金川水电站路基边坡稳定性分析与评价

赵中强 王有林 王文革

摘要：为研究金川水电工程进场公路路基边坡出现拉裂变形，且对边坡下部公路通行车辆和行人安全造成隐患的问题，通过现场勘察，分别采用极射赤平投影法和极限平衡法，对该岩质边坡稳定性进行了定性和定量分析，并相互验证。结果表明：该岩质边坡整体稳定较差，发育倾向岸外两组结构面与岩层面组合易形成不稳定楔形体，在天然工况下边坡处于欠稳定状态，在极端不利工况处于不稳定状态，易发生整体失稳。研究成果可为其他公路边坡拉裂变形稳定性分析提供借鉴。

关键词：路基边坡稳定性; 岩质边坡; 赤平投影; 极限平衡分析法; 金川水电站

中图法分类号：U416.14文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.010

文章编号：1006 - 0081（2022）05 - 0058 - 05

0 引 言

近年来，随着中国水电工程的开发利用，相关基础设施建设发展迅速，尤其是山区水电项目日益突出。水电开发一般位于高山峡谷地带，地质条件复杂，地形起伏变化大，工程建设中往往会遇到人工边坡和高边坡拉裂变形问题。岩质边坡一旦变形失稳，危害性极大，对边坡实施有效防护和治理是避免地质灾害发生的有力保证。边坡稳定受地形地貌、地层岩性、地质构造及风化卸荷等因素影响，伴随着人类活动及外动力因素[1]（地震、强降雨及施工扰动等），岩质边坡失稳[2]与破坏主要受岩体内发育结构面控制，结构面的空间分布及不利组合直接影响边坡稳定。本文以金川水电站进场道路（G248）路基边坡为例，利用赤平投影法[3]分析各结构面的空间组合形式，定性分析边坡可能出现的破坏形式[4]，再利用极限平衡分析法，定量分析边坡稳定性，并相互验证分析[5]，对该边坡提出了切实可行的工程处理建议[6]。

1 工程概况

金川水电站建成蓄水后，会将原省级公路（S211）淹没，为保障地方交通和工程建设，需对该路段进行复建（G248）。在电站复建公路里程K14+123～K14+191段路基边坡外侧出现拉裂缝（图1），底部为原省道S211及过河钢架桥。裂缝走向基本与边坡走向平行，裂缝长约25 m，高出原省道路面超50 m，距省道內侧路边线仅2～3 m，距复建公路中心线平面距离6.6 m，垂直高差为7.5 m。边坡整体为强卸荷发育区，发育多组拉张结构面，局部已发生崩塌、掉块及塌滑现象。因此，该路基边坡拉裂对复建公路及省道S211行人和车辆和钢架桥有较大影响。

2场地工程地质条件

2.1 地形地貌

复建公路G248桩号K14+123～K14+191段地处高山峡谷区，山势挺拔，为典型中高山地形地貌区。地形坡度一般为30°～68°，相对高差300～800 m，河段的总体走向为SE140°～160°，边坡表部植被一般发育，整体多基岩裸露，由于风化卸荷及结构面发育，岩体较破碎。

2.2 地层岩性

边坡出露的地层主要有三叠系侏倭组（T3zh）及第四系全新统地层。其中三迭系侏倭组（T3zh）为灰色薄-中厚层变质砂岩夹板岩等，岩层产状NW290°～298°SW∠33°～67°;第四系全新统地层主要为崩坡积（Q4col+dl）碎石土等。

2.3气象条件

工程区属明显的大陆性高原季风气候，其显著特点是全年日温差大，年温差小，立体差异突出，干湿分明，四季不明显。区内降水分布差异显著，降水量由南向北随海拔的增高而增多。区内多年平均降水量为621.0 mm，最大年降水858.1 mm，最大日降雨量56.2 mm，最大一次暴雨量为52.1 mm。

3 边坡稳定性分析

3.1 边坡现状及工程地质条件

复建公路G248工程K14+123～K14+191段位于电站坝址区上游约18 km处，岸坡山势较为陡峻，岸坡倾向NE45°，坡度约为30°～68°，相对高差300 m以上。边坡岩体主要是三叠系侏倭组（T3zh）为灰色薄-中厚层变质砂岩夹板岩，岩层产状为NW290°～298°SW∠33°～50°，边坡整体为顺向谷反向坡，相对边坡稳定性较好。

边坡岩体未见断层发育，主要发育有4组结构面裂隙（图2～3）。① 层面裂隙组： NW290°～298°SW∠33°～50°（倾向岸内）;② L1组：NW303°～338°NE∠55°～72°（倾向岸外）;③ L2组：NE6°～42°SE∠71°～73°;④ L3组：NW280°～290°NE∠50°～64°（倾向岸外），边坡整体属强卸荷区，卸荷深度较大，大多为压扭性或张扭性节理裂隙。

