考虑倾斜侧滑面的高陡岩质边坡块体稳定性分析

薛一峰，毛拥政，王 健，王 平，何 敏

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院 水电工程分院， 陕西 西安 710001；2.西安理工大学 水利水电学院， 陕西 西安 710048)

工程边坡开挖后，伴随坡体卸荷回弹，表层将产生一定的松弛，坡体内结构面与卸荷裂隙等组合构成不稳定块体，在暴雨及地震作用下，有可能产生失稳破坏从而导致巨大的经济损失[1-3]。

近年来众多学者对工程边坡开挖后的稳定性作了研究：张坤勇等[4]通过归一化处理边坡变形量，通过构建失稳判据，实现了边坡位移实施监控。龙赛琼等[5]基于岩土体施工期衰减，建立了土体抗剪强度参数反分析方法；王如宾等[6]考虑了岩石的蠕变特性，通过分析得出锦屏一级水电站左岸坝肩1 885 m～1 960 m高程开挖边坡的蠕变位移变化十分突出，对边坡的长期稳定性有着重要影响；张信贵等[7]发现水位高度、渗透系数、开挖速度等因素对边坡稳定性影响较大。综上所述，边坡开挖后开展边坡稳定性分析极其重要。而对于岩质边坡，最重要的影响因素无疑是组成不稳定块体的边界条件。目前，对于倾斜侧滑面对边坡稳定性的影响的研究尚不充分。鉴于此，本文考虑潜在滑动块体倾斜侧滑面的三维效应，采用强度折减法[8]计算东庄水利枢纽水垫塘边坡各工况下的安全系数，并对当前支护方案的合理性进行了验证。

1 工程概况

东庄水利枢纽工程主要为了解决防洪问题建设，水库总库容32.68亿m3，电站装机为110 MW。本工程为Ⅰ等大(1)型工程，水垫塘两岸边坡为1级高陡岩质边坡。根据《水利水电工程边坡设计规范》[9](SL 386—2007)规定，综合确定水垫塘边坡为Ⅰ级，相应稳定安全系数规定及取值如表1所示。

表1 Ⅰ级边坡稳定安全系数标准

水垫塘左岸边坡前接左坝肩下游边坡，后至二道坝坝后，总长约450 m，高235 m～165 m。高程760 m以下为基岩岸坡，基岩岩性为(O2m4-2)厚层、巨厚层灰岩，边坡自然坡角70°～80°；760 m高程以上自然坡角55°～65°。边坡范围内发育有小冲沟一条，冲沟深度2 m～10 m，沟底宽3 m～7 m，基岩裸露，沟心内发育有溶洞一个，冲沟为干沟。

水垫塘右岸边坡前接右坝肩下游边坡，后至二道坝坝后，总长约430 m，高205 m～140 m。高程750 m以下为基岩岸坡，基岩岩性为(O2m4-2)厚层、巨厚层灰岩，自然坡角60°～70°；高程750 m以上边坡自然坡角45°～60°。边坡范围内发育有冲沟两条，冲沟深度5 m～24 m，沟底宽4 m～10 m，基岩裸露，冲沟为干沟。

2 边坡地质条件

水垫塘边坡及河床地层为奥陶系(Q2m4-2)巨厚层灰岩，岩石致密坚硬，抗风化能力强。水垫塘边坡存在少部分强风化，岩体质量属Ⅳ级，岩体纵波速度一般小于3 000 m/s；弱卸荷带属Ⅲ级岩体，岩体纵波速度一般3 000 m/s～4 300 m/s；微风化—新鲜岩体属Ⅱ级岩体，岩体纵波速度一般3 000 m/s～4 300 m/s。顺层大裂隙、夹泥裂隙、强溶蚀带岩体属Ⅴ级岩体。

水垫塘边坡存在顺层大裂隙L12、L14等，产状190°～225°∠30°～50°，与岩层产状近于一致，走向260°～335°，倾向SW为主，倾角30°～50°。宽一般0.5 cm～30.0 cm，局部可达55 cm～60 cm，充填泥夹岩屑或岩屑夹泥，局部以钙质硬性结构面形式存在。结构面J5走向近N—S(350°～25°)为主，倾角65°～80°主要在右岸坝线下游局部分布，各高程零星分布。结构面J6走向NE—NEE(40°～80°)为主，倾角60°～85°各高程相对零星分布。水垫塘两岸边坡地质构造分布如图1所示，其中L12—L18大裂隙分布如图2所示。

图1 水垫塘两岸边坡地质构造分布

图2 水垫塘两岸边坡L12—L18大裂隙分布

3 三维有限元模型及参数

3.1 计算模型

考虑水垫塘右岸边坡为顺向坡，因此本文以右岸边坡为研究对象。右岸边坡分布的J6结构面属于硬性节理裂隙，延伸长度有限，且底滑面L14主要位于B剖面(见图3)上游，坡面出露位置最高仅延伸至680 m高程附近，滑体的稳定性主要受其上、下游边界结构面的连通率控制，因此选取该节理分布最密集的潜在破坏区域进行三维有限元分析。边坡计算区域如图3所示，建立的三维模型如图4所示。

图3 边坡计算区段示意图

图4 边坡块体三维模型图

块体模型上游以A剖面为界，下游以B剖面为界，靠河侧边界取至河流中线，靠山侧边界为河流中心线向右450 m，底部取至495 m高程；考虑块体模型周围山体的影响，按J5产状(走向N—S350°～25°为主，倾角65°～80°)创建侧滑面，块体模型两侧山体上游取至右坝肩，下游取至B剖面向下100 m，三维模型图如图5所示。

