某水电站左岸缆机平台边坡三维刚体极限平衡法分析

张倚铭，左林勇

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司, 四川 成都 610072;2.四川省核工业地质调查院,四川 成都 610065)



某水电站左岸缆机平台边坡三维刚体极限平衡法分析

张倚铭1，左林勇2

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司, 四川 成都 610072;2.四川省核工业地质调查院,四川 成都 610065)

工程边坡的失事绝大多数呈三维状态，简单的二维计算已不能满足实际工程的要求。结合某水电站枢纽区边坡的地形、地质条件，运用笔者开发的“岩质边坡多结构面块体稳定性分析”软件，选择枢纽区典型部位的工程边坡建立三维块体模型，采用三维刚体极限平衡法对枢纽区左岸缆机平台边坡的局部稳定性进行计算分析。计算成果表明，左岸缆机平台边坡的局部稳定性满足要求，不存在局部失稳的可能性，施加支护措施后，边坡的局部安全系数得到明显提高，验证了支护措施的有效性。

工程边坡；边坡稳定分析；三维刚体极限平衡法；赤平投影；失稳模式；块体稳定分析

0 前 言

工程边坡的失事绝大多数呈三维状态，但在边坡稳定分析领域，二维刚体极限平衡法仍然是常用手段。随着近年来边坡工程的快速发展，简单的二维计算已不能满足实际工程的要求。一方面，由于二维分析一般假定开挖面是无限长的，这显然与工程实际情况出入较大；另一方面，对于岩质边坡而言，控制边坡稳定性的主要因素是边坡内岩体结构面的产状，而结构面的分布往往呈现明显的空间特点，采用二维分析难以真实反映边坡的实际情况。因此，越来越多的工程实际问题提出了三维边坡稳定性分析的要求。

本文结合某水电站枢纽区边坡的地形、地质条件，运用笔者开发的“岩质边坡多结构面块体稳定性分析”软件(限于篇幅，此处不详述)，选择枢纽区典型部位的工程边坡建立三维块体模型，在充分模拟边坡几何性状及结构面产状的基础上，对枢纽区工程边坡的局部块体稳定性进行研究。

1 工程概况

某水电站枢纽区工程边坡地形、地质条件复杂，岩体内断层、裂隙、岩脉等结构面发育，形成大量的块状、次块状结构、碎裂～块裂结构，岩体质量较差，边坡稳定主要受风化卸荷和结构面及其组合影响。其中左岸构成控制边坡变形和滑动破坏的岩脉主要有：β6、β78、β79、β166、β21等，岩体内发育三组节理裂隙：③N15°～30°E/NW∠60°～70°；④ EW /N(或S)∠70°～85°；⑥N60°～90°W/SW∠5°～18°、近SN/E∠17°～26°。各结构面及节理裂隙工程地质特性略。

2 边坡块体稳定性分析

2.1 可能块体组合及失稳模式判断

左岸缆机平台边坡岩体风化卸荷强烈，发育有走向与岸坡走向近于平行，水平埋深较浅的β79、β166和β6等辉绿岩脉，陡倾坡外，可能构成失稳块体的后缘拉裂面；第④组裂隙倾向南、第⑥～2组裂隙倾向东，可作为侧向切割面；上述结构面相互组合，可能形成不稳定块体。

正面开挖边坡赤平投影结果见图1，岩脉β166和裂隙③与裂隙⑥-2形成的楔体交棱线均倾向坡外，倾角较开挖边坡倾角缓，该部位可能发生局部块体滑动破坏。

上游面开挖边坡赤平投影结果见图2所示。由地质图可知，边坡开挖后，辉绿岩脉β79上部在1 300 m高程出露，可能构成块体滑动的侧滑面；由图2可知，辉绿岩脉β79与裂隙3形成的楔体交棱线倾向坡外，倾角较开挖边坡倾角缓，该部位可能发生局部块体滑动破坏。

注:1.开挖坡面;2.岩脉β166;3.裂隙⑥-2;4.裂隙③; 5.裂隙④;6.自然边坡。

图1 缆机平台正面开挖边坡赤平投影

注：1.开挖坡面;2;裂隙③;3.裂隙④;4.裂隙⑥-1;5.裂隙⑥-2;6.岩脉β6;7.岩脉β79。

图2 缆机平台上游面开挖边坡赤平投影

下游面开挖边坡赤平投影结果见图3所示。岩脉β79与裂隙⑥-2可形成楔体，裂隙⑥-1与裂隙⑥-2也可形成楔体，二者交棱线均倾向坡外，但倾角较小，存在沿交棱线滑动的可能性。

注：1.开挖坡面;2.裂隙③;3.裂隙④;4.裂隙⑥-1;5.裂隙⑥-2;6.岩脉β79。

图3 缆机平台下游面开挖边坡赤平投影

2.2 局部块体稳定分析

左岸缆机平台边坡三维计算模型见图4所示。根据边坡的可能失稳模式，分别拟定了如下三种计算工况：

(1)自重工况(不考虑降雨影响及地震条件);

