某水庫右壩肩高邊坡穩(wěn)定性分析與治理措施

李 凱，徐 博，趙 松，張 威

(1.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002；2.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 前 言

近年來，由于我國工程建設(shè)項目規(guī)模的不斷擴大，高邊坡的穩(wěn)定性問題日益突出，其常常成為工程建設(shè)整體質(zhì)量和施工進度的主要影響因素[1-3]；然而高邊坡的穩(wěn)定性主要受邊坡工程地質(zhì)條件、邊坡結(jié)構(gòu)、軟弱(泥化)夾層、坡向坡型等眾多因素影響[4-6]。因此，高邊坡穩(wěn)定性分析長期以來是工程建設(shè)行業(yè)中十分重要的課題；對高邊坡的穩(wěn)定性進行研究，有利于加強邊坡的防治與管理，避免和減少邊坡失穩(wěn)帶來的人民生命財產(chǎn)安全的損失，對國民經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[7-8]。

1 邊坡工程地質(zhì)背景

1.1 邊坡概況

該邊坡位于貴州省某水庫右壩肩壩頂高程以上，分布高程為1 704～1 802 m，最大坡高為98 m，原始地形坡度為35°～40°。壩肩邊坡開挖范圍為高程1 704～1 730 m，開挖坡比為1:0.7～1:1.0；開挖過程中，受強降雨影響，壩肩邊坡及后緣出現(xiàn)多處裂縫，并伴隨有小型崩塌發(fā)生(見圖1)。

圖1 邊坡范圍及裂縫分布(單位：m)

1.2 邊坡工程地質(zhì)條件

邊坡原始地形坡度為35°～40°，局部開挖后坡度為45°～55°，屬中山峽谷地貌。

場區(qū)無深大斷裂及活動性斷裂通過，地震基本烈度為Ⅵ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較好。

工程場區(qū)有2種類型的地下水，分別為覆蓋層孔隙水和基巖裂隙水。其中覆蓋層孔隙水分布于黏土夾碎石、塊石的孔隙中，受大氣降雨補給；基巖裂隙水分布于巖體構(gòu)造裂隙和風(fēng)化帶裂隙中，受大氣降水和覆蓋層孔隙水補給?？菟诘叵滤挥谌躏L(fēng)化巖體內(nèi)；由于汛期受巖體差異風(fēng)化造成的裂隙發(fā)育程度不同的影響，因此地下水位于強風(fēng)化帶附近。

2 邊坡結(jié)構(gòu)及變形特征

2.1 邊坡結(jié)構(gòu)特征

邊坡覆蓋層厚度一般在0.5～8 m，為黏土夾碎石、局部地段夾塊石，碎石、塊石成分主要為全風(fēng)化玄武巖和強風(fēng)化玄武巖。該層結(jié)構(gòu)較松散、孔隙度大、透水性強、力學(xué)性質(zhì)較差，開挖后自穩(wěn)性較差。

邊坡下伏基巖為峨眉山玄武巖，強風(fēng)化層深厚，一般在3.5～20 m，巖體柱狀節(jié)理裂隙發(fā)育，呈破碎和鑲嵌結(jié)構(gòu)，開挖后自穩(wěn)性較差；下部的弱風(fēng)化巖體完整性則相對較好，呈較完整塊狀結(jié)構(gòu)，巖體厚度為5～15 m，產(chǎn)狀為300°～325°∠8°～20°(見圖2)。

圖2 邊坡巖土體典型剖面

邊坡巖體主要發(fā)育有4條軟弱夾層(RJ1～RJ4)，其厚度為10～30 cm，間距為5～6 m，延伸長度為40～100 m，軟弱夾層在已開挖區(qū)域露頭起伏較大，大致呈平行展布，起伏差約為0.5～2 m，傾角5°～15°。軟弱夾層在強風(fēng)化巖體內(nèi)呈褐黃色泥化狀態(tài)，含少量巖屑，呈軟塑～可塑狀，有一定光澤，含水量較大，局部出現(xiàn)點狀滲水，為強風(fēng)化帶內(nèi)地下水過水通道；軟弱夾層厚度向坡內(nèi)逐漸減小過渡至弱風(fēng)化巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙面，呈泥化薄膜狀尖滅。軟弱夾層主要是由地質(zhì)構(gòu)造、地下水、差異風(fēng)化等因素綜合作用的結(jié)果，在平面上與邊坡坡向一致，且呈緩傾角，為邊坡穩(wěn)定最不利的控制因素。

2.2 邊坡變形特征

受強降雨影響，壩肩邊坡及后緣出現(xiàn)多處裂縫(見表1)，軟弱夾層RJ2～RJ4處有明顯剪出錯動，位移約2～10 cm，坡面局部有鼓脹現(xiàn)象，在高程1 730 m附近伴隨有小型崩塌。