由于边坡临空卸荷及拉张结构面发育，相互组合切割，边坡前缘陡立临空面发生崩塌掉块现象，局部已发生小范围牵引式塌滑，现该边坡前缘处出现拉裂（图4），拉裂宽度约为5～12 cm，延伸超20 m，该裂缝高出S211省道约50 m。

该边坡属纵向谷反向坡，对边坡整体稳定有利，但表部强卸荷及倾向岸外结构面发育，对临空陡立边坡不利，易形成崩塌及沿倾向岸外结构面发生牵引式崩滑。

该边坡前缘出现拉裂缝，主要受原S211省道路堑边坡开挖影响，边坡陡立，边坡卸荷回弹发育多组结构面，岩体沿卸荷结构面发生变形拉裂，形成拉裂缝，且结构面相互组合切割，形成不稳定楔形体，发生崩塌掉块现象，局部已发生蠕滑变形，其边坡变形范围为472 m2（图5），变形方量约为800 m3。

3.2 边坡破坏模式分析

现场调查表明，边坡岩体在重力作用下形成张拉裂缝，拉裂面沿着原有结构面压碎扩容，形成贯通性破裂面，沿裂隙贯通面滑移破坏（滑坡）。

滑移破坏是边坡岩体在重力作用下，所受上覆岩体剪应力超过层间结构面的抗剪强度，沿贯穿结构面发生倾向坡外滑动。滑动是边坡破坏的普遍形式，以剪切破坏为主。边坡岩体沿单一地质断裂面或倾向岸外裂隙面（L1组、L3组）等发生剪切位移，而滑体的两端多呈拉断破坏。

根据边坡的破坏形式，采用赤平投影法对边坡结构特征稳定性进行定性分析，再采用极限平衡分析法对边坡稳定性进行定量分析评价，相互验证，评价边坡整体稳定性，最后根据评价结果提出相应的措施建议。

3.3 赤平投影法边坡稳定性分析

通过边坡岩层产状和发育的4组结构面，用赤平极射投影分析边坡稳定性（图6）。

边坡发育多组结构面，其中有3组组合形成的块体不稳定，易发生滑动（图5）：① L1组与L2组裂隙组成块体与边坡倾向相同，倾向岸外，倾角小于边坡坡角，组合块体不稳定，易滑动;② L1组与L3组裂隙组成块体与边坡倾向相同，倾向岸外，倾角小于边坡坡角，块体不稳定，易滑动;③ L2组与L3组裂隙组成块体与边坡倾向相同，倾向岸外，倾角小于边坡坡角，边坡块体不稳定，易滑动。

综合分析判定，K14+123～K14+191段路基下方的边坡整体较稳定，但其中L1和L2组、L1组和L3组、L2组和L3组结构面与岩层面组合切割楔形体形成危岩体，在不利条件下，易沿倾向岸外结构面向下滑动，进而发生崩塌及滑移破坏。

3.4 边坡稳定性计算

根据G248公路K14+123～K14+191段边坡开裂变形剖面（图7），建立极限平衡分析计算模型。其中边坡为岩质边坡，L1组和L3组结构面基本平行于坡面，易形成贯穿结构面，使岩体沿结构面发生滑动，且拉裂缝方向基本与倾向坡外结构面一致，因此，本次计算滑动面以拉裂缝为后缘，以倾向岸外结构面延伸至边坡坡脚岩体破碎处为剪出口作为整体滑动面。

根据边坡的边界特征模型，以现场调查的地质原型为基础，考虑到拉裂缝和软弱结构面对边坡稳定性的影响，根据岩体风化程度及结构面发育定义拉裂缝结构面、软弱结构面、第四系崩坡积碎石土、拉裂变形体、弱风化变质砂岩上限和弱风化变质砂岩上限岩体及拉裂滑移面等，计算模型见图8，材料计算参数取值如表1所示。

在本次边坡稳定性计算中，考虑了天然、降雨和地震3种工况。根据当地气象台监测资料，区内日最大降水量为56.2 mm。边坡区地震基本烈度为Ⅷ度，50 a超越概率水平10%的水平加速度峰值为0.1g，故计算考虑地震影响时，根据GBT 38509-2020《滑坡防治设计规范》，取综合水平地震系数为场地地震动峰值加速度的1/4，即[αw]=0.025g。

根据计算结果（表2）和GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》边坡稳定性评价标准，在天然状态下，拉裂变形区边坡Fs=1.042，边坡整体处于欠稳定状态;在暴雨工况下和地震-暴雨耦合工况下，Fs分别为0.991和0.963，均处于不稳定状态。

