某水電站石料場開口線外邊坡穩(wěn)定性分析及處理措施

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州，311122)

某水電站石料場規(guī)劃區(qū)域位于電站壩址上游約1.5km處。石料場坡腳江面高程為1990m，分水嶺的山脊高程為2600m～2736m，最大高差為746m，開口線至山頂最大高差391m。自然邊坡總體走向約N10°～15°E，坡度40°～50°。石料場邊坡大部分地表基巖裸露，局部地段有薄層崩坡積物覆蓋。局部發(fā)育小陡崖、陡坎，邊坡地形完整性較好。

2018年3月，石料場在揭頂施工過程中，發(fā)現(xiàn)其開口線后緣邊坡一定范圍內(nèi)覆蓋層較厚，經(jīng)分析采取覆蓋層清除的施工方案，當(dāng)覆蓋層清除后，石料場開口線外的邊坡形成了包含陡崖、工程邊坡的陡邊坡，揭露邊坡結(jié)構(gòu)面發(fā)育，尤其發(fā)現(xiàn)斷層f(1)、f(2)等不利塊體組合，現(xiàn)場施工安全問題突出。隨即采用非連續(xù)數(shù)值分析方法對該工程邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算與分析，并根據(jù)計算成果采取了針對性的加固治理措施，后續(xù)監(jiān)測表明目前邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。這為類似石料場工程揭頂過程所出現(xiàn)的邊坡穩(wěn)定性問題提供參考，并建議加強(qiáng)重視水電工程中石料場的地勘與設(shè)計工作。

1 揭露地質(zhì)條件

2018年7月，石料場完成開口線附近的覆蓋層及部分強(qiáng)卸荷巖體開挖，揭露出的邊坡見圖1，高程2322m～2350m坡度為40°，坡面由一較平直的結(jié)構(gòu)面組成；高程2350m～2380m坡度為60°～70°，局部為陡崖；高程2380m～2420m坡度為70°～80°，為自然邊坡陡崖部分，陡崖上、下游分別發(fā)育2號、3號沖溝，溝底和溝側(cè)有松散的崩坡積物覆蓋。

圖1 石料場開口線外揭露的邊坡現(xiàn)狀

揭露出的邊坡結(jié)構(gòu)面發(fā)育，其中斷層f(1)，產(chǎn)狀為：N25°～35°W、SW∠60°～75°，帶寬約20cm～30cm，帶內(nèi)為碎粉巖、巖屑，強(qiáng)風(fēng)化，面起伏，局部影響帶寬約50cm，延伸到后緣陡崖；f(2)，產(chǎn)狀為：N10°E、NW∠40°，帶寬約3cm～5cm，帶內(nèi)見碎粉巖、巖屑，呈強(qiáng)風(fēng)化，為中緩傾角卸荷面，延伸較長，面上見擦痕；f(6)，產(chǎn)狀為：N15°W、SW∠30°～35°，帶寬約1cm～5cm，帶內(nèi)見片狀巖、巖屑，呈強(qiáng)風(fēng)化，延伸較長；f(14)，產(chǎn)狀為：N30°W、SW∠30°，帶寬約3cm～10cm，帶內(nèi)見碎塊巖、巖屑充填，呈強(qiáng)風(fēng)化，延伸中等；f(15)，產(chǎn)狀為：N25°～30°W、SW∠20°～25°，帶寬約5cm～10cm，巖屑填充，含少量碎塊巖，強(qiáng)風(fēng)化，延伸中等；長大裂隙Lb1，產(chǎn)狀為：N60°E、SE∠20°，面微張，平直粗糙，局部充填巖屑，延伸中等；Lb2，產(chǎn)狀為：N20°E、NW∠20°～30°，面平直粗糙，閉合～微張，延伸中等；節(jié)理主要有：①N10°E、NW∠40°，面平直，發(fā)育間距40cm～80cm，②N40°W⊥，面平直，發(fā)育間距為20cm～30cm，③N40°E、NW∠75°～80°，面平直，發(fā)育間距為30cm～50cm。

揭露邊坡巖體以弱風(fēng)化花崗閃長巖為主，表層分布有少量強(qiáng)風(fēng)化巖體；邊坡發(fā)育的不良物理地質(zhì)現(xiàn)象主要是強(qiáng)卸荷巖體和局部陡坡地段巖體因風(fēng)化卸荷作用形成的危巖體。