表1 主要裂縫特征統(tǒng)計

3 邊坡變形成因及模式分析

3.1 邊坡變形成因

邊坡變形范圍內(nèi)巖土體主要為黏土夾碎石、強風(fēng)化玄武巖等，黏土夾碎石結(jié)構(gòu)松散，強風(fēng)化巖體破碎，且?guī)r體內(nèi)軟弱夾層較發(fā)育，其力學(xué)性質(zhì)極差。

受汛期以來強降雨影響，地表水向下滲入坡體，因覆蓋層與強風(fēng)化巖體、強風(fēng)化巖體與軟弱夾層間的透水性差異較大，導(dǎo)致地下水在各接觸帶上發(fā)生匯集。邊坡巖、土體在降雨入滲作用下遭雨水浸泡達到暫態(tài)飽和狀態(tài)，其力學(xué)性質(zhì)降低，尤其是強風(fēng)化帶內(nèi)的軟弱夾層因地下水富集而發(fā)生的軟化作用更為突出，導(dǎo)致其抗剪強度顯著降低，為潛在滑動面的形成提供了有利條件；同時，強降雨引起地下水位迅速抬高，導(dǎo)致坡體內(nèi)孔隙水壓力增大，也加快了潛在滑動面的形成。

其次，強風(fēng)化巖體裂隙隨深度增加逐漸減小甚至趨于閉合，其透水性隨深度逐漸減弱，在一定深度上將發(fā)生地下水富集，該部位巖體裂隙在地下水的軟化侵蝕作用下，會造成巖體裂隙面的貫通，導(dǎo)致邊坡沿強風(fēng)化巖體裂隙滑動。另外，壩肩邊坡的開挖對坡腳進行了切坡改造，產(chǎn)生了新的臨空面，也加劇了邊坡變形開裂的發(fā)生。

因此，在邊坡自身巖土體結(jié)構(gòu)松散、易于形成滑移面的巖土組合、接觸帶附近巖土體的透水性差異，以及強降雨和人類工程活動等因素的共同作用下，使邊坡產(chǎn)生了變形開裂。

3.2 邊坡變形模式

邊坡的變形開裂主要是邊坡工程地質(zhì)條件、邊坡結(jié)構(gòu)特征、地下水活動、強降雨，以及人類工程建設(shè)活動等諸多因素共同發(fā)生作用的結(jié)果。在裂縫形成的初期，貫通性較差，地下水沿裂縫運輸不暢；在遭遇強降雨時，裂縫中的動水壓力驟然增加，底面出現(xiàn)揚壓力，巖土體力學(xué)性質(zhì)降低，坡體逐漸沿覆蓋層與強風(fēng)化巖體接觸帶、強風(fēng)化巖體與軟弱夾層接觸帶以及強風(fēng)化帶內(nèi)的貫通性裂隙面產(chǎn)生滑動變形，坡體滑動后，導(dǎo)致裂縫增大，降雨又沿裂縫大量滲入坡體，進一步導(dǎo)致邊坡變形加劇，乃至大規(guī)模滑動。

根據(jù)邊坡工程地質(zhì)條件、邊坡結(jié)構(gòu)特征、以及邊坡變形破壞因素等綜合分析，該邊坡變形類型為滑動變形，主要有以下3種滑移面。

(1)沿覆蓋層與強風(fēng)化接觸帶滑動(上滑面)，滑移面形態(tài)主要受覆蓋層及下伏基巖控制，為非圓弧形。

(2)沿軟弱夾層及裂隙面滑動(下滑面)，滑移面形態(tài)主要受軟弱夾層及裂隙控制，為非圓弧形。

(3)沿強風(fēng)化帶內(nèi)的滑動(圓弧形滑面)，滑移面形態(tài)主要受強風(fēng)化帶內(nèi)的貫通性裂隙面控制，為圓弧形。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 計算模型及工況

根據(jù)邊坡地質(zhì)環(huán)境條件和結(jié)構(gòu)特征，選取3條均布于邊坡的縱向剖面作為邊坡穩(wěn)定性計算剖面。

根據(jù)SL 386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》，該邊坡位于水庫壩頂高程以上，在水庫運行期間不存在水位起落，按非臨水邊坡考慮；場區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，不考慮非常運用條件Ⅱ。因此，邊坡運用條件(計算工況)為正常運用條件和非常運用條件Ⅰ，分述如下。

(1)正常運用條件:天然工況；

(2)非常運用條件Ⅰ:由降雨等原因引起的邊坡巖土體飽和工況。

4.2 計算參數(shù)

計算參數(shù)主要根據(jù)室內(nèi)試驗和現(xiàn)場大剪試驗結(jié)果，結(jié)合邊坡巖土結(jié)構(gòu)特征及有關(guān)工程經(jīng)驗綜合確定，本次邊坡穩(wěn)定性計算采用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值見表2。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值