3.5 边坡发展趋势分析与预测

综合分析，目前拉裂变形边坡在天然工况下处于欠稳定状态，可能发生崩塌滑移破坏;在暴雨及地震工况下，边坡处于不稳定状态，易发生整体塌滑，且边坡在复建公路修建过程中，受大型机械加载及施工扰动，不利于边坡稳定。因此，需对边坡进行必要的工程处理。

4 边坡治理工程措施建议

结合现场地形，G248公路K14+123～K14+191段位于拉裂变形区边坡上部，路堤挡墙位于拉裂变形区内侧，路基基础为弱风化变质砂岩，对G248公路路基影响相对较小，但G248公路建设施工对下部拉裂变形区边坡有影响，施工擾动和机器加载可能导致边坡发生崩塌或整体失稳，威胁边坡下部钢架桥及S211省道过往行人和车辆。因此，需对下部拉裂变形区进行工程处理。

（1） 对该工程而言，拉裂变形区范围相对较小，建议清除拉裂变形区以下松动和不稳定岩体，对局部相对稳定区域进行喷锚加固，并对边坡岩石破碎区进行喷混凝土防护处理。

（2） 建议边坡上方设置截水沟和排水沟等截排水措施，防止地表水或降雨入渗软化岩体，影响边坡稳定性。

5结论与建议

（1） 金川水电站复建公路G248桩号K14+123～K14+191段边坡整体为顺向谷反向边坡，岸坡整体较为稳定。

（2） 桩号K14+123～K14+191段边坡前缘出现拉裂缝现象。边坡岩体受原S211省道路堑边坡开挖影响，边坡卸荷回弹，发育多组卸荷结构面且边坡陡立;在自重应力作用下，岩体沿卸荷结构面发生变形拉裂，形成拉裂缝，且多组结构面组合切割，形成不稳定结构体，发生崩塌掉块现象。边坡局部已发生滑动破坏，其边坡变形范围为472 m2，变形方量约为800 m3。对边坡下部钢架桥及道路行人和车辆影响较大。

（3） 通过赤平投影法对边坡稳定性进行分析，K14+123～K14+191段路基下方的边坡整体较稳定，因L1组和L3组结构面与边坡斜交，斜交夹角小于40°，且L1和L2组、L1组和L3组、L2组和L3组结构面与岩层面组合切割楔形体形成危岩体，在不利条件下，易沿倾向岸外结构面向下滑动，发生崩塌及滑移破坏。

（4） 通过极限平衡法分析，拉裂变形区边坡在天然工况处于欠稳定状态，在暴雨和地震工况（施工扰动）下，边坡均处于不稳定状态，需对拉裂变形区进行工程处理。

（5） 拉裂变形区方量相对较小，建议清除拉裂变形区以下松动和不稳定岩体，对局部相对稳定区域进行喷锚加固，并对边坡岩石破碎区进行喷混凝土防护处理。

（6） 建议在边坡上方设置截水沟和排水沟等截排水措施，以防坡面水流渗入影响边坡稳定。

参考文献：

[1] 刘一强，朱杭琦.黄山某岩质高边坡稳定性分析与评价[J].城市地质，2021，16（1）：49-55.

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[6] 刘继伟. 山区营运高速公路岩质路堑边坡稳定性风险评价研究[D].长沙：长沙理工大学，2020.

（编辑：唐湘茜）

Stability analysis and evaluation of subgrade slope of Jinchuan Hydropower Station

ZHAO Zhongqiang，WANG Youlin，WANG Wenge

（Northwest Engineering Corporation Limited， Xi'an 710065， China）

Abstract： In order to study the tensile cracking deformation of highway subgrade slope of Jinchuan hydropower project， which threat the safety of road traffic and pedestrian safety， based on the field investigation， stereographic projection method and limit equilibrium method are respectively adopted to make the qualitative and quantitative analysis of rock slope stability for mutual corroboration. The results show that the overall stability of the rock slope is poor， and the combination of two groups of structural planes inclining toward to river bank and rock planes tends to form an unstable wedge body. The slope is in an less stable state under natural conditions， and in an unstable state under extreme unfavorable conditions， and the overall stability loss is easy to occur. The research results can provide reference for other highway slope tensile deformation stability analysis.

Key words： subgrade slope stability; rock slope; stereographic projection; Limit Equilibrium Analysis Method; Jinchuan Hydropower Station

收稿日期：2021-07-09

作者簡介：赵中强，男，工程师，硕士，主要从事水利水电工程、岩土工程勘察及地质灾害调查评价工作。E-mail：610264726@qq.com