西部地区深卸荷边坡稳定性分析与评价

吕城腾 王 蓓 纪 南

(河海大学 地球科学与工程学院， 南京 210098)

西部地区深卸荷边坡稳定性分析与评价

吕城腾 王 蓓 纪 南

(河海大学 地球科学与工程学院， 南京 210098)

为研究西部地区岩质边坡的稳定性，以青海浪加水库库区的一个库岸为例，运用二维刚体极限平衡分析方法对库岸边坡进行稳定性分析，并分析水位平均变化速率对岸坡稳定的响应,以及进行平面滑动岩坡稳定性分析，评价结果较为客观地反映了工程实际情况，对该类地区岩质边坡稳定性进行分析预测具有一定的指导意义和参考实用价值．

西部地区； 深卸荷； 极限平衡； 水位变化速率； 平面滑动

边坡稳定性分析是岩土工程的一个重要的应用性研究课题，近年来已经取得重大发展，并形成了多种分析方法，可以概括为地质分析法、工程类比法、力学计算法以及不确定分析法等．其中极限平衡理论的主要思想是将滑动岩土体进行条分，根据极限状态下土条受力和力矩的平衡来分析边坡的稳定性．而本文的研究区域，西部地区边坡[1]的主要特点是边坡稳定性受岩体节理发育、土壤覆盖层较薄、土质松散且遇水极易崩塌、边坡所处的气候环境多变且复杂等因素的影响很大．本文的重点研究在于，左岸自然边坡较陡，属于高边坡、陡坡，由于岩体卸荷裂隙密集发育，且多为张开的大型裂隙，受岩体卸荷与裂隙影响，边坡极有可能发生平移滑动，且自然边坡局部发生变形破坏，山体底部分布有大量滑塌体．故左岸山体受岩体卸荷作用，对边坡稳定性有很大的影响．利用本文结果评价边坡稳定性状况，最终提出深卸荷条件[2]下斜坡支护对策建议．

1 库岸边坡的工程地质特征

拟建的浪加水库位于同仁县双朋西乡境内的浪加河中游段．

本次计算以2号边坡为例，位置如图1所示．边坡区基岩岩性主要为白垩系河口组(K1hk)紫红色、暗紫红色厚层砾岩．

图1 边坡位置图

根据坝址区3#坝线左坝肩钻孔钻进发现，钻孔18.2～19.6 m位置及40.0～44.5 m位置发现岩体卸荷裂缝，其中18.2～19.6 m段该卸荷裂隙发育宽度较大，延伸较长，该两段卸荷裂隙中经现场钻孔孔内大量注水发现，其渗漏量较大[3]，裂隙贯通性强，钻孔无法注满，且在坡底也无水流迹象，当靠近孔口时明显感觉到有风向上吹的感觉．

此外，在坝址左岸山体中发现一强卸荷缝，该裂隙最大宽约1.5 m，张开30～40 cm，延伸度大于10 m，卸荷深度达几十米深，呈陡倾角状发育，该裂隙上游左坝肩山体处可明显看出山体由于受岩体卸荷作用而发生滑动，并在滑动面形成小沟壑，宽度达5 m．左岸自然边坡较陡，上部近直立，底部坡度约40～50°，属于高边坡、陡坡．

2 库岸边坡稳定性计算

本次计算主要使用毕肖普法和摩根斯顿-普莱斯法．由于边坡表面风化层与底部基岩性质差别较大，滑动破坏形式以风化层或者沿基岩面滑动为主，允许其出现平面滑动．在暴雨工况下，降雨强度为50 mm/d，通过渗流有限元计算，对边坡稳定时的暴雨历程及其瞬态孔隙水压力进行分析．