2 分析方法與基本條件

2.1 分析方法

運(yùn)用非連續(xù)數(shù)值分析方法對該邊坡工程開展應(yīng)用性研究，通過建立直觀反映或表征該邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征的非連續(xù)數(shù)值模型，展開數(shù)值模擬計算分析工作，可再現(xiàn)該邊坡開挖過程中的典型變形特征、破壞機(jī)制以及穩(wěn)定性。

離散元UDEC/3DEC程序在分析復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)的三維效應(yīng)和各向異性問題時具有獨(dú)到的優(yōu)勢，不僅能較真實(shí)地模擬復(fù)雜節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)(DFN)，而且?guī)r塊和結(jié)構(gòu)面的參數(shù)意義明確且可測量；該方法也能夠獲得邊坡潛在破壞面及相應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)，可較好地用于評價邊坡的變形及穩(wěn)定特性，并指導(dǎo)工程實(shí)踐；此外，還可以考慮多種巖體本構(gòu)關(guān)系、不同圍壓環(huán)境、巖體脆-延性轉(zhuǎn)換以及耦合作用等，是一種功能強(qiáng)大并十分適用于節(jié)理巖體的數(shù)值方法，在巖土工程界得到了廣泛的應(yīng)用[1，2]。

另外，邊坡的變形特征及穩(wěn)定性分析采用強(qiáng)度折減法(SRM)[3]。

2.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)與結(jié)構(gòu)面參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場邊坡開挖揭露的地質(zhì)情況，巖體質(zhì)量分類和結(jié)構(gòu)面參數(shù)取值分別見表1、表2所示。后續(xù)還會通過反演分析進(jìn)一步調(diào)整和細(xì)化關(guān)鍵性的相關(guān)參數(shù)取值。巖體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型，該準(zhǔn)則是傳統(tǒng)Mohr-Coulomb剪切屈服準(zhǔn)則與拉伸屈服準(zhǔn)則相結(jié)合的復(fù)合屈服準(zhǔn)則。巖體結(jié)構(gòu)面模擬將選用接觸面模型，接觸面的破壞準(zhǔn)則基于庫侖剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)

2.3 邊坡級別和安全標(biāo)準(zhǔn)

該石料場邊坡屬于水庫區(qū)邊坡，根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5353-2006)，屬B類邊坡，邊坡設(shè)計安全系數(shù)取值見表3。

表3 邊坡設(shè)計安全系數(shù)

2.4 抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

該石料場工程區(qū)域地震基本烈度為Ⅶ度，以50a為基準(zhǔn)期，超越概率為10%確定設(shè)計概率水準(zhǔn)，相應(yīng)的地震水平加速度為0.1445g。

3 數(shù)值模擬計算分析

3.1 模型建立

對該石料場開口線外現(xiàn)狀邊坡典型剖面的結(jié)構(gòu)面及優(yōu)勢節(jié)理概化模型，作為后續(xù)開展數(shù)值分析工作的基礎(chǔ)。

3.2 潛在破壞模式

順坡中傾角的斷層f(2)基本形成了貫穿的底滑面，在穩(wěn)定性分析中將具有控制作用。后緣發(fā)育斷層f(1)，其實(shí)際延伸范圍具有不確定性。

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，有以下三種典型破壞模式，其中底滑面相對明朗，由斷層f(2)控制。具體包括：

(1)潛在破壞模式A：以f(2)為底滑面，后緣拉裂面由f(1)主控，組合形成塊體滑移模式。

(2)潛在破壞模式B：以f(2)為底滑面，陡傾角優(yōu)勢節(jié)理為后緣拉裂面，組合形成塊體滑移模式。

(3)潛在破壞模式C：以f(2)和同產(chǎn)狀順坡節(jié)理為底滑面，陡傾角優(yōu)勢節(jié)理為后緣拉裂面，組合形成追蹤性臺階狀滑移破壞模式。

