杨房沟水电站左岸坝肩高陡边坡开挖变形特征及稳定性分析

孟 顺，潘 飞

（1.雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都，610000；2.湖北省核工业地质局，湖北孝感，432000）

0 前言

边坡稳定性问题一直是公路、铁路、水利水电工程建设中一个重要的工程地质问题，由于岩质边坡失稳常会造成较大的灾害和损失，故岩质边坡的稳定研究受到越来越多的重视[1]。高陡边坡开挖工程不断出现，其安全问题日益突出[2]。

国内外边坡开挖施工技术研究已日趋成熟，但对于高陡坡的研究相对较少，因此，有必要对高陡坡的开挖过程进行系统性的分析研究[3]。对于岩质高边坡的工程病害，人们关注的核心问题是开挖后坡体的整体稳定性以及根据坡体稳定状况采用的加固措施[4-5]。目前，岩质边坡的稳定性分析主要采用整体强度折减法，通过不断降低边坡岩体抗剪强度参数，将岩土体的真实抗剪强度（黏聚力和内摩擦角）除以一个折减系数F，直到有限元计算不收敛为止，根据有限元计算结果可得到边坡危险滑动面，此时的折减系数为边坡的安全系数[6-7]。

1 工程概况

杨房沟水电站拱坝坝址两岸主要为陡坡地形，左岸高程2 110 m以下坡度总体约45°～60°，高程2 110～2 300 m局部为悬崖，右岸坡度50°～70°。坝址河谷狭窄，为较对称的“V”型深切河谷，坝址左右岸均为燕山期花岗闪长岩，岩体坚硬完整、风化卸荷较弱。两岸坝肩岩体无较大规模的结构面发育，仅发育以Ⅲ、Ⅳ级结构面为主的小规模断层及节理，除F2断层外延伸均不长，两岸平洞深部也未揭露到深大张裂缝。

目前左岸缆机平台边坡已开挖至2 220 m，右岸缆机平台边坡已开挖至2 215 m，根据现场边坡开挖揭露的地质情况，岩体完整性相对较好，以块状或次块状为主，岩性为花岗闪长岩，呈弱风化状，岩体质量类别为III类，现阶段边坡开挖整体成型相对较好。

考虑到左右岸坝肩边坡开挖的安全性及稳定性十分关键，非常有必要针对上述具体工程问题展开专门性分析评价工作。下面将采用三维数值分析方法，深入开展施工期边坡开挖变形响应特征及稳定性分析评价工作，为该边坡现阶段的支护加固方案提供参考依据，同时希望对以后的工程有一定借鉴作用。

2 三维数值模型建立

2.1 计算方案及力学参数取值

考虑到左岸边坡总体开挖高度接近400 m，不同高程开挖部位的开挖深度、具体工程条件及面临的工程问题等均存在一定的差异，可将整个开挖过程分为四个区段分别进行研究，四个典型高程区段为：

（1）边坡上部区域2 190 m高程以上的开挖，开挖至缆机平台；

（2）边坡中上部区域2 190～2 102 m高程梯段的开挖，开挖至坝顶平台；

（3）边坡中下部区域2 102～2 000 m高程梯段的开挖，拱肩槽开挖；

（4）边坡下部区域2 000～1 947 m高程梯段的开挖，坡脚及河床坝段开挖。

此次研究主要对（1）和（2）两个典型高程区段进行针对性研究。

根据现场边坡开挖揭露的地质情况，研究区岩体主要为花岗闪长岩，岩体分类主要参考可研阶段相关地勘成果，并根据现阶段开挖揭露情况同步更新，具体取值如表1所示。岩体本构模型采用摩尔库伦弹塑性本构模型，该准则是传统Mohr-Coulomb剪切屈服准则与拉伸屈服准则相结合的复合屈服准则。

图1 边坡地质图Fig.1 Geological map of slope

表1 岩体物理力学参数取值表Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

岩土工程数值分析中，对不连续结构面的模拟基本上主要采用软弱夹层（实体单元）和接触分析（无厚度单元）两种分析方法。两种方法各有优缺点，且存在“变形等效”的基础，因此对变形计算结果的影响不大。其中考虑到无厚度节理单元方法反映的变形特征和破坏形态更为直观，能够较好地描述结构面的张开、压缩、剪切滑移等基本现象，在本次研究中，针对结构面的模拟将选用接触面模型，接触面的破坏准则基于库伦剪切强度准则。

