计物理学角度出发，变形长期积累的量变过程是一个线性过程，质变是一个非线性非稳定态过程，深刻揭示这个过程并抓住这个过程变化的临界点，就可以对边坡的失稳作出正确预报。边坡的破坏需要较长时间的演变过程，在该过程中包含着复杂的岩体力学作用机理，是应力状态和岩体强度之间矛盾发展的结果。

(3)影响边坡稳定性的因素。

边坡的变形和破坏是受其内在的一些基本因素和外界的一些诱发因素制约的，因此，深入研究这些因素作用于边坡的机理，就可以准确预报边坡的变形发展。

2.2 边坡岩体的破坏机制及判据

岩体的破坏机制是指破坏的力学过程。破坏判据是破坏时应力应变条件的表达式，亦称破坏准则。由于岩体本身性质的差异和受力条件不同，一般分为脆性破坏和延性破坏两种形式;其破坏机制归纳为张破裂、剪破裂及塑性流动等三种类型。

(1)张破裂破坏机制的判定准则:①最大正应变理论。大量试验资料表明，无围压和低围压条件下，在轴向压力作用下，张破裂面大多与σ1作用的方向平行。根据广义的虎克原理推导出产生张破裂的岩石应力判据;②裂纹扩展准则。通过试验研究认为，岩体介质内部存在着随机分布的裂纹，当荷载达到一定值时，在最利于破裂的裂纹端部产生应力集中现象而使裂纹扩展，根据应力在裂纹周边产生切向应力和径向应力可导出裂纹端部开始破裂的条件。

(2)剪破裂破坏机制的判定准则:岩石剪破裂的判据一般采用熟知的库仑-莫尔准则。

(3)塑性流动破坏机制的判定准则:对于塑性流动，可以根据压应力的剪切效应进行判定。

3 边坡变形破坏形式、影响因素及稳定性分析方法

3.1 变形破坏形式

在开挖过程中，由于边坡岩体的原始平衡状态遭到破坏，坡体中的应力将重新分布，以求达到新的平衡。在新的应力条件下，坡体可能发生局部的或整体性的变形和破坏。当边坡岩体中出现了外界贯通的破坏面，使被分割的岩体以一定的加速度脱离母体时，称为边坡岩体的破坏。变形和破坏的形式主要有以下几种类型。

(1)蠕动:在上部岩体的重力作用下，使表部岩层发生长期缓慢地变形及松动现象，以岩块间的剪切位移及岩块的歪斜扭转为主要特征;

(2)滑坡:又分均质滑坡、顺层滑坡及切层滑坡;

(3)崩坍:崩坍多发生在由坚硬岩层组成的高陡边坡地段，其特征是由多组软弱面切割的岩体沿边坡倾倒翻滚，坠落坡脚，除地质因素影响以外，风化和水作用以及爆破开挖等均对崩坍的产生和发展有直接的影响;

(4)倾倒:边坡岩块受到几何形状、产状、裂隙水以及结构应力变化的影响，以某一点(或棱线)为转动轴心，绕其向外侧临空面转动的现象。初始阶段，岩块以角位移(转动)为其主要变形形式，继而使边坡岩体松动、架空，可视为大规模滑动的前兆;

(5)坍塌:是在边坡较陡、发生自上而下、由外向内逐层坍落破坏的现象。破坏面很不规则，大多参差不齐，主要受裂隙切割面的控制;

(6)坍滑:兼有滑坡与坍塌两种特征，有一定的滑动面，但岩体又不是整体的滑动。

3.2 影响因素及特征

边坡稳定的影响因素分为内在因素(地质因素)和外在因素，其中内在因素是基本因素。影响因素及特征见表1。

3.3 边坡稳定性分析方法

边坡稳定性分析的目的是要正确得出边坡稳定状况结论，为制定开挖安全措施提供依据。分析采用的基本、简便、实用的方法主要有自然历史法、力学分析法，工程类比法。当然，还有许多分析方法，如应力应变分析法、模型试验法、随机评价法、系统工程分析法等，文中的分析方法采用的是前三种简便分析方法，并将三种方法互相验证、互相补充，经过综合后确定了邦朗电站进水口边坡的稳定性。