图5 边坡分析三维模型图

计算中岩体采用SOLID186模拟，结构面采用三维接触面进行模拟。结构经离散后，开挖前后有限元计算网格如图6所示。

图6 边坡分析网格图

自然状态坡体单元数为101 783，节点个数为217 378；开挖完成后单元个数为81 639，节点个数为184 816。坐标系按照笛卡尔坐标系右手法则建立，顺河向为x方向，y方向垂直河流指向坡体，z方向为竖向垂直方向。

3.2 材料参数

分析部位主要为三类围岩，岩体物理力学参数如表2所示。

表2 岩体力学参数

3.3 计算工况及荷载

计算工况包括正常运用工况(工况1)、泄洪雾雨工况(工况2)和地震工况(工况3)。工况1是正常运行工况；工况2主要针对降雨、泄洪等造成的边坡饱和变化；工况3是基于正常运用条件下，边坡遭受地震的影响。图7为计算分析步骤示意图。

图7 边坡计算分析步骤

边坡块体静力计算考虑自重、开挖卸荷、地下水荷载以及锚固荷载。在计算中，岩体将主要按照浮重度考虑，基于软化系数对内聚力c和内摩擦角φ值进行折减[10]；块体加固措施采用200 t系统预应力锚索，间距为4.5 m，锚固力均匀分摊到开挖面上[11]，将锚索荷载模拟为面荷载，其值为 98.765 kPa。地震动峰值加速度为0.152g，相当于设计地震烈度7度，根据《水工建筑物抗震设计规范》[12](SL 203—97)，αi取平均值1.75，则水平地震力系数为0.066 5。

4 结果与分析

4.1 正常运用工况

根据表1，当J5的黏聚力为60 kPa时，结构面连通率为100%，此时块体无法自稳，不符合实际工程背景。在逐步提高J5黏聚力即降低J5的连通率至c为500 kPa时，在自然状态下考虑竖直侧滑面的块体极限稳定，此时的块体侧滑面连通率为40.5%。而根据实际结构面产状考虑倾斜侧滑面影响时的计算结果如图8所示，自然未开挖的块体安全系数为1.15。分析过程中经综合研判认为该块体在自然状态下具有一定安全裕度，因此本文后续计算将遵循该验证结果，J5的黏聚力均采用500 kPa计算。

图8 自然状态边坡块体位移

边坡开挖完成后，逐步增大折减系数，当折减系数为1.25时，块体出现位移突变，且当折减系数为1.3时计算不再收敛，因此该条件下安全系数为1.25，如图9所示。与未开挖情况相比，开挖完成后边坡整体卸载且坡度变缓，因此开挖完成后安全系数增大，符合荷载规律。

图9 开挖完成未支护状态下边坡块体位移

开挖完成并在支护条件下，块体主要受重力和锚索力作用。随着折减系数的增大，结构面弱化产生向坡外的滑动，如图10所示，当折减系数为1.45时块体出现位移突变，因此该条件下的安全系数为1.45。

图10 开挖完成并支护状态下边坡块体位移

4.2 泄洪雾雨工况

泄洪雾雨工况下，结构面充水弱化，安全系数必然降低[13]。如图11所示，当折减系数为1.20时块体出现位移突变，此时边坡达到临界状态，因此泄洪雾雨工况未支护条件下安全系数为1.20。

图11 泄洪雾雨工况下未支护边坡块体位移

锚索支护条件下，块体受到锚索力和重力的作用。逐步增大折减系数，饱和结构面继续弱化导致块体下滑，如图12所示。

当折减系数为1.35时块体出现位移突变且折减系数继续增大将导致计算不收敛，所以泄洪雾雨工况并支护条件下安全系数为1.35。

4.3 地震工况

地震条件下，块体受到朝向坡外的地震惯性力影响，整体向河流方向移动，在地震力的影响下，块体将更容易产生滑动[14-17]。如图13所示，该工况未支护条件下，折减系数为1.15时块体出现位移突变，所以该条件下安全系数为1.15。

图13 地震工况未支护条件下边坡块体位移

地震工况下施加锚索支护，块体受到重力、地震惯性力和锚索力的作用。如图14所示，当折减系数为1.35时，块体产生位移突变且折减系数继续增大将导致计算不收敛，所以地震工况并支护条件下安全系数为1.35。

图14 地震工况施加锚索支护条件下边坡块体位移

4.4 计算结果

通过三维强度折减有限元分析，在考虑倾斜侧滑面的块体三维效应的作用下，求得各工况边坡的安全系数如表3所示。

表3 水垫塘边坡各工况安全系数表

5 结 论

本文采用有限元分析软件，根据东庄水利枢纽水垫塘边坡的地质条件分析结论，针对潜在滑动块体考虑倾斜侧滑面的影响进行三维强度折减分析，求得各工况下边坡的安全系数，结果表明：

(1) 在开挖边坡该节理分布最密集的潜在破坏区域的卸荷变形较大。在这些部位应采用长锚杆、锚筋桩或预应力锚索进行锁口及系统锚固处理。

(2) 在正常运用及泄洪雾雨工况下，边坡在开挖未支护时安全系数均低于标准值，在坡面范围内施加200 t、间距4.5 m的系统预应力锚索加固后可使块体安全系数满足设计标准。地震工况下，添加支护前后的边坡安全系数均满足设计标准。