驮英水库导流泄洪隧洞出口边坡三维极限平衡分析

张家旺，冯晓波，荣 冠，唐新宇，蒙世仟

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；2. 广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院，广西 南宁 530023)

水利水电工程导流泄洪隧洞边坡开挖不可避免地会对原有岩土结构形成扰动，易造成边坡失稳。本文以驮英水库导流泄洪隧洞出口边坡为研究对象。开挖完成后，该隧洞出口边坡坡高约26.3 m，为斜向坡，倾向坡外侧，稳定性较差。边坡上游侧部分存在软弱夹层，边坡下游侧部分岩层走向与边坡走向夹角小于30°，近顺向坡。软弱夹层以及该顺向坡的存在，严重影响该导流泄洪隧洞的安全运行，由此需要对该边坡进行稳定性评价。根据现场地质勘测资料，该边坡结构面主要以陡倾结构面产出，潜在滑动面主要集中在沿不同地层分界面、不同地层内夹层面及泥化夹层。对该边坡进行三维极限平衡分析，在稳定性评价基础上，提出相应支护加固方案，以保证边坡的稳定性。

1 工程概况

驮英水库位于广西宁明县那堪乡，是一座以灌溉、供水为主，兼顾发电等综合利用的大(2)型水库。水库正常蓄水位226.5 m，总库容2.28亿m3，电站装机20.6 MW，多年平均发电量5 229万kW·h，多年平均供水量17 320万m3。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)[1]及《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288-99)[2]相关规定，驮英水库为Ⅱ等大(2)型工程。

该工程导流泄洪洞出口边坡最大坡高约26.3 m，为斜向坡，倾向坡外侧，稳定性较差。边坡覆盖层为残坡积含碎石粘土，厚0～2.2 m，下伏岩体为J1b1-3、J1b1-2、J1b1-1粉砂质泥岩、砂岩、泥质粉砂岩，强风化下限埋深2.4～6.8 m，弱风化下限埋深4.0～11.8 m。岩体陡倾角节理裂隙发育，节理面平直光滑，微张，充填泥质。J1b1-3砂岩岩体胶结差，同时受风化和地下水的影响，局部较破碎，性状差。

2 出口边坡三维极限平衡分析

2.1 边坡岩体结构及滑动模式分析

在边坡自上游至下游方向布置6个地质点，分别为D401～D406，如图1所示。驮英水库导流泄洪隧洞出口边坡发育有向斜。如图2所示，隧洞出口上游岩层产状为N50°～55°E、SE∠10°～20°，岩层较缓；下游侧岩层产状为N60°～65°E、SE∠30°～61°。导流泄洪隧洞出口下游侧边坡开挖走向为东西向，岩层走向与边坡走向夹角为25°～30°，近顺向坡，如图3所示。

图1 地质点位置分布示意图图

图2 岩层产状及分区位置图

图3 顺向坡位置图

对于该隧洞出口边坡下游侧，层面的产状与边坡走向的夹角较小，小于30°，为层状同向结构，边坡稳定性受坡角与岩层倾角组合、岩层厚度、顺坡向节理面的发育程度及抗剪强度所控制。层面易产生滑动面，坡脚切断后易产生滑动。

本研究主要考虑边坡结构面组合形成的较大规模的潜在滑坡体的稳定性，潜在滑动面主要集中在不同地层分界面、不同地层内夹层面及泥化夹层。边坡结构面主要以陡倾结构面产出，结合现场地形及地质条件，统计导流洞出口边坡结构面特征。关键结构面产状及特征见表1，表中D表示地质点位置，J表示关键结构面。

表1 导流洞出口边坡关键结构面特征表

2.2 模型建立

基于数字高程模型(DEM)的方法建立该边坡三维模型[3-4]，采用该方法得到的结果显示导流隧洞出口边坡模型接近边坡真实形态可减少安全系数计算误差。建立模型的步骤如下：

1)采用三维模型右手坐标系，z轴竖直向上，y轴为正北方向，模型范围为x×y×z= 200 m×108 m×100 m，提取等高线上各坐标点，离散并网格化处理后即可在ANSYS中导入坐标点并建立三维坡面模型。

2)参照现场边坡开挖信息，对应相应高程、坡比资料，建立边坡三维模型。

3)根据现场地质勘测结构面的位置及产状信息，确定结构面在边坡内部的展布，以不同地层分界面、不同地层内夹层面及不同泥化夹层作为滑动面，在边坡模型中切割出三维潜在滑坡体[5-6]。作为示例，选取两个典型的潜在滑坡体1、2号的三维模型见图4。其中，1号潜在滑坡体受两组陡倾结构面D404J1与D402J3切割，以结构面构成侧滑面，J1b1-3、J1b1-4分界层面作为底滑面发生破坏。2号潜在滑坡体处于顺向坡位移，为层状同向结构，受两组陡倾结构面D406J2与D404J3切割，沿J1b1-3、J1b1-4分界层面发生滑动。

图4 1、2号潜在滑坡体模型图

2.3 边坡滑动模式及计算方法

考虑工程边坡控制性结构面及可能组合成的滑动模式，共切割出8块典型潜在滑坡体，如图5，图6所示。由于边坡结构面与滑动面组合存在多种形式，故所切割不同潜在滑坡体之间可能存在重叠部分。