3.3 參數(shù)反演分析

該陡崖經(jīng)過漫長的地質(zhì)作用演化形成，在天然狀態(tài)下具備一定的整體穩(wěn)定性，但在暴雨條件下的穩(wěn)定性可能偏低，淺層局部存在一定滑移失穩(wěn)風(fēng)險。因此，可基于現(xiàn)狀邊坡概化模型，對該邊坡潛在破壞機(jī)制、穩(wěn)定現(xiàn)狀進(jìn)行復(fù)核，按暴雨工況下基本穩(wěn)定或臨界穩(wěn)定狀態(tài)(整體安全系數(shù)為1.0～1.05)進(jìn)行二維參數(shù)反演分析，巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)反演值見表4。

表4 巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)反演值

3.4 計算方案選定

針對現(xiàn)狀邊坡，初擬增加三排200t系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行試算，二維計算結(jié)果表明，暴雨工況條件下(最不利工況)邊坡安全系數(shù)有較明顯提高，可見錨索支護(hù)對潛在塊體滑移問題的控制效果較好，見表5。

表5 不同潛在破壞模式下邊坡安全系數(shù)對比

另外，相比較潛在破壞模式B，潛在破壞模式A的潛在塊體體積更大，在同等支護(hù)條件下對邊坡安全系數(shù)的提高程度偏弱。因此，在考慮到斷層f(1)向坡體延伸情況暫未完全確定的情況下，從確保工程安全的角度出發(fā)，后續(xù)數(shù)值計算分析將按潛在破壞模式A開展分析工作，巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)采用潛在破壞模式A所反演的參數(shù)，見表6。

表6 巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)綜合建議值

3.5 邊坡二維穩(wěn)定性分析

通過邊坡二維穩(wěn)定性分析，陡崖部位存在明顯塊體變形問題，表現(xiàn)為以f(2)為底滑面、由f(1)主控的后緣拉裂面組合的塊體滑移模式。同時，計算結(jié)果顯示，持久工況下現(xiàn)狀邊坡的安全系數(shù)為1.11；暴雨工況下現(xiàn)狀邊坡的安全系數(shù)為1.01；地震工況下現(xiàn)狀邊坡的安全系數(shù)為1.05；見圖2。由此可見，在無支護(hù)條件下，該現(xiàn)狀邊坡在持久工況和暴雨工況下穩(wěn)定性均不能達(dá)到規(guī)范要求，需要針對性進(jìn)行加固處理。

圖2 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析

鑒于現(xiàn)狀邊坡的陡崖部位存在較高的滑移破壞風(fēng)險，且部分計算工況下安全系數(shù)未達(dá)到規(guī)范要求，現(xiàn)場初擬兩種加固處理方案：

(1)方案一為支護(hù)錨固方案，主要增加3排200t系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固，間排距@5m×5m；

(2)方案二為開挖+支護(hù)方案，對潛在塊體進(jìn)行部分挖除，起到削坡減載的作用，并增加3排200t系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固，間排距@5m×5m。

通過對上述初擬的工程處理方案展開二維計算分析，研究發(fā)現(xiàn)潛在破壞模式具有一致性，仍為以f(2)為底滑面、由f(1)主控的后緣拉裂面組合的塊體滑移模式。

方案一在持久工況下，塊體安全系數(shù)為1.15；暴雨工況下，安全系數(shù)為1.05；地震工況下該塊體的安全系數(shù)為1.09。二維計算結(jié)果表明，方案一現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)有較明顯提高，錨索支護(hù)對潛在塊體滑移問題的控制效果較好，該塊體在各工況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，見圖3。

圖3 支護(hù)方案邊坡安全系數(shù)

方案二在持久工況下，邊坡的安全系數(shù)為1.31；暴雨工況下，安全系數(shù)為1.18；地震工況下該塊體的安全系數(shù)為1.22。二維計算結(jié)果表明，方案二現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)相比方案一有明顯提高，該塊體在各工況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，見圖4。但是，考慮到該塊體削坡減載的施工難度大、潛在工程風(fēng)險高、爆破開挖擾動損傷影響等多重因素，現(xiàn)場不建議采用。

圖4 開挖+支護(hù)方案邊坡安全系數(shù)