(2)降雨条件(按结构面充满水考虑);

(2)地震工况(文中按8度地震计算，水平向加速度取为0.25 g)。

图4 缆机平台边坡三维计算模型

2.2.1 正面边坡块体稳定性分析

根据β166与裂隙⑥-2产状，建立半定位楔体，楔体位于缆机平台正面边坡，以β166与裂隙⑥-2作为侧滑面，交棱线在1 300 m高程出露，计算模型见图5。半定位块体的几何参数见表1，三维块体稳定性分析成果见表2。

图5 缆机平台正面边坡随机块体计算模型

表1 随机块体LZS1几何特征

表2 随机块体LZS1稳定性分析成果

计算成果表明：半定位块体的交棱线倾向与开挖边坡走向小角度相交，相交角度为17°，且交棱线倾角平缓，为3.8°，故下滑力较小。在不考虑锚索加固作用的情况下，楔体稳定安全系数在自重、暴雨及地震工况下均大于规范规定的安全系数标准，故该块体发生失稳的可能性较小。考虑锚索的加固作用，作用在楔体上的有效锚索的吨位为520 t，锚索倾向与开挖边坡倾向相反，倾角为10°，计算结果表明，考虑锚索的支护作用后，楔体的稳定安全系数得到了较大提高，表明了支护措施的有效性。

2.2.2 上游面边坡块体稳定性分析

根据β79、裂隙③、裂隙④产状，建立半定位块体LSB1，块体位于缆机平台上游面边坡，以β79、裂隙③为侧向滑动面，以裂隙④作为后缘拉裂面，交棱线在1 310 m高程出露，计算模型见图6。半定位块体的几何参数见表3，稳定性分析成果见表4。

图6 缆机平台上游面边坡半定位块体计算模型

表3 半定位块体LSB1几何特征

表4 半定位块体LSB1稳定性分析成果

计算成果表明，半定位块体的交棱线倾向与开挖边坡走向以较大角度相交，相交角度为83°，交棱线倾角为30.9°，但块体体积较小，下滑力也较小。在不考虑锚索加固作用的情况下，楔体稳定安全系数在自重、暴雨及地震工况下均大于规范规定的安全系数标准，故该块体发生失稳的可能性较小。考虑锚索的加固作用，作用在楔体上的有效锚索的吨位为450 t，锚索倾向与开挖边坡倾向相反，倾角为10°，计算结果表明，考虑锚索的支护作用后，楔体为超稳，不存在滑动的可能性。

2.2.3 下游面边坡块体稳定性分析

根据β79、裂隙⑥-2产状，建立半定位块体

LXB1，块体位于缆机平台下游面边坡，以β79、裂隙⑥-2为侧向滑动面，交棱线在1 285 m高程出露，计算模型见图7。半定位块体的几何参数见表5，稳定性分析成果见表6。

图7 缆机平台下游面边坡半定位块体计算模型

表5 半定位块体LXB1几何特征

表6 半定位块体LXB1稳定性分析成果

计算成果表明，半定位块体的交棱线倾向与开挖边坡走向以较小角度相交，相交角度为27.5°，交棱线倾角较缓，为7.7°，故下滑力较小。在不考虑锚索加固作用的情况下，楔体稳定安全系数在自重、暴雨及地震工况下均大于规范规定的安全系数标准，故该块体发生失稳的可能性较小。考虑锚索的加固作用，作用在楔体上的有效锚索的吨位为225 t，锚索倾向与开挖边坡倾向相反，倾角为10°。计算结果表明，考虑锚索的支护作用后，楔体为超稳，不存在滑动的可能性。

3 结 语

本文结合某水电站枢纽区边坡的地形地质条件，运用笔者开发的“岩质边坡多结构面块体稳定性分析”软件，选择枢纽区典型部位的工程边坡建立三维块体模型，采用三维刚体极限平衡法分析枢纽区工程边坡的局部稳定性，通过研究可以得出如下结论：

(1)综合分析了某水电站左岸缆机平台边坡的地形地质条件以及主要结构面的产状及物理力学参数，在此基础上，对主要结构面进行了赤平投影分析，探讨了左岸缆机平台边坡可能失稳的块体组合。

(2)在赤平投影分析的基础上，对缆机平台上游侧、正面、下游侧边坡的半定位块体及部分随机块体进行了稳定性分析，对比了无锚索支护和有锚索支护情况下块体的稳定性。计算成果表明，由于可能滑动块体均位于IV类围岩，且块体抗滑稳定安全系数均满足规范要求，从而左岸缆机平台边坡的局部稳定性满足要求，不存在局部失稳的可能性，施加支护措施后，边坡的局部安全系数得到明显提高，验证了支护措施的有效性。

(3)采用笔者开发的“岩质边坡多结构面块体稳定性分析程序”软件，可以对含多结构面的岩质边坡进行直观、简便的快速三维块体建模，实现对岩质边坡中复杂形状块体稳定性的现场快速评价。

2015-11-04

张倚铭(1982-)，男，重庆酉阳人，硕士研究生，工程师，从事水电工程设计工作。

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