(1)自然历史分析法:它是其他分析方法的基础，为力学计算方法决定边界条件和选择参数，为工程地质类比法提供比拟依据。分析时，根据工程地质及水文地质条件，研究坡体的岩体结构特征和变形破坏迹象，并进一步联系边坡的自然环境和历史条件的发展变化，查明促使稳定性发生变化的主导因素，得出定性的结论。

(2)力学分析法:力学分析法是一种广泛适用的方法，它可得出稳定性的定量评价。其可靠性取决于计算参数和边界条件、软弱面抗剪指标选择，因此，力学分析法必须以正确的地质分析为基础。其又分为以下二种:

①力学计算法:主要利用抗滑力与下滑力之比来判断边坡的稳定性，即K=抗滑力/下滑力，式中K为稳定系数。当K=1时，边坡处于临界状态(极限平衡状态);K＞1时，边坡稳定;K＜1时，边坡不稳定;

②赤平极射投影法:即赤平投影法，该方法是斜坡稳定分析中的图解法之一，常用吴尔弗投影网作为投影工具。利用该方法进行斜坡稳定性分析时，常需应用力学计算法予以验证。赤平投影法的特点是能以二维平面图形表示物体几何要素的空间方位，并能方便地求得它们之间的夹角与组合关系。为了对滑动体形态和几何尺寸等作出明确解答，常将赤平投影、垂直投影和比例投影方法结合运用。

表1 影响边坡稳定性因素及特征表

(3)工程地质比拟法:工程类比法是应用自然历史分析法认识和了解各种斜坡的工程地质因素，把已有的天然斜坡或人工边坡的研究或经验应用到条件相似的斜坡的研究分析中去。进行类比时，应使类比条件尽可能相似。

4 工程案例分析

缅甸某电站进水口明渠最大高度约55m，长约200m，底宽约30m，坡角约77°，轴线方向为N40.5°E～N65.5°E。岩性为花岗岩、千枚岩、花岗片麻岩三大类，基岩主要为中粗粒花岗岩，风化强烈，局部胶结较差，覆盖层厚，一般为2～4 m，由残积土夹花岗岩块石组成，强风化厚约4～5 m。经过对结构面组合的稳定性进行分析认为，边坡稳定受结构面控制，表现为块体组合局部失稳。

4.1 电站进水口明渠部位主要发育有三组节理裂隙

(1)平均走向N54°W，倾向SW，倾角40°，主要为片状节理;

(2)平均走向N77°E，倾向NW或SE，倾角80°;

(3)平均走向N9°W，倾向NE，倾角76°。

4.2 基础地质参数

由于电站进水口明渠靠近溢洪道，而且从开挖出来的基岩结构构造及地貌看，地质条件类似于溢洪道。因此，在进行进水口明渠边坡施工工程地质预报时，可使用溢洪道的基础地质参数:岩石比重:λ=2.6t/m3;节理内摩擦角:φ=65°;节理内聚力(粘结强度):C=0;地震加速度:α=0.25g。

4.3 进水口明渠轴线与三组主要节理的关系

爆破开挖后，从工程地质方面考虑，边坡的稳定条件主要取决于软弱面的临界倾角和软弱面间的内摩擦角的大小，以及节理裂隙的产状与边坡轴线、边坡的相互关系(表2)。软弱面是产生大量塌方或顺层滑坡的主要因素。

4.4 稳定系数

根据公式F=(防止滑坡的总力/引起滑坡的总力)计算，在勘测设计报告的稳定性分析中，结论是以楔形块滑动破坏方式为主。不计地震力时，东边坡稳定系数F=3.5，西边坡F=4.4;计入地震力时(α=0.25g)，其稳定系数东边坡F=1.7，西边坡F=2.2;因此，在选择上述基础地质参数、边界条件、软弱面抗剪指标等条件下，引渠两侧边墙的稳定安全系数是足够的。

