基于稳定分析的某水库边坡动态跟踪设计及必要性

连振宏

(四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，成都，610072)

引言

随着我国经济建设的高速发展，水利工程项目越来越多。山区开挖不可避免会出现开挖高边坡的情况，削坡改变了山体自然边坡的平衡条件，开挖后的高边坡在外荷载(地震、填土等)、重力和水的渗流、岩土的膨胀等作用下易失去平衡状态，发生边坡失稳现象，给人民生命财产和工程建设带来了巨大的损失[1-3]。

目前，对于边坡稳定性分析最常用的极限平衡方法有：瑞典条分法、简化Bishop法、Janbu普通条分法等[1，4-5]，计算分析理论成熟，能够满足工程建设需要。随着计算机的发展普及，出现多种边坡稳定分析软件，如理正边坡稳定分析软件[6]、AutoBank软件[7]及Geo-Studio软件[3]等，各分析软件计算得到的边坡安全稳定系数相差不大[8]，计算成果对边坡开挖施工具有重要指导意义。

工程实践表明，在山体边坡开挖过程中，尽管边坡稳定分析计算结果满足稳定要求，但在实际施工中局部仍出现边坡坍塌或滑落等现象，因此，必须在对开挖边坡的稳定性进行分析与评价的基础上，进行现场动态跟踪设计，及时调整采取合理对策和措施，确保边坡开挖过程的稳定安全。

1 工程概况

某水库为西南一座以灌溉、防洪、城乡生活及工业供水等综合利用的水利工程，由拦河大坝、左岸泄洪隧洞(兼导流洞)、右岸溢洪道和右岸引水隧洞等水工建筑物组成。水库正常蓄水位650m，最大坝高104.8m，水库总库容1.68亿m3，属大(2)型水利工程。该工程大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，所需坝体填筑料和混凝土骨料由料场开采供应。

通过现场钻孔取得试样，进行室内物理力学试验，得出边坡岩体的物理力学参数取值如表1。

表1 力学参数取值

2 边坡稳定分析及支护设计

本文利用理正边坡稳定分析软件、AutoBank软件及Geo-Studio软件建立山体开挖边坡的计算模型，进行开挖高边坡安全稳定性分析，求解边坡最小安全系数的滑动面，指导设计边坡支护方案，确保边坡安全稳定。

根据《水利水电工程边坡设计规范》(SL 386-2007)中对边坡级别划分的要求，结合本工程属Ⅱ等工程，泄洪洞为主要建筑物按2级建筑物设计，料场位于泄洪洞及大坝基坑以上，相距高差较大，开挖边坡破坏后对水工建筑物的危险程度不严重，确定料场开挖边坡的级别为4级，相应抗滑稳定安全系数见表2。

表2 开挖边坡抗滑稳定安全系数标准

2.1 模型的建立

料场开采利用自上而下分梯段方式，沿河开采最大长度434.80m，开采最大宽度336.15m，开采面积8.41万m2。边坡最大高度210m，每隔15m设一道宽2m的马道，弱风化及以下开挖坡比为1∶0.5，强分化岩体开挖坡比为1∶0.75。根据岩土工程勘察资料提供的边坡剖面图，选取某剖面为典型剖面进行边坡稳定分析，如图1所示。

图1 料场开挖边坡剖面

根据工程经验及模型对边界条件的敏感性，为计算得到的安全系数更准确，坡脚到水平边界的距离大于边坡高度的1.5倍距离，坡顶到水平边界距离大于边坡高度的2.5倍距离，并且上下边界总高度大于2倍边坡高度。因此，建立开挖高边坡的二维计算模型[9]，如图2，岩石的力学性质参数由表1确定，模型的边界条件为：底边为X、Y方向约束，左右为X方向约束。对于开挖后高边坡为天然边坡，外荷载仅为重力，不考虑地下水的影响。