2.1 岩土体的透水性

2.1.1 覆盖层的透水性

坝基砂砾石钻孔揭露最大厚度7.5 m，根据对谷

底全新统冲洪积砂砾石层表层的12组双环注水试验，计算得知，渗透系数为1.02×10-2～6.3×10-2cm/s，平均值为2.5×10-2cm/s，属强透水层．

2.1.2 岩体透水性

坝基岩性为白垩系砾岩，属软质岩，岩体透水性主要受节理裂隙发育程度的影响．根据坝线9个钻孔，共56段压水试验，其岩体透水率与钻孔揭露岩体风化程度基本一致．河谷左岸根据3个钻孔的压水试验，11.2～19.5 m为中等透水层，19.5～52.3 m为弱透水层，52.3 m以下为微透水层；现代河床谷底中7.5～16.7 m为中等透水层，16.7～37.3 m为弱透水层；河床右岸台地中11.5～29.9 m为中等透水层，29.9～45.2 m为弱透水层；古河床部位基岩段透水性较差，均为弱透水-微透水层；右坝肩10.4～16 m段位中等透水层，16.0～36.6 m为弱透水层．根据坝基岩体的透水性分析，其左岸岩体受周围裂隙影响完整性稍差，故其透水性稍大，右岸岩体完整性较好，透水性较差．

2.2 左岸2号边坡二维刚体极限平衡分析

2.2.1 计算剖面选定

对2号边坡的两个剖面，2-2，3-3，分别在5种工况下，使用毕肖普法和摩根斯坦-普莱斯法，由于边坡前后缘高程已知，通过设置边坡剪出口范围搜索最可能的滑动面，计算其整体稳定系数．

图2 左岸2号边坡计算剖面位置图

2.2.2 不同工况下的稳定性计算结果

1)2号边坡2-2剖面

剖面2-2在不同工况下，最小稳定系数滑动面位置如图3所示．

图3 剖面2-2稳定性分析结果图

针对浪加水库坝址区地层分布及边坡工程地质特征，青海省院通过大量勘探与试验，提出了岩土物理力学指标的建议值．工作区地形起伏较大，海拔高度大，气候带也不同．该区多年平均降水量在400 mm左右．本次计算采用的降雨强度为50 mm/d作为暴雨状况的计算依据．根据《中国地震动参数区划图》[GB18306-2015]，工程区地震动峰值加速度为0.15g，

地震烈度为7度区．地震动参数计算标准选取对应的基岩峰值加速度0.15g，并按拟静力法进行计算．在左岸边坡稳定分析中，考虑不同速率下库水位骤降对边坡稳定性的影响，相应确定水库最大骤降速率．

依据土工试验，原位测试及野外鉴定综合确定的边坡岩体物理力学指标见表1．

表1 边坡岩体物理力学指标

剖面2-2稳定性计算结果见表2．天然工况下边坡整体稳定系数为1.27，暴雨工况下边坡的整体稳定系数为1.24；2 644 m蓄水位状态下边坡整体稳定系数为1.23，2 644 m蓄水位下暴雨工况下边坡整体稳定系数为1.13，2 644 m蓄水位下地震工况下边坡整体稳定系数为0.96．计算表明，仅蓄水后地震工况边坡不满足《水利水电工程边坡设计规范》(SL 386-2007)的要求．

表2 剖面稳定系数计算结果表

2)2号边坡剖面3-3

剖面3-3稳定系数计算结果见表3．在不同工况下，剖面3-3的最小稳定系数滑动面所处位置如图4所示．

表3 剖面稳定系数计算结果表

图4 剖面3-3稳定性分析结果图

剖面3-3天然工况下边坡整体稳定系数为1.25，暴雨工况下边坡的整体稳定系数为1.23；2 644 m蓄水位状态下边坡整体稳定系数为1.20，2 644 m蓄水位下暴雨工况下边坡整体稳定系数为1.11，2 644 m蓄水位下地震工况下边坡整体稳定系数为0.93．计算结果表明，蓄水后地震工况边坡不满足《水利水电工程边坡设计规范》(SL 386-2007)的要求．