表2 明渠轴线与三组主要节理走向夹角关系表

在不考虑地震加速度及三组主要节理的相互组合的情况下，单一结构面的计算结果见表3。进水口明渠三组单一结构面的岩质斜坡力学计算公式为:

由于c=0，则公式简化为:F=tgφ/tga

式中G为滑动体重量;l为滑动面长度;φ、c为滑动面上的内摩擦角与内聚力。

表3 单一结构面计算结果表

4.5 破坏模式及滑动方向的判断

(1)破坏模式的判断。

①某一地质不连续面的走向与坡面的走向交角小于22.5°，且倾角小于坡面倾角时，将会产生单滑面破坏模式;

②Makland试验准则:如果两条地质不连续面的交线倾角小于在该相交线方向上的坡面倾角时，则会发生楔型块滑动破坏模式;但如果两个地质不连续面中的任何一个的倾角在坡面倾角和相交线倾角之间，则会在两地质不连续面中倾角较大的一个发生平面滑动破坏模式。

平面滑动破坏模式为:电站进水口边坡的破坏为平面滑动破坏模式，滑裂面为C组节理面;B组节理与坡面走向(N65.5°E时)交角小于22.5°，节理倾角接近坡面倾角，因此，两边墙还有潜在的平面滑动破坏模式，滑裂面为B组节理面。

楔型块滑动破坏模式为:由A、B组节理组成的楔型滑动块破坏模式，以及由B、C组节理组成的楔型滑动块破坏模式。

(2)滑动方向的判断。

在赤平投影中，按软弱面的产状，标出它们的倾向线及软弱面的交线。

①若交线在两倾向线之间，则交线为滑动面;②若交线在两倾向线之外，则当中一条倾向线为滑动方向;③若交线与一根倾向线重合，则该倾向线即为滑动方向。

4.6 开挖措施和技术要求

从以上电站进水口边坡稳定性分析看，电站进水口的边坡是不稳定的，边坡破坏的滑动模式主要以平面滑动破坏模式和楔型滑动块破坏模式为主要表现形式。因此，为了确保电站进水口施工安全和工程安全，必须在边坡稳定性分析的基础上，判明影响边坡稳定的主导因素，对边坡变形破坏形式和原因作出判断，制定出可行的开挖措施并加强边坡变形观测。在开挖边坡时，特提出以下开挖建议措施:

(1)尽量改善边坡的稳定性:拦截地表水和排除地下水，防止边坡稳定条件恶化。可在边坡变形区以外开挖截水沟和变形区以内开挖排水沟，拦截和排除地表水，同时采用喷浆、勾缝、覆盖等方式保护坡体不受渗水的侵害。对于地下水的排除，需根据岩体结构特征和水文地质条件，采用倾向坡脚、倾角为10°～15°的排水孔进行排水。

(2)对于不稳定型边坡的开挖，必须先作稳定处理，然后再进行开挖。尽量避免雨季施工，力争一次处理完毕，否则，雨季施工应采用临时封闭措施，作好稳定性观测和预报工作。

(3)按照“先坡面、后坡脚”自上而下的开挖程序施工并限制坡比，坡高要在允许范围内。开挖时，注意不切断层面或棱线，不使滑体悬空而失去支撑作用。坡高应尽量控制在不涉及有害软弱面及不稳定岩体。

(4)控制爆破规模，应不使爆破震动附加动荷载使边坡失稳。为避免造成过多的爆破裂隙，在开挖邻近最终边坡时，应采用预裂、光面爆破，必要时改用小炮、风镐或人工撬挖。

4.7 电站进水口地质条件对预裂爆破的影响

岩石越完整均匀，越有利于预裂爆破;反之，在爆破作用下，会首先沿结构面张开，扩大岩石的破坏范围。岩石的裂隙发育程度和裂隙的主要方向对预裂爆破效果影响较大。走向平行于预裂缝比横穿过预裂缝的裂隙对预裂爆破的影响要小，与预裂线平面交叉成锐角的裂隙最有可能促使壁面不平整和超挖。因此，根据地质情况，在确定预裂孔孔距时，建议应考虑岩石裂隙密度和主要裂隙的产状，对孔距进行修正。提高预裂面的平整度，以缓冲、反射开挖爆破的振动波，控制其对保留岩体的破坏影响。