基于可研阶段地质专业提供的岩体力学参数取值范围，结合目前现场开挖揭露的实际地质情况、同类工程经验，表2中为综合拟定的结构面力学参数建议值，并作为接下来数值模拟中采用的主要初始参数。随着边坡进一步开挖，可根据现场实际开挖揭露地质情况、检测数据等进一步调整相关参数指标和结构面的分布或影响范围。

表2 结构面物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of interface

2.2 初始地应力场

岩体地应力场是地下工程最为重要的荷载之一，数值计算最基本的基础是荷载-位移或应力-应变关系，因此地应力场的准确性直接影响到了计算成果的可靠性。研究区左右岸边坡虽位处山体高位浅层区域，但坡体总的强卸荷松弛深度一般较浅，其水平开挖深度一般在10～40 m，开挖面岩体基本为弱风化、弱卸荷状，岩体质量相对较好。就该边坡初始应力分布而言，仅考虑自重应力场作用并不合适，分析时应考虑河谷演化导致的深切河谷岸坡应力分布特征。

2.3 数值模型

图2为左岸坝肩边坡开挖数值计算模拟的三维模型，该计算模型中包含了缆机平台以上和坝顶平台以上等主要部位的开挖体及其影响区，主要研究区对应的高程约2 102～2 350 m。根据设计院提供的由上至下分期开挖方案，确定了图中所示的分序开挖计算方案，对应于数值模拟开挖分析中的各典型开挖步。岩体结构对岩质边坡的变形机理和稳定性一般起到控制作用，图2中给出了左岸坝肩边坡三维模型中模拟的主要结构面空间展布情况，3DEC可直接对这些结构面进行模拟计算。

图2 左岸坝肩边坡开挖数值计算三维模型Fig.2 3D model of numerical calculation of slope excavation of left bank abutment

3 边坡开挖至2 190 m高程阶段（缆机平台以上）数值分析

3.1 边坡开挖变形特征

图3给出了左岸坝肩边坡开挖至2 250 m高程的累计变形分布情况，图4给出了开挖到2 250 m高程时变形分量（顺河水平向、横河水平向和垂向变形）分布，三个分量分别以顺河向、水平向坡外、垂直向下为负。在此开挖阶段中，边坡以典型的铅直向卸荷回弹变形为主，这与该位置坡体强卸荷深度较浅、未见十分不利的软弱岩体结构发育、岩体质量整体较好等工程条件密切相关。其中开挖坡面的累计变形量值约为2～5 mm，以铅直方向的变形为主。开挖平台2 250 m高程的变形表现为向上的垂向变形较大、向坡外的水平分量相对较小的特点，总的累计变形在4～8 mm的水平。开挖过程中，在开挖面揭露多组断层，但并未表现出岩体结构面控制的明显非连续变形特征或块体失稳问题。

从上述计算结果看，左岸坝肩边坡高高程（2 250 m高程以上）开挖过程中，该部位坡体具有较好的整体稳定特征，卸荷回弹变形是该边坡此开挖期间最主要的响应方式。

图5和图6分别给出了边坡开挖至2 190 m高程开挖阶段的累计变形及变形分量的分布情况，此阶段边坡仍以铅直向卸荷回弹变形为主，整个开挖过程中坡体未表现出明显非连续变形特征。其中新开挖面的累计变形在一般3～10 mm左右，在开口线附近的卸荷变形特征相对要明显一些。缆机平台上的变形累计可达到7～13 mm左右，以向上的卸荷回弹变形为主。在缆机平台边坡2 280～2 190 m开挖梯段，高程2 250 m以上坡体受下部开挖卸荷扰动影响很小，变形增长幅度基本在1 mm以内，其中下游侧开口线附近岩体受下部开挖存在一定变形增长，增长幅度在1～3 mm。总体上，此开挖阶段表现出了较高的整体稳定特征。

图4 左岸坝肩边坡开挖至2 250 m高程时不同方向的变形分布Fig.4 Deformation distribution in different directions during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 250 m