2.3 水位平均变化速率对岸坡稳定的响应

水库蓄水后水对岸坡的作用主要指水对岸坡岩土的软化与泥化作用、孔隙压力与水的冲刷作用、波浪作用以及浮力减重作用等．由于水位升降的速率不同，在岸坡岩土体内形成的孔隙压力不同、水对岸坡岩土体的软化作用强度不同，因此，需要开展不同蓄水阶段岸坡水动力条件的变化、岸坡岩土体强度变化、岸坡应力应变演化趋势等内容的研究．

随着水库水位的骤升或骤降，形成一个较大的水头差，水在土体中的渗流出现不稳定性，引起渗透破坏，库岸边坡容易失稳．所以，研究和分析由库水位骤变时的渗流变化情况以及稳定性的变化是必要的．

库水位的骤降是发生岸坡失稳的重要方面，其机理可归纳为以下两方面：1)浮托力效应[4-5]．2)孔隙压力效应．按照《水利水电工程边坡设计规范》(SL386-2007)，作为临水边坡要考虑水位骤降工况下边坡稳定性分析．针对2号边坡，选取其稳定系数最小的两个剖面，分析不同水位骤降速率对其稳定性的影响．

1)2号边坡2-2剖面

根据二维极限平衡方法分析，水库蓄水位骤降速率对岸坡稳定性有较大影响，通过对不同水位骤降速率情况下的边坡稳定性的计算分析，可以得到剖面2-2不同水位骤降速率与稳定系数的关系见表4．

表4 不同水位骤降速率剖面2-2稳定系数表

根据计算得到剖面2-2在不同水位骤降速率条件下的稳定系数，毕肖普法的稳定系数和摩根斯顿-普赖斯法的稳定系数与水位骤降速率的关系曲线(如图5所示)．

2)2号边坡3-3剖面

同理可以得到剖面3-3不同水位骤降速率与稳定系数的关系(见表5)．根据计算得到剖面3-3在不同水位骤降速率条件下的稳定系数，毕肖普法的稳定系数和摩根斯顿-普赖斯法的稳定系数与水位骤降速率的关系曲线(如图6所示)．

图5 剖面2-2稳定系数-水位骤降速率曲线

计算方法速率/(m·d-1)0．51．01．52．02．53．03．5毕肖普1．211．211．191．181．171．161．15摩根斯顿⁃普赖斯法1．201．201．181．171．161．151．14

图6 剖面3-3稳定系数-水位骤降速率曲线

2.4 平面滑动岩坡稳定性分析

对左岸边坡中考虑含有卸荷裂隙的剖面进行平面滑动稳定性分析．

1)2号边坡剖面3-3

剖面3-3在不同工况下，最小稳定系数滑动面位置如图7所示．剖面3-3在不同工况下，使用摩根斯坦-普赖斯法计算得到的最小稳定系数结果见表6．

图7 剖面3-3坡稳定性分析结果图

边坡名称计算工况最小稳定系数毕肖普法 摩根斯坦⁃普赖斯法剖面3⁃3天然状态1．721．71暴雨工况1．681．672644m蓄水位状态1．661．652644m蓄水位下暴雨工况1．601．592644m蓄水位下地震工况1．171．16

剖面3-3天然工况下边坡整体稳定系数为1.71，暴雨工况下边坡的整体稳定系数为1.67；2 644 m蓄水位状态下边坡整体稳定系数为1.65，2 644 m蓄水位下暴雨工况下边坡整体稳定系数为1.59，2 644 m蓄水位下地震工况下边坡整体稳定系数为1.16，计算结果表明，边坡满足《水利水电工程边坡设计规范》(SL386-2007)要求．

2.5 讨论分析

1)2号边坡计算表明：蓄水前天然工况下的稳定系数为1.26，暴雨工况下的稳定系数为1.24；2 644 m蓄水位状态下的稳定系数为1.22，2 644 m蓄水位下暴雨工况为1.13，2 644 m蓄水位下地震工况的稳定系数为0.97．蓄水后除地震工况不满足规范要求外，其余工况均满足《水利水电工程边坡设计规范》(SL 386-2007)的要求．