4.8 不稳定边坡变形的简易观测

由于电站进水口明渠属于高边坡开挖，边坡高度大于50m，根据上述施工地质工程稳定性的分析，部分边坡可能存在或局部有不利的结构面。由于电站进水口作为工程的主要建筑物，且洞脸及明渠开挖结束后，还有其他的工作要在其下部施工，因此，建议在开挖期间，一方面要及时适时支护跟进，另一方面要加强边坡的变形观测，监视已开挖边坡的稳定情况和变形破坏的发展情况，预测发展动向，作险情预报，防止事故的发生，为加强边坡稳定支护提供正确及时的施工地质资料。

(1)观测范围。

岩体变形包括水平位移和垂直位移。按工地现有条件和进水口明渠的实际情况，其观测范围为:①小范围整体岩体的的滑动;②局部岩体失稳;③单独结构的节理裂隙和张开裂隙观测;④大范围内岩体滑动监测(射线网观测方法)。

(2)观测目的。

为施工开挖提供施工地质资料，补充地质勘探调查资料;监视边坡变形破坏发展情况，预测发展动向，作险情预报，防止事故的发生;观测已开挖边坡的稳定情况。

(3)观测方法。

根据工地现有的观测条件和实际施工情况以及现有的观测手段，只能采用简易观测方法和大地射线网测量的观测方法。

①明渠边坡变形的简易观测。

设置标桩:在动体或张开裂缝部位与不动体部分各设两组或几组标桩，每两组大致成四边形。标桩可用钢钎打入地下或插锚筋布设。通过钢尺丈量水平位移，水准测量高程变化;

设置刻度板:在动体和不动体上，顺滑动方向布设带有刻度、相互垂直、密贴的两板，定期量测高程和水平位移值;

设置玻璃片:横跨裂隙两侧使用水泥砂浆埋设玻璃片，观测玻璃片是否错断及错开的距离和方向。

设置混凝土墩，使用垂球观测:在不动体上设桩，动体上设混凝土墩，使用垂球量测位移量;

②明渠边坡变形的射线网观测方法。

根据实际地形和施工地质条件，以及边坡稳定性分析结果，在边坡上布设S1～S6六个观测点呈三角形，从电站控制网测点定期或不定期进行观测。

4.9 对不稳定边坡进行处理

(1)由于电站进水口发育三组节理，节理面普遍张开，充填泥屑和滑石、粘土，局部岩石破碎。边坡稳定如上述分析受岩体结构控制，表现为不利节理组合，导致岩体失稳，因此，为保证边坡的稳定，应加强监测，及时进行加强喷锚支护;

(2)电站进水口边坡高度超过50m，属高边坡开挖，并且其覆盖层较厚，全、强风化层约3～5 m厚，因此，建议选择适合的开挖边坡方法，局部削坡并注意排水，防止地表水冲刷、浸泡而降低岩石强度，导致不利节理组合的岩块倒塌失稳;

(3)根据岩石和节理组合分布情况，设计合理的边坡开挖爆破，施工时，应严格采用预裂爆破，以减少对边坡围岩的过大扰动和破坏，保持边坡围岩的稳定。

5 结语

在该电站进水口表面覆盖层剥离时，经过对已开挖的导流洞、溢洪道、正在开挖的进厂交通洞以及施工区地质资料进行查勘和分析，作出了电站进水口边坡不稳定的施工处理措施。在施工时应注意边坡的稳定性观测和可能的边坡失稳的位置，该报告提交后迅即在电站进水口边坡的预测失稳的位置发生了塌方，说明该报告施工地质预报是准确、成功的，边坡的稳定性分析方法、原理、选择的地质基础参数、边界条件是可靠、适用的。