3.6 邊坡三維穩(wěn)定性分析

通過邊坡三維穩(wěn)定性分析，利用強(qiáng)度折減法對開口線外的現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算，研究發(fā)現(xiàn)主要潛在變形破壞模式與二維計算成果一致，仍為f(2)為底滑面、后緣拉裂面由f(1)和陡傾角優(yōu)勢節(jié)理組合，整體表現(xiàn)為塊體滑移破壞模式，潛在塊體體積約5萬m3，見圖5。

圖5 現(xiàn)狀邊坡典型潛在破壞模式

鑒于現(xiàn)狀邊坡整體穩(wěn)定性較差，現(xiàn)場可能出現(xiàn)塊體失穩(wěn)風(fēng)險，針對該塊體采取預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)處理方案(方案一)。

無支護(hù)方案在持久工況下，塊體安全系數(shù)為1.13；暴雨工況下，安全系數(shù)為1.02；地震工況下該塊體的安全系數(shù)為1.06。三維計算結(jié)果表明，該邊坡在持久工況和暴雨工況下穩(wěn)定性均不能達(dá)到規(guī)范要求，需要針對性進(jìn)行加固處理，同二維計算成果基本一致。

支護(hù)錨固方案在持久工況下，邊坡的安全系數(shù)為1.18；暴雨工況下，安全系數(shù)為1.08；地震工況下該塊體的安全系數(shù)為1.12。三維計算結(jié)果表明，通過預(yù)應(yīng)力錨索加固方案，現(xiàn)狀邊坡的安全系數(shù)有較明顯提高，錨索支護(hù)對潛在塊體滑移問題的控制效果較好，該塊體在各工況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，見表7，其成果略大于二維計算成果，這是由于該塊體在三維效應(yīng)下的約束所造成的，三維計算更接近真實(shí)性，而二維計算偏于保守。

表7 石料場開口線外邊坡三維穩(wěn)定性分析

4 加固處理方案

通過二維及三維計算成果表明，在陡崖部位增設(shè)3排200t預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的加固處理方案基本合適，邊坡安全系數(shù)在施工期和運(yùn)行期均能夠滿足規(guī)范要求。

另外，削坡減載雖然對該陡崖部位塊體穩(wěn)定性提升明顯，但考慮到該部位施工難度大、潛在工程風(fēng)險高、爆破開挖擾動損傷影響等多重因素，不建議采用，因此，加固處理方案為在陡崖部位增設(shè)3排200t預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，間排距@5m×5m。

5 邊坡變形監(jiān)測

為監(jiān)測石料場開口線外現(xiàn)狀邊坡的變形情況和支護(hù)效果，在陡崖處布置2個表面變形測點(diǎn)，3套多點(diǎn)位移計，在所增設(shè)的預(yù)應(yīng)力錨索中選擇3根布置錨索測力計。

經(jīng)過一年的觀測表明，錨索支護(hù)后的現(xiàn)狀邊坡表面變形最大位移10.4mm，深部變形最大位移0.79mm，錨索荷載均略小于鎖定荷載，測值較穩(wěn)定，因此，綜合分析該現(xiàn)狀邊坡變形量、位移量均較小，測值都趨于穩(wěn)定，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)二維及三維計算結(jié)果，石料場開口線外現(xiàn)狀邊坡可能存在失穩(wěn)情況，處于臨界狀態(tài)，表現(xiàn)為以f(2)為底滑面、由f(1)主控的后緣拉裂面組合的塊體滑移模式。

(2)根據(jù)二維及三維計算結(jié)果，在陡崖部位增設(shè)3排200t預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)后，邊坡安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，加固后邊坡安全系數(shù)增幅在0.04～0.05，現(xiàn)場采用在陡崖部位增設(shè)3排200t預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的加固處理方案基本合適。

(3)邊坡變形監(jiān)測表明，加固處理后的現(xiàn)狀邊坡變形量、位移量均較小，測值都趨于穩(wěn)定，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)工程邊坡后續(xù)開挖時，加強(qiáng)動態(tài)監(jiān)測、動態(tài)勘察、動態(tài)支護(hù)設(shè)計，確保邊坡穩(wěn)定。

(5)水電工程中石料場雖屬臨建設(shè)施，但地勘工作需引起重視，后期補(bǔ)救措施往往代價較高，料場勘探應(yīng)與開挖支護(hù)設(shè)計緊密結(jié)合。