图2 开挖边坡计算模型

2.2 抗滑稳定安全系数计算

2.2.1 理正软件

采用简化Bishop法，自动搜索最危险滑动面得到最小安全系数1.35，滑动半径110m，计算结果如图3。

图3 理正软件边坡稳定性计算

2.2.2 AutoBank软件

采用简化Bishop法，自动搜索最危险滑动面得到最小安全系数1.37，计算结果如图4。

图4 AutoBank软件边坡稳定性计算

2.2.3 Geo-Studio软件

采用Slope/W模块自动搜索最危险滑动面得到最小安全系数1.30，计算结果如图5。

图5 Geo-Studio软件边坡稳定性计算

2.3 边坡稳定性分析

通过不同分析软件对料场开挖高边坡进行稳定分析，得到同一工况下的安全系数，如表3。

表3 同一工况下开挖边坡稳定分析结果

从表3中可以看出，边坡开挖后各软件计算的最小安全系数相差不大，且均大于《水利水电工程边坡设计规范》(SL 386-2007)规定的在正常运用条件下边坡的抗滑稳定安全系数标准，说明开挖后边坡整体是稳定的。

2.4 边坡支护设计方案

通过对料场开挖边坡稳定分析计算，边坡整体稳定性较好，稳定安全系数满足要求。结合工程经验，对开挖边坡主要采取挂网喷锚支护，并在顶部设置排水沟，边坡面设置排水孔，解决开挖边坡浅层脱层掉块问题，确保边坡安全稳定，具体支护设计参数见表4。

表4 开挖边坡支护设计参数

3 边坡开挖动态跟踪设计

在料场开挖过程中，整体地质情况基本一致，但在947.0m～960.0m高程，桩号0-123.29～0-48.97局部范围内岩层由缓变陡，沿岩层层面存在充填有次生夹泥现象，边坡开挖后在高程960.0m、957.5m和956.0m出现三条长约17m～23m不等的裂缝，其中960.0m高程处的裂缝发育最长，为23m，其现场裂缝发育照片见图6。

通过现场及时勘测及变形观测，基本确定该裂隙形成机制为开挖施工局部切脚开挖，造成前缘抗体厚度不够引起的边坡岩体的牵引式变形。为确保开挖边坡安全稳定，现场设计根据现场实际揭示的地质情况及施工情况，对开挖边坡进行稳定分析，及时调整边坡支护参数。

本次计算剖面见图7，采用AutoBank软件和刚体极限平衡计算方法[10-11]对比分析，具体支护设计方案为：100t锚索+锚索横梁，锚索间距6m，L=40m，952m和957m靠陡崖侧各1根锚索，钻孔方向为N10°E，其余钻孔方向均为N5°E，俯角23°；锚筋束332，L=12m，间距3m，钻孔方向为N5°E，俯角23°；部分高程布置32mm锚杆，L=12m，间距3m，钻孔方向为N5°E，俯角23°。支护边坡安全稳定分析见表5。

图7 实际开挖边坡计算剖面

表5 开挖边坡支护稳定安全系数

由表5可知，开挖边坡在天然状态下稳定安全系数不满足规范要求，在增加支护措施后边坡稳定安全系数满足规范要求，且支护设施实施后至今边坡运行稳定，变形裂缝不再增加，料场边坡目前已开挖结束约2年时间，开挖边坡整体稳定，未出现坍塌或滑落现象。

4 结语

(1)边坡稳定分析理论成熟[12]，计算方法满足工程需要，且采用不同分析软件计算结果基本一致，能够为边坡支护设计提供依据，合理有效地指导工程建设。

(2)在边坡稳定分析的基础上，对边坡开挖施工进行现场动态跟踪设计具有重要意义。在边坡开挖施工过程中，根据开挖揭示的实际地质情况，及时调整边坡支护设计方案，采取合理有效的措施，确保边坡开挖稳定安全，更有力地推动工程建设和发展。

(3)通过工程实践，应用锚筋束能快速施工迅速形成支护作用的特点，解决变形边坡应急稳定问题，再利用锚索支护，实现变形边坡深层稳定，相应支护措施实施后效果明显，开挖施工期和运行约2年多时间边坡未出现坍塌或滑落，整体运行安全稳定，说明边坡支护设计方案相对合理，对其他工程边坡支护具有一定借鉴意义。