图5 左岸坝肩边坡开挖至2 190 m高程的累计变形分布Fig.5 Cumulative deformation distribution during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 190 m

图6 左岸坝肩边坡开挖至2 190 m高程时不同方向的变形分布Fig.6 Deformation distribution in different directions during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 190 m

3.2 边坡稳定性分析

左岸坝肩缆机平台以上边坡（高程2 332～2 190 m）岩体整体完整性相对较好，强风化、强卸荷岩体发育深度较浅，开挖后边坡岩体质量高于自然坡体，开挖面岩体总体呈弱风化、弱卸荷状，揭露主要断层均充填岩块岩屑，未见明显不利结构面组合导致的深层块体变形及稳定问题。从工程地质角度进行宏观分析，预计该边坡开挖后的整体稳定性较好。

结合数值计算方法对该边坡稳定性展开进一步分析，主要基于强度折减法分析边坡的变形特征及稳定性。通常，当岩体和结构面参数折减到一定时候，此时不稳定区域的变形将趋于不收敛，通过变形场分布或变形速率分布情况可以判断出边坡潜在失稳区域的范围。计算中通过对岩体和结构面强度参数进行折减（即人为恶化边坡条件）的方式导致边坡变形、乃至出现失稳征兆，以达到认识和评价边坡稳定特征的目的。

图7和图8是左岸坝肩边坡在不同强度折减系数下的位移云图（强度折减系数范围为1.0～2.0），其中显示了该边坡不同折减系数下的变形发展过程，其绝对值大小不能直接反映边坡的稳定性，但相对值可较明确指示边坡不同部位稳定性差异。其中在强度折减系数为2.0的情况下，计算结果没有显示出任何潜在滑动破坏的位移场特征，该边坡仍处于整体稳定状态。

对左岸坝肩缆机平台以上边坡（高程2 332～2 190 m）的稳定特征可以总结如下：

（1）左岸坝肩缆机平台以上边坡开挖后，整体安全性较高（Fos＞2.0）。边坡潜在变形或失稳区域主要分布于开口线邻近部位，与开挖揭露的断层组合后存在一定的局部失稳风险。

（2）开挖主要改变开挖范围及其附近边坡岩体的稳定性，基本不对开挖影响区以外岩体的稳定性造成明显影响。该边坡开挖影响范围相对有限，约在开口线外10～20 m范围内。

图7 左岸坝肩边坡开挖至2 190 m高程不同强度折减系数下位移分布情况Fig.7 Displacement distribution with different strength reduction factors during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 190 m

图8 左岸坝肩边坡开挖至2 190 m高程不同强度折减系数下位移分布情况（典型剖面）Fig.8 Displacement distribution on typical profile with different strength reduction factors during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 190 m

（3）开挖改变了边坡岩体的临空条件，在开挖爆破扰动损伤影响下，次级结构面（如优势节理裂隙）组合后，会造成浅层岩体松弛或局部小规模块体的变形和破坏问题。实际开挖过程中需对此类工程问题有针对性地加强支护、及时支护。

4 边坡2 190～2 102 m高程开挖阶段（坝顶平台以上）数值分析

4.1 边坡开挖变形特征

图9和图10分别给出了左岸坝肩边坡开挖至2 102 m高程的累计变形及变形分量的分布情况，此阶段边坡开挖仍以铅直向卸荷回弹变形为主，其中新开挖面的累计变形一般在6～12 mm左右，在开口线附近的卸荷变形特征相对要明显一些。坝顶平台上的变形累计可达到8～16 mm左右，以向上的卸荷回弹变形为主。此阶段边坡开挖，边坡中上部（2 190 m高程以上）岩体受影响很小，变形未见明显增长。边坡变形增长主要发生在中下部的开挖部位（2 190～2 102 m高程），此阶段坡体整体侧向开挖卸荷作用相对前一阶段强烈一些。总体上，此开挖阶段的开挖卸荷变形量值仍相对较小，岩体变形仍以回弹为主，显示了边坡具备较好的稳定状态。

