涔天河水库扩建工程2#导流泄洪洞进口高边坡稳定性分析

王强翔

涔天河水库扩建工程是国务院确定的172项重大水利工程，位于湘江支流潇水上游峡谷出口处，距湖南省江华县城13 km，是一座具有灌溉、防洪、下游补水和发电，兼顾航运等综合利用效益的大（Ⅰ）型水利水电工程。水库正常蓄水位313 m，面板堆石坝最大坝高114 m，总库容15.1亿m³，灌溉面积7.43万hm2（111.46万亩），年均发电量4.556亿kW·h。大坝为混凝土面板堆石坝，泄洪建筑物为右岸2条泄洪洞，其中2#导流泄洪洞为本工程主要泄洪建筑物，施工期结合导流，其进口开挖边坡高约150 m，根据建筑物级别，施工期边坡级别为4级，永久边坡级别为1级。该边坡地质条件复杂，属顺层边坡，且层间夹多条软弱结构面，开挖切脚后，边坡稳定问题十分突出，研究开挖边坡稳定性具有很现实的意义。

1 边坡基本地质条件

2#导流泄洪洞进口位于水库右岸，距面板堆石坝轴线约400 m，地面高程220～520 m，边坡陡峻，坡度40°～60°，根据设计方案，导流洞进口开挖边坡开口线高程约390 m，底板高程238 m，开挖边坡总高度约150 m，分11级开挖，每级开挖高度10～15 m，开挖坡比1∶0.3～1∶0.5，马道宽度2～3 m。

边坡岩性主要由泥盆系下统（D11～D16）的紫、暗紫色中厚层-厚层状石英砂岩夹砂岩及粉砂岩，岩石 软 硬 相 间，单 层 厚0.25～1.5 m，发 育Pn3-1、Pn3-2、Pn3-3、Pn5-1等5条破碎夹泥层，属泥夹岩屑型，其连续性好，宽度一般5～20 m。

边坡岩层产状整体上以N10°～30°E.NW∠17°～35°为主，部分受构造影响，局部倾角变陡达42°，倾向坡外。主要断层构造有F21和F276，其中F21产状N25°～30°E.NW～SE∠65°～70°，破碎带宽1～2 m，局部达3 m，充填碎裂岩及断层泥，位于边坡的下游冲沟内；F276断层，产状N5°～20°E.NE∠80°～85°，破碎带宽1～1.5 m，碎裂岩为主，夹断层泥，胶结较差，分布在边坡的中部，沿在EL324公路桩号R0+280左右内侧壁往上游延伸。区内主要发育3组节理裂隙：①N15°～45°E.SE∠67°～88°，面较平直，微张，延伸长3～8 m，其走向与坡向近平行。②N35°～65°W.NE∠63°～85°，面稍起伏，闭合-微张，延伸不长，间距0.2 m/条。③N52°～61°W.SW∠70°～88°，面较平直，闭合-微张，延伸不长，间距0.1～0.2 m/条。

边坡区地下水类型主要为基岩裂隙水，接受大气降水补给，沿断层及节理排泄于河谷，泉水流量一般较小，久旱干枯，地下水位埋深6～38 m。

2 边坡岩体及软弱结构面特征

2.1 岩体特征

边坡岩石软硬相间，上部强风化带厚4～23 m，属层状碎裂结构，局部为散体结构，岩体基本质量级别为Ⅴ～Ⅵ；弱风化带厚20～30 m，属层状镶嵌结构，岩体基本质量级别为Ⅲ；微风化岩性坚硬，呈次块状、中厚层状结构，岩体基本质量级别为Ⅲ～Ⅱ。边坡岩体质量分级见表1。

