老挝某水电站水垫塘边坡变形机制分析及稳定性分析

2022-04-15程光威姚晨辉杨青云

西北水电 2022年1期

周奎，程光威，姚晨辉,杨青云

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司，西安 710043；2.陕西铁路工程职业技术学院,陕西渭南 714000；3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065；4.中国重型机械有限公司，北京 100038)

0 前言

水利水电工程多集中在高陡的山区，工程建设中的边坡开挖常会破坏边坡原有稳定，造成边坡变形，甚至失稳，严重者还会导致人员伤亡及财产损失。近年来，有关专家学者对边坡稳定性研究较多，其主要分为两大类分析方法，一类是定性分析，如图解法[1-2]，工程类比法等；另一类是定量分析法，如极限平衡法[3]、可靠度[4]分析法等，运用相关有限元分析软件，使用计算数据评价了边坡的稳定性。定性分析法简单易操作，但缺少准确参数，无法为支护提供准确设计依据，定量分析虽然计算结果确定，但有时计算结果与事实背离，不足使人信服。

笔者在各位前辈研究的基础上，使用图解法与极限平衡法相结合的方法[5-7]，结合现场地质编录资料，边坡监测资料，运用Sarma原理的geo-studio软件，对某水垫塘边坡稳定性进行了定性及定量分析，为边坡支护提供了设计依据。

1 边坡地质情况及失稳特征

1.1 边坡地质条件

该水垫塘边坡位于右岸坝基下游，开挖高程为995.00～1 046.00 m，并分别在高程995.00、1 010.00、1 025.00 m设置马道，边坡走向N54°W，开挖坡比为1∶0.75～1∶1，边坡开挖后采用挂网锚喷支护。

开挖揭露边坡地层岩性主要为第四系坡积物、泥盆系下统(D1)砂砾岩类及泥盆系中统(D2)的泥质板岩、砂质板岩等，砂砾岩类多呈灰色、深灰色，板岩类呈紫红、灰绿色；岩层层面产状N25°～75°E，NW∠55°～65°。开挖揭露的主要构造带为F11断层， F11断层带整体产状为N25°E ，NW∠77°，F11走向与边坡走向近乎垂直，宽11～18 m，由泥质板岩条带、构造角砾岩及压碎岩组成，胶结较差，断层带内紫红色泥质板岩条带、压碎岩物质等遇水易泥化、软化，F11见图1。

1.2 边坡变形历程、变形体范围及形态特征

2018年9月19日，右岸水垫塘边坡高程995.00～1 010.00 m范围发生局部滑塌。2018年10月25日，在水垫塘右岸高程1 025.00～1 046.00 mF11断层带范围喷混凝土边坡发现多处裂缝，且高程1 046.00 m平台混凝土路面上发现多处裂缝，伴随两场大雨后，自2018年12月12日起，高程1 046.00 m平台裂缝发展加快、外侧边坡下沉，高程1 025.00 m马道边坡向外鼓出，裂缝平面见图2。

因高程995.00～1 046.00 m边坡自上而下变形特征不同，所以对边坡根据高程进行分区域分析，各区域变形体范围及形态特征见图3所示。

(1) 1区域高程1 025.00～ 1 046.00 m之间的边坡，高程1 046.00 m平台混凝土路面发生开裂，主裂缝延伸长约20～30 m，裂缝宽度最大达10 cm，并有错台现象，高程1 025.00～1 046.00m边坡坡面有多处横向裂缝，裂缝走向基本与边坡走向一致，宽度1～5 cm，且有鼓胀现象；高程1 025.00 m马道内侧见明显的裂缝剪出鼓胀。

(2) 2区域高程 1 010.00～1 025.00 m之间的边坡，其变形主要为沿马道外缘的开裂，坡体上喷射混凝土横向开裂，裂缝走向基本与边坡走向一致，裂缝宽度普遍小于2 cm，且各裂缝未贯穿。