2)对2号边坡，选取了其稳定系数最小的两个剖面，按0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0及3.5 m/d等7个骤降速率分析了不同水位骤降速率对其稳定性的影响．由计算分析可知，2号边坡水位骤降速率为1 m/d时，边坡稳定系数突降，当骤降速率超过3 m/d时，边坡有可能失稳．

3 结论与建议

3.1 基本结论

浪加水库左岸分布有卸荷拉张裂隙，其发育程度对岸坡稳定性有极其重要的影响，尤其在水库蓄水后，岩体强度的弱化、卸荷裂隙充水等不利因素对边坡稳定造成不利．通过采用极限平衡法对浪加水库坝前边坡稳定性分析，可以得出以下基本结论．

1)根据《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T5353-2006)，由于本次研究的边坡紧邻大坝，将该类坝前边坡归属于水电水利工程边坡中的A类枢纽工程区边坡，为了保证该边坡的稳定性，提高该边坡的安全等级，根据《水利水电工程边坡设计规范》(SL 386-2007)确定边坡等级为2级．

2)运用二维极限平衡法分别对左岸2号边坡进行了二维极限平衡稳定性下限解法稳定分析，分析结果表明:2号边坡蓄水前天然工况、暴雨工况下的稳定系数均大于1.20，2 644 m蓄水位下暴雨工况为1.13，2 644 m蓄水位下地震工况的稳定系数为0.97．表明水库蓄水后暴雨及地震工况边坡局部稳定性不满足《水利水电工程边坡设计规范》(SL 386-2007)对2级边坡的要求，建议采取必要的工程加固措施．

3.2 主要建议

1)为确保施工安全，并对施工期和运行期边坡变形情况及时掌握以便采取相应的加固措施，建议尽快开展变形监测．

2)对2号边坡处理后，应进行边坡稳定性复核．

3)在边坡治理后，应在边坡适当部位开展变形监测．

4)对坡顶卸荷张拉裂缝，应采用适当的工程措施予以充填，防治地表水入渗[6]，导致岩体强度参数的变化．

[1] 李建峰，万 臣，赵 勇．高寒高海拔地区岩质边坡稳定性评价研究[J]．重庆交通大学学报：自然科学版，2015，34(2)：45-48．

[2] 周小平，张永兴．卸荷岩体本构理论及其应用[D]．重庆：重庆大学，2007．

[3] 张文杰，陈云敏，凌道盛．库岸边坡渗流及稳定性分析[J]．水利学报，2005，36(12)：1510-1516．

[4] 杨 帆，张发明．考虑库水位变动影响的岸坡稳定性分析[J]．科学技术与工程，2013，13(5)：1383-1388．

[5] 时卫民，郑颖人．库水位下降情况下滑坡的稳定分析[J]．水利学报，2004(3)：76-81．

[6] 黄 涛，罗喜元．地表水入渗环境下边坡稳定性的模型试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2004，23(16)：2671-2672．

StabilityAnalysisandEvaluationofDeepUnloadingSlopesinWesternRegionofChina

Lv Chengteng Wang Bei Ji Nan

(College of Earth Sciences & Engineering， Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

In order to study the stability of rock slopes in the western region, this paper uses two-dimensional limit equilibrium method to analyze the stability of a bank slope in Qinghai Langjia reservoir area, as an example. What's more, the responses of the average rate of water-level changes to the bank stability are analyzed, as well as the stability of the plane sliding rock slopes. The analysis results reflect the engineering practice objectively. To analyze and predict the stability of rock slope in this region have certain guiding significance and reference practical value.

western region; deep unloading; limit equilibrium; water level change rate; plane sliding

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.05.011

2016-11-21

“十一五”国家科技支撑计划项目(2008BA29B03-2)；中国水利水电科学院开放基金项目(IWHRO2009011)

吕城腾(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为岩体结构与工程稳定．E-mail：1353778795@qq.com

TU43

A

1672-948X(2017)05-0053-06

[责任编辑王迎春]