桃林口水库右岸高边坡稳定分析

左 辉

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

1 地质概况

桃林口水库坝址区地貌属构造剥蚀低山区，右岸为舌状山梁，北高南低，青龙河流入坝区后，河水流向由NE～SW向转为NW～SE向。右岸为侵蚀岸，形成悬崖峭壁，河床地面高程为85m，右岸高程为210m。右岸边坡底部建基面为74m高程，人工边坡相对高差约136m，属岩质边坡。

右岸出露岩性为震旦亚界长城系大红峪组及少量第四系地层。建基面高程74m以下为大红峪组第一段第一带（Z1d11）灰绿、青灰色中厚层薄层板状粉细砂岩；高程74～105m为第一段第二带（Z1d12）青灰色薄层板状粉细砂岩夹灰白色薄层石英砂岩；高程105～126m为大红峪组第二段第一带（Z1d21）青灰色板状粉细砂岩与薄层石英砂岩互层；高程126～172m为大红峪组第二段第二带（Z1d22）灰白色、肉红色中厚、厚层中细粒～粗粒石英砂岩夹薄层粉细砂岩；高程172～215m（坡顶）为大红峪组第二段第三带（Z1d23）灰白色、肉红色厚层、中厚层石英砂岩；高程215.0m以上为大红峪组第三段厚层、巨厚层砾岩、石英砂岩夹少量薄层灰岩。

右岸地质构造发育，坝轴线上游250.0m内分布有迭瓦式断层构造F103、F151～F154；坝轴线附近有F155等断层。右岸边坡节理裂隙亦较发育，其中以走向NW310°～320°，倾向NE，倾角60°的构造节理为主。该组节理在岸坡部位出露时，则多发展成为卸荷裂隙。

2 右岸高边坡定性稳定分析

右岸坝肩从210m（上开口线）至74m高程（桩号0＋027～0＋158）包括2＃～4＃三个坝块的侧向稳定，主要决定岩体结构面发育程度，及其组合关系，是否有连续软弱夹层等因素。

（1）利用赤平投影分析右岸坝肩岩体主要结构面组合的不利因素对右岸坝肩稳定的影响。

（2）选择不利的剖面进行稳定计算分析。

（3）对F103、F151断层泥是否在高水头作用下泥化产生管涌，破坏岩体的稳定分析。

定性分析结果综合评价右岸高边坡岩体是稳定。

3 右岸高边坡三维弹塑性有限元稳定分析

3.1 稳定分析

天然状态下边坡的初始应力；分次开挖后边坡的三维弹塑性有限元分析与稳定评价；分次锚固后，三维弹塑性有限元分析与稳定性评价；正常水位。不设防渗帷幕的工况下，在渗流压力作用下进行边坡稳定分析。

工程边坡由初始状态到施工开挖卸载、锚喷支护、大坝浇筑，以致蓄水运营，地下水条件和岩体应力状态都在变化，相应的边坡稳定性也在改变，依不同工况时对边坡安全系数进行计算与稳定评价。

3.2 安全系数K的计算方法

从传统的刚体极限平衡原理可知，安全系数K的计算方法为：

式中 S为总抗滑力；T为总滑动力。

按变形体弹塑性有限元求解，可以得到分析域内任意单元的应力，根据屈服准则可以判别出潜在的最危险的滑移面，在可能的滑移面上，可求得每个单元的安全系数K1：

式中 S1为第一单元抗滑力，S1＝A1（σ1f1－C1）中A1，σ1，f1，C1分别为第一单元的面积、正应力、摩擦系数和凝聚力；T1为第一单元滑动力。

3.2.1 总滑动力T的计算

对任意第i个单元的Si、Ti是矢量，对各个不同的单元，它的矢量方向是不同的，在边坡的整体稳定分析中，需求其总的合力效应，总抗滑力S，总滑动力T。多数情况下，岩体失稳是沿某一结构面或几个结构面（成折线）滑动，我们可以在结构面上设定一坐标系，沿走向为x轴，沿倾向为y轴，把各单元的滑动力T1分解为T1x与T1y，可求得滑动合力T：

合力T的矢向θ为：

式中θ为合力矢量T与Y轴夹角，即最小抵抗线的方向。

3.2.2 总抗滑力S的计算

对各单元的抗滑力大小Si＝Ai（σifi＋Ci），它的方向与滑动力相反，同理可求得Si的矢量之和，得到总抗滑力S。求得总抗滑力S与总滑动力T后，用即可求得整体稳定安全系数K。