2.2 软弱结构面特征

边坡中的软弱结构面主要是由于岩体在构造应力作用下，沿软、硬岩层接触带或软岩内部发生层间剪切错动，剪切错动带受到多期构造变动而发生剪切破坏，形成大量细颗粒物质和裂隙，在地下水的作用下进一步软化泥化，从而形成软弱夹层，属于构造型结构面，抗剪强度低。根据颗分成果软弱结构面中的砾、碎块占52%～84%，细至粗砂状颗粒占8.1%～25.3%，粉粒占4%～18%，黏粒占9.5%～30%，属泥夹岩屑型。主要黏土矿物为伊利石，次要矿物为高岭石、绿泥石，碎屑矿物为石英、长石、方解石；化学成分主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等；其 物 理特性及现场力学试验成果见表2、3。

表2 涔天河水库扩建工程边坡软弱结构面物理性质指标统计表

表3 涔天河水库扩建工程现场软弱结构面抗剪试验成果汇总表

3 边坡稳定性分析评价

3.1 边坡计算方法与模型

3.1.1 计算方法

3.1.1.1 刚体极限平衡法

刚体极限平衡法将滑移的各块岩体视为刚体，只考虑滑体上力的平衡，不考虑力矩的平衡条件。采用极限平衡理论，以软弱结构面为底滑面，根据结构面产状及出露位置，结合开挖设计平台高程分层计算上部边坡稳定。计算公式：

式中W——滑体重力；

V——后缘静水压力；

U——滑面扬压力；

T——锚固力；

α——滑面与水平面夹角；

β——锚杆（锚索）与滑面夹角；

c——黏聚力，kPa；

L——滑面长度。

3.1.1.2 有限元强度折减法

有限元计算采用商用GTS NX软件，用强度折减法进行边坡稳定分析，极限状态判断将采用位移突变、计算不平衡力收敛突变等因素综合分析确定强度折减稳定系数。

3.1.2 模型规划

极限平衡法和有限元强度折减法均以2#导流泄洪洞进边坡地质纵剖面为计算断面，二维、三维有限元强度折减法计算模型，如图1、2所示。本构关系采用理想弹塑性模型，屈服准则采用莫尔-库仑准则及广义霍克布朗本构。

3.2 边坡计算物理力学参数

根据现场及室内物理力学试验成果、基于Hoek-Brown准则的岩体力学参数估算及相关工程类比，确定边坡计算的物理力学参数见表3。

表3 边坡计算岩体物理力学参数

3.3 边坡计算成果

通过计算，将边坡极限平衡法和有限元强度折减法成果汇总于表4。

表4 边坡施工期稳定性计算成果表

3.4 边坡稳定性分析评价

通过地质测绘、调查，结合勘探钻孔资料，定性分析认为2#导流泄洪洞进口边坡稳定性较差。其主要原因有以下几方面：（1）该边坡岩层产状与坡向同向，倾角一般17°～35°，部分倾角变陡达42°，属顺层边坡，层间发育多条连续性较好泥夹岩屑型软弱结构面，其抗剪强度低，为边坡提供了良好的滑动面；（2）该处正处于F21及F276两条断层所夹的三角地带，受断层影响，边坡岩体风化强烈，钻孔揭露强风化下限最深达23 m左右，节理裂隙发育，岩体完整性差，边坡开挖切脚后，极易沿软弱结构面出现顺层滑动变形，边坡稳性问题十分突出。

此外，通过刚体极限平衡法与有限元计算成果表明，各种方法计算的安全系数规律基本一致，数值可相互印证，施工期安全系数均在1.0左右，边坡开挖过程中塑性区多沿软弱结构面贯通，水平位移在厘米级以上，开挖边坡处于临界稳定状态，安全系数不能满足规范要求，需进行支护处理才能保证边坡安全。

4 结 语

涔天河水库扩建工程2#导流泄洪洞进口开挖边坡为顺层岩质高边坡，且含多条泥夹岩屑型软弱结构面，受构造影响，岩体完整性较差，在高边坡开挖过程中极易产生沿软弱结构面的顺层滑动，通过刚体极限平衡法和有限元法计算也印证，边坡稳定性差，安全系数不能满足规范要求，需采取支护措施才能保证高边坡安全稳定。