图5 1、3、4、8号潜在滑坡体位置示意图

图6 2、5～7号潜在滑坡体位置示意图

其中，3、4号潜在滑坡体所处位置存在软弱夹层，受结构面D402J1拉裂作用，以泥化夹层为滑动面发生滑移。5号潜在滑坡体考虑消力池部位岩体的稳定性，受两组陡倾结构面D405J3与D402J2切割作用，以J1b1-2、J1b1-3分界面作为底滑面发生滑移。6、7、8号潜在滑坡体体积较大，考虑边坡大范围滑动情况。由于受边坡模型范围限制，故假设模型西侧及南侧边界分别为纵向剪断面及横向剪断面作为大体积潜在滑坡体6、7号的切割面。其中，6、7号滑坡体以J1b1-3岩层内夹层为滑动面发生滑动破坏。8号滑坡体以横向剪断面为拉裂面，受陡倾结构面D406J2和D402J3切割作用，以泥化夹层作为滑动面发生滑动破坏。

本文计算采用文献[3]给出的一种较为实用的三维条分算法。将潜在滑坡体的坡面、滑动面、结构面的关键信息导入计算程序中，分别对导入滑坡体进行计算。同时该程序支持锚杆、锚索及抗滑桩等支护信息的导入及计算。

2.4 计算工况及评价标准

计算工况考虑正常运用条件与暴雨条件。按照《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》(DL/T 5180-2003)[7]，隧洞出口边坡为Ⅱ级永久边坡。根据《水利水电工程边坡设计规范》(SL/386—2007)[8]和《水电水利工程边坡工程地质勘察技术规程》(DL/T 5337-2006)[9]的相关规定可得边坡在正常运用条件下的抗滑稳定安全系数不应小于1.20～1.25，在非常运用条件下的安全系数不应小于1.15。

3 计算结果及分析

3.1 边坡稳定性分析

通过三维极限平衡分别对边坡潜在滑坡体在正常运用、暴雨两种工况下进行稳定性计算。计算参数根据各结构面特征，依照广西省勘院提供的力学参数表选定。计算结果如表2所示。其中D表示地质点位置，J表示关键结构面。

表2 潜在滑坡体安全系数计算表

计算结果表明，安全系数在正常运用工况下为1.059～2.196，暴雨工况下为0.914～1.998，根据规范要求，在正常运用工况下工程边坡安全系数应高于1.20，在暴雨工况下安全系数应高于1.15，其中1、2、8号潜在滑坡体低于工程规范安全要求标准。3、4号潜在滑坡体虽然滑动面为泥化夹层，但体积较小，滑移力不足以造成滑坡。6、7号潜在滑坡体为大体积滑坡体，其结构面相对完整，力学性质较强，故较为稳定。8号潜在滑坡体体积大，滑动面为泥化夹层，力学性能弱，需要重点关注。考虑到边坡可能存在失稳状态，应对边坡考虑一定量的预应力锚索支护措施。

3.2 边坡支护方案

由工程地质条件及三维极限平衡分析结果可知，1、2、8号潜在滑坡体力学性能较弱，需重点关注。参考《水利水电工程边坡设计规范》(SL/386—2007)[8]以及工程经验，具体加固措施如下：

1)在二级、三级马道平面以上1 m处设置双排预应力锚索。锚索张拉力为1 500 kN，长度30 m，间距6 m×6 m。

2)对边坡整体采用坡表网喷混凝土，锚杆支护。锚杆长度为6 m，间距为1.5 m×1.5 m。

3)根据工程边坡条件，工程边坡外围布置截水沟，在截水沟以内的天然地表及开挖坡面可以采用喷射混凝土防护方法，在防护区域，每隔2～5 m设置一个排水孔。排水体系采用坡面排水。

3.3 加固后边坡稳定性分析

根据支护方案，通过三维极限平衡分别对支护后边坡潜在滑坡体在正常运用、暴雨2种工况下进行稳定性计算。支护方案下的边坡稳定性计算结果如表3所示。其中D表示地质点位置，J表示关键结构面。

表3 潜在滑坡体安全系数计算表

计算结果表明，在支护方案下，所有潜在滑坡体在正常运用的工况下，安全系数在1.222～2.986范围内，大于1.20；在暴雨工况下安全系数在1.151～2.287范围内，均大于1.15，满足工程规范要求，表明该处边坡在支护之后处于稳定状态。

4 结 语

本文通过对驮英水库导流泄洪隧洞出口边坡的稳定性评价，提出了岩质边坡三维极限平衡的一般分析过程及思路：首先基于现场地质条件及隧洞边坡地形图构建三维边坡模型。考虑工程边坡可能的控制性结构面及可能组合的滑动模式，切割出潜在滑坡体，并进行三维极限平衡分析。结果表明边坡开挖后未支护状态下部分潜在滑坡体低于工程规范要求。在此基础上，提出支护措施以保证边坡稳定性满足安全稳定要求。通过以上分析，得到主要结论如下：

1)该工程边坡变形破坏模式主要为：以岩层层面或层间软弱夹层为底滑面，关键结构面为两侧及后部切割面，形成不同形态及规模的潜在滑坡体。

2)边坡开挖后在未支护情况下，部分潜在滑坡体在正常运用及暴雨工况下处于不稳定状态。1、2号潜在滑坡体部位出现失稳，8#潜在滑坡体由于体积大，结构面破碎，力学性质较差，同样处于不稳定状态。对此，应着重关注以上几处部位，并对边坡进行一定量的预应力锚索支护措施。

3)结合工程地质条件，参考规范以及工程经验，确定相应支护加固措施。所有潜在滑坡体经过支护后，在正常运用状态下，安全系数均大于1.20，在暴雨工况下，安全系数均大于1.15，均满足工程规范稳定性要求，支护效果良好。