3.3 有限元计算成果评价

不同工况计算出安全系数，计算中工况分为：初始状态；开挖1；锚固1；开挖2；锚固2；水库蓄水。根据不同工况计算与经验给出参数，共分1759个单元。其计算参数见表1。

表1 桃林口右坝肩岩体计算参数材料

计算时考虑如下几点：

水位以下取饱和状态物理力学参数，水位以上取干燥状态的物理力学参数。Kc与Kf计算，考虑摩擦系数与凝聚力C的Kc计算，只考虑摩擦系数Kf的计算。

fmax位置变化的计算：因为fmax结构面在边坡稳定分析中起控制性作用，一旦fmax结构面在坡面出露，边坡失稳。为此，在分析中对fmax的位置向岸边移动10m和15m作了Kc与Kf的分析，计算结果见表2。

3.4 边坡的稳定性评价

从表2计算结果可看出：

（1）坝址区边坡走向约NW320°～325°，边坡应力分析的最小抵抗线方向多为NE69°，接近垂直边坡走向，在第1次开挖、锚喷与水库蓄水后，最小抵抗线方向偏转为NE55°～60°，这与开挖荷载和渗流力接面力施加于fmax结构面有关。

表2 不同工况边坡安全系数

（2）安全系数Kc：随着fmax结构面位置的外移Kc值下降。就fmax设定的位置分析，在任何工况下，边坡的稳定性是可以保证的，因Kc的最小值为1.36。

由于fmax结构面的位置不同，初始状态的Kc值由1.79降至1.52与1.36，fmax向外移10m，Kc值下降约15%。

第1次开挖至146.5m高程后，Kc值从1.79，1.52，1.36提高到2.84，2.41，2.13，提高了约37%，由于对边坡稳定起控制作用的fmax结构面倾角70°，坡顶卸载以后fmax面的滑动力下降值比抗滑力下降值大的多，故坡顶减载可以提高边坡的稳定性。

第1次喷锚后，对边坡表层的岩体刚度有所提高，应力分布有所调整，由于喷锚只加固了岩体表层，对边坡的整体稳定性影响不大，Kc值提高0.01～0.02，喷锚对边坡表层的局部失稳和防止岩体风化有重要意义。

第2次开挖从146.5m挖至大坝建基面74.0m高程，这次开挖卸载是在边坡的中部至坡脚，因此，安全系数Kc下降为2.37，1.97和1.71，与第1次开挖后比较，Kc值下降17%～20%，但与初始状态Kc值相比，第2次开挖后的Kc值仍提高20%。说明按设计施工，边坡开挖终结时，边坡的整体稳定性不仅没有下降，反而有所改善。

第2次锚固后，Kc值也略有所提高，其值为0.01～0.02。

水库蓄水后，在库水位146.3m时，右坝肩地下水位与初始水位比较，平均水位提高20m，再附加渗流力作用下，Kc值下降为2.00，1.63和1.39，与第2次锚固后比较，Kc值下降17%～19%。与初始状态比较，Kc还有所提高，提高幅度在10%以内。

（3）安全系数Kf：在岩体力学参数中，摩擦系数f值比较稳定，可信度高，凝聚力C值变化较大，一旦有裂隙存在，C值就大幅度下降，即保证率低，为此，作了纯摩擦的安全系数分析。

随着工况的变化与fmax位置的变化，Kf值的提高与下降的规律性与Kc相似，不再重复。

当fmax位置外移15m时，初始状态Kf＝1.01，边坡的整体稳定性处于极限状态。

当fmax位置外移15m时，水库蓄水后，Kf＝0.85，不能满足边坡稳定性的要求。做防渗帷幕后，帷幕下游水头损失按70%考虑，地下水位比初始状态水位还低，这时，对稳定起控制作用的是初始地下水位，对应第2次锚固后的工况Kf＝1.09，可满足边坡稳定要求。

4 结语

（1）利用赤平投影分析，选择不利的剖面进行稳定计算分析，对F103、F151断层泥是否在高水头作用下泥化产生管涌，破坏岩体的稳定分析，结果表明综合评价右岸高边坡岩体是稳定的。

（2）利用三维弹塑性有限元稳定分析右岸高边坡岩体在各种工况下是稳定的。

（3）对右岸高边坡岩体稳定性进行定性定量分析，为今后类似工程地质条件建设场地提供借鉴意义。

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