4.2 边坡稳定性分析

图11和图12是左岸坝肩边坡在不同强度折减系数下的位移云图（强度折减系数范围为1.0～2.0），显示了该边坡在岩体条件不断恶化时的变形发展过程。在强度折减系数为2.0的情况下，计算结果没有显示出任何潜在滑动破坏的位移场特征，整体变形仍趋于收敛，且变形量值偏低，可以认为该边坡仍处于稳定状态。综上所述，左岸坝肩缆机平台以上边坡（2 190～2 102 m高程）开挖后，边坡整体安全性仍相对较高（Fos＞2.0）。

5 左岸开挖变形响应规律

为进一步分析上述开挖过程中，左岸坝肩边坡变形响应规律及具体的变形量值，在坡面典型高程布置了多个监测点，见图13所示。图13中显示了左岸坝肩边坡开挖完成后，坝基边坡典型高程部位的累计变形情况，显然边坡开挖过程中均以垂直向上的卸荷回弹变形为主，这种变形状态同时也表征了左岸坝肩边坡在开挖过程中良好的整体稳定状态。边坡缆机平台以上（2 190 m高程以上）的开挖相比坝顶平台以上（2 190～2 102 m高程梯段）的开挖，因开挖部位的开挖深度、具体工程条件等的差异，其整体变形量值偏小，两个区段的变形特征表现出了较明显的差异。

图9 左岸坝肩边坡开挖至2 102 m高程的累计变形分布Fig.9 Cumulative deformation distribution during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 102 m

图10 左岸坝肩边坡开挖至2 102 m高程的不同方向的变形分布Fig.10 Deformation distribution in different directions during slope excavation of left bank abutment to elevation 2102 m

图11 左岸坝肩边坡开挖至2 102 m高程不同强度折减系数下位移分布情况Fig.11 Displacement distribution with different strength reduction factors during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 102 m

图12 左岸坝肩边坡开挖至2 102 m高程不同强度折减系数下位移分布情况（典型剖面）Fig.12 Displacement distribution on typical profile with different strength reduction factors during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 102 m

另外，图14显示了左岸坝肩边坡2 190～2 102 m高程开挖梯段的变形增量分布情况。图中显示左岸坝肩边坡2 190 m高程以上的变形增量几乎为零，可见，后续开挖卸荷扰动对上部边坡的影响较小。

图13 左岸坝肩边坡开挖至2 102 m高程坡表典型监测布置及监测点累计变形情况Fig.13 Typical monitoring layout on slope surface and cumulative deformation of monitoring points when during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 102 m

图14 左岸坝肩边坡2 190～2 102 m高程开挖梯段的变形增量分布情况Fig.14 Incremental deformation distribution of excavation ladder on the left bank abutment slope(elevation 2 190～2 102 m)

上述分析表明，左岸坝肩边坡开挖中上部坡体的稳定性具有如下特点：（1）边坡开挖以垂直向的卸荷回弹变形为主，边坡开挖整体变形量值处于相对较低的水平（普遍小于10 mm）；（2）整体安全系数较高（Fos＞2.0）；（3）后续边坡下挖对该部位影响较小。

6 结论与展望

文章采用三维数值分析方法，针对左岸坝肩边坡，深入开展施工期边坡开挖变形响应特征及稳定性分析评价工作，现总结如下：

（1）杨房沟水电站左岸坝肩缆机平台以上边坡开挖后，整体安全性较高（Fos＞2.0）。边坡潜在变形或失稳区域主要分布于开口线邻近部位，与开挖揭露的断层组合后存在一定的局部失稳风险。

（2）杨房沟水电站左岸坝肩缆机平台以上边坡开挖主要改变开挖范围及其附近边坡岩体的稳定性，基本不对开挖影响区以外岩体的稳定性造成明显影响。该边坡开挖影响范围相对有限，约在开口线外10～20 m范围内。

（3）杨房沟水电站拱坝左岸边坡2 190～2 102 m高程开挖梯段以垂直向的卸荷回弹变形为主，边坡开挖整体变形量值处于相对较低的水平（普遍小于10 mm）。工程目前正在施工阶段，结合现场检测数据，边坡开挖能够稳定顺利推进。

根据左岸坝肩边坡开挖过程中整体稳定性较好这一特点，后续将进一步从工程经验和数值分析角度对该部位的系统支护方案展开分析评价工作，为该边坡现阶段的支护加固方案提供参考依据。

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