(3) 3区域高程995.00～1 010.00 m，在F11断层带下游侧的边坡，边坡出现了两处块体失稳现象，表现为楔形体滑动。

1.3 边坡变形监测

为监测边坡变形，右岸边坡高程1 025.00 m马道垂直布置1套三点式位移计(YBP-M-01)，用于监测边坡位移变形情况,右岸边坡监测仪器布置见图4。YBP-M-01三点式位移计监测数据见图5，从图5可以看出，边坡向临空面位移量持续增加，2018年11月4日至2019年1月23日，监测点孔口处位移量42.16 mm，3 m深度位移23.81 mm，11 m深度位移2.49 mm。

另外，变形发生后也对高程1 046.00 m平台上的12号主拉裂缝宽度变化进行了持续监测，监测数据见图6。从图6可以看出，2018年12月14日至2018年12月19日，裂缝宽度增加了100 mm。

2个监测点数据[9]都表明，边坡正处于失稳状态。并且，从3点式位移计的监测数据可以看出，边坡在高程1 025.00 m处变形主要在浅表层3 m处，边坡深部未发生较大变形。

2 变形机制分析及稳定性分析

2.1 边坡变形机制

根据开挖编录资料、现场调查情况以及变形监测数据，结合变形体分区、物质组成及形态特征，综合分析认为各区域变形体成因机制如下：

(1) 1区域的变形体主要为F11断层，其边坡稳定性主要受岩(土)体的开挖松弛、及地表水下渗因素影响。雨水下渗导致岩土体迅速软化，压缩蠕变累计量大后形成滑面，滑面贯穿形成后，产生了较大的后缘拉裂、前缘鼓胀剪出变形，裂缝见图7。且结合YBP-M-01监测点的监测数据，可以看出滑动剪切面位于浅部及3 m 深处，11 m深度处未形成滑动面；

(2) 2区域岩体质量比1区域好，且2区域裂缝多沿坡面倾向方向展布，张开度普遍较小，受雨水渗入作用较1区域弱，因此2区域压缩蠕变变形累计量较1区域小，变形量有限，变形体滑面尚未贯通形成。故其变形体主要形成机制为F11断层带形成的松散介质和压碎岩体边坡的局部剪切滑移；此外，受高程1 010.00 m平台以下两处块体失稳影响，导致其高程1 010.00 m上部边坡产生了多个牵引式的变形拉裂缝。

(3) 3区域边坡岩体处于卸荷带底部影响范围内，其变形特征主要为两处局部的块体失稳现象，为N35°E，NW∠71°，N20°W，NE∠38°两组节理在开挖面的切割导致的楔形体平面型滑移。

2.2 边坡稳定性分析

本次采用geo-studio软件，采用极限平衡Sarma[8]法进行稳定计算分析。

Sarma法计算如图8所示。假设在临界水平地震加速度系数条件下的边坡稳定性系数Fs，假定条块的底面和侧面均达到极限平衡，则可通过静力平衡条件获得临界水平地震加速度，从而求得边坡稳定性系数。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

边界条件为

(9)

公式(2)～(9)中：Wi为第i块的自重,kN;Ui为作用在第i块底滑面上的静水压力,kN;PWi为作用在第i块侧面的静水压力,kN;αi为第i块底滑面与水平面的夹角,°;δi、δi+1为i块两侧面与铅垂面的夹角,°;bi为第i块底滑面在水平面上的投影的长度,m;di为第i块侧面的长度,m;Fs为安全稳定性系数。

选取相应的地质参数，参数见表1，分别选取3条代表性剖面对3个区域分别进行稳定性计算。

表1 边坡稳定性计算参数

2-2剖面在高程1 010.00～1 025.00 m范围穿过F11断层，是2区域代表剖面；3-3剖面在高程1 025.00～1 046.00 m范围穿过F11断层，是现场实际变形最大的控制性剖面，也是1区域代表剖面；6-6剖面在高程995.00～1 010.00 m范围穿过F11断层；是3区域代表剖面；计算各剖面在天然地下水条件下的边坡计算滑面简图如图9～12所示，最小安全稳定性系数如表2所示。