4.3 計算方法及結(jié)果

本次計算主要采用極限平衡法(Simplified Bishop、Morgenstern-Price)對邊坡潛在滑移面進行穩(wěn)定性計算，計算的潛在滑移面包括上滑面和下滑面(Morgenstern-Price)、強風(fēng)化帶內(nèi)的圓弧形滑面(Simplified Bishop)。根據(jù)巖土體物理力學(xué)參數(shù)分別對該邊坡在不同工況下穩(wěn)定性進行計算，并將3條代表性剖面在不同工況下的計算結(jié)果統(tǒng)計于表3中。

表3 不同工況下各剖面穩(wěn)定性計算結(jié)果

4.4 穩(wěn)定性分析

根據(jù)SL 386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》，結(jié)合水工建筑物級別，確定該邊坡為4級邊坡，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標準見表4。

表4 4級邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標準

通過計算分析可知:在正常運用條件下，邊坡各剖面最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.936～1.054，最不利滑面主要集中于各剖面上滑面和下滑面，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于1.0，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，計算結(jié)果與邊坡現(xiàn)狀變形特征一致，邊坡穩(wěn)定主要受軟弱夾層及深厚覆蓋層影響。在非常運用條件Ⅰ下，邊坡各剖面最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.909～0.987，邊坡所有滑面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于1.0，邊坡整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此受強降雨影響，邊坡將失穩(wěn)滑動。根據(jù)以上分析結(jié)果，應(yīng)采取適當措施對該邊坡進行治理。

5 治理措施與效果

邊坡穩(wěn)定主要受軟弱夾層、深厚覆蓋層及強降雨影響，治理重點應(yīng)盡可能清除上覆不穩(wěn)定體，加固軟弱夾層及其他不利結(jié)構(gòu)面，建立邊坡截排水系統(tǒng)(見圖3)。

圖3 邊坡治理典型剖面

邊坡治理主要采取削方減載+掛網(wǎng)噴漿+錨桿格構(gòu)梁+錨筋樁+截排水系統(tǒng)等綜合治理方案。方案為:在邊坡高程1 704～1 774 m段，按坡率1:1進行削方，高程1 774～1 784 m段，按坡率1:1.2削方，要求每10 m坡高設(shè)置一條寬度3 m的馬道；在削坡坡面進行掛網(wǎng)噴漿并設(shè)置錨桿格構(gòu)梁，錨桿長度為14～20 m，間排距為2.5 m×2.5 m，錨桿應(yīng)布置于格構(gòu)梁節(jié)點上，其中高程1 704～1 744 m段采用3束錨筋錨桿，高程1 744 m以上采用單束錨筋錨桿，格構(gòu)梁斷面尺寸為300 mm×400 mm；在高程1 704 m坡腳平臺布置錨筋樁，樁頂采用冠梁連接；在坡面布置淺、深層排水孔，深度分別為3 m、10 m，在邊坡外圍布置截水溝，坡面中部位置布置豎向排水溝，各級馬道內(nèi)側(cè)布置平臺排水溝并連接豎向跌水溝，最后導(dǎo)入場外排水系統(tǒng)。

對治理后的邊坡穩(wěn)定性進行計算得出:在正常運用條件下，邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.163～1.172；在非常運用條件Ⅰ下，邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.118～1.121。計算結(jié)果表明:經(jīng)治理后的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)顯著提高，滿足規(guī)范要求，邊坡治理措施合理。另外，監(jiān)測成果表明:邊坡變形較小，邊坡至今運行良好。

6 結(jié) 論

(1)該邊坡主要為3種滑移面，即沿覆蓋層與強風(fēng)化接觸帶滑動(上滑面)、沿軟弱夾層及裂隙面滑動(下滑面)、沿強風(fēng)化帶內(nèi)的滑動(圓弧形滑動)。

(2)邊坡自身的巖土體結(jié)構(gòu)松散、易于形成滑移面的巖土組合、接觸帶附近巖土體透水性的差異，以及強降雨和人類工程活動等因素，是導(dǎo)致邊坡變形開裂的關(guān)鍵。

(3)遭遇強降雨時，裂縫中的動水壓力增加，巖土體力學(xué)強度降低，使裂縫變形加劇，隨著裂縫變形的增大，降雨又沿裂縫大量滲入坡體，進一步導(dǎo)致邊坡變形加劇甚至出現(xiàn)大規(guī)?；瑒印?/p>

(4)在正常運用條件下，邊坡各剖面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不能滿足規(guī)范的要求，且上滑面和下滑面處于不穩(wěn)定狀態(tài)；在非常運用條件Ⅰ下，邊坡各剖面均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡將失穩(wěn)滑動。

(5)邊坡治理采取削方減載+掛網(wǎng)噴漿+錨桿格構(gòu)梁+錨筋樁+截排水系統(tǒng)等綜合治理方案，治理措施合理，邊坡至今運行良好。