巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析及防治措施研究
——以洋溪水利樞紐船閘下引航道高邊坡為例

魏 宇，曾令濤

（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

0 引言

人工高邊坡是水利樞紐區(qū)內(nèi)非常突出的巖土工程問題之一，其中巖質(zhì)高邊坡一直是該領(lǐng)域研究熱點之一[1-4]。分析巖質(zhì)高邊坡過程中不管劃分邊坡風(fēng)化帶還是卸荷帶，最終都是為了明確邊坡潛在的失穩(wěn)模式[5-8]。在此過程中巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計與分析，通常用來確定復(fù)雜結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡的破壞模式[9-11]。優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面是力學(xué)性質(zhì)相對薄弱的結(jié)構(gòu)面，該結(jié)構(gòu)面往往成為優(yōu)先破壞的位置，為巖質(zhì)邊坡不連續(xù)變形邊界，常導(dǎo)致巖質(zhì)邊坡表現(xiàn)為塊體式失穩(wěn)[12]。經(jīng)過對優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的有效組合分析，得出巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的控制型結(jié)構(gòu)面是分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡破壞模式的有效手段。

在分析巖質(zhì)邊坡塊體破壞模式和安全性計算中，剛體運動法和數(shù)值計算法是目前普遍采用的塊體穩(wěn)定定性評價方法[13-14]。其中赤平投影技術(shù)為塊體穩(wěn)定性分析方法的一種，通常用于定性分析巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，具備直觀快速的特點[15]。而對于數(shù)值計算法，極限平衡法和強度折減法是目前最常用的分析手段[16]，其中極限平衡法因剛性假設(shè)符合巖質(zhì)邊坡塊體運動，同時計算結(jié)果具備偏于保守的特點，相較于強度折減法更實用于水利樞紐區(qū)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評估。

基于此，本文以洋溪水利樞紐工程船閘下引航道高邊坡為案例。在現(xiàn)場勘察獲取邊坡詳細(xì)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，利用赤平投影技術(shù)及極限平衡法對洋溪水利樞紐引航道高邊坡多組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分析，得出邊坡控制型結(jié)構(gòu)面。隨后進(jìn)行了穩(wěn)定性評估，同時提出合理的支護(hù)措施。

1 工程概況及工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況及地形地貌

洋溪水利樞紐工程位于柳江流域都柳江下游河段，是以防洪為主，兼顧發(fā)電、航運等綜合效益的大型水利工程。樞紐建筑物包括擋水壩（混凝土重力壩）、泄水建筑物、發(fā)電廠房、船閘及魚道等，水庫正常蓄水位為163.00 m，汛限水位為153.00 m，水庫總庫容為8.5 億m3，其中防洪庫7.8 億m3，電站總裝機容量100 MW，設(shè)計通航標(biāo)準(zhǔn)為1000 t 船舶，最大壩高75.5 m。因受限于地質(zhì)條件，船閘下引航道永久臨水邊開挖最大坡高122 m，受發(fā)育的結(jié)構(gòu)面影響，巖體切割嚴(yán)重，邊坡穩(wěn)定性問題較為突出，因此船閘引航道高邊坡穩(wěn)定性是該項目重大工程地質(zhì)問題之一。

工程區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中低山峽谷地形，兩岸山頂高程200～550 m，河谷深切70～400 m，呈寬度“V”型橫向～斜向谷。壩址處河流與巖層走向呈70°～80°交角，屬橫向谷，河谷基本對稱，呈開闊“V”型谷，兩岸山坡坡度35°～45°，植被茂盛。左岸山頂高程426.2 m，山體較雄厚完整；右岸山頂高程308 m，山體受沖溝切割，完整性較差。

1.2 地層巖性及構(gòu)造

引航道邊坡覆蓋層為殘坡積層（Qedl）含碎石、塊石黏土，硬塑～堅硬，層厚為0.3～2.5 m，基巖主要出露震旦系中統(tǒng)南沱組第四層（Z2n4）青灰～灰色含礫泥質(zhì)粉砂巖夾含礫泥質(zhì)砂巖，產(chǎn)狀N11°～30°E，SE∠22°～32°?；鶐r風(fēng)化較嚴(yán)重，邊坡上部99 m 幾乎為全～強風(fēng)化基巖，巖體較破碎，下部23 m 為弱～微風(fēng)化基巖。因此層面以及相關(guān)節(jié)理面都為潛在優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面。

此外，邊坡因位于廣西“山”字型構(gòu)造北端與新華夏構(gòu)造體系之復(fù)合部位，屬于桂北臺隆九萬大山穹褶帶，故基巖斷層及節(jié)理較為發(fā)育。經(jīng)地質(zhì)測繪、平硐PD02、PD07 編錄以及鉆孔電視發(fā)現(xiàn)，邊坡區(qū)內(nèi)發(fā)育較大斷層一條，控制性節(jié)理4 組。優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況見表1。

表1 優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況

由表1 可知，引航道邊坡發(fā)育兩組陡傾角節(jié)理J1、J3；①組緩傾角節(jié)理J2，以及一條陡傾斷層。在優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面作用下，邊坡處于風(fēng)險狀態(tài)。另外，結(jié)合勘察發(fā)現(xiàn)，斷層F3位于邊坡后部，故對斜坡切割程度相對較小。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），洋溪水利樞紐工程區(qū)內(nèi)地震動峰值加速度為0.05 g，相應(yīng)地震基本烈度Ⅵ度，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性較好。因此邊坡穩(wěn)定性受地震影響較小。

1.3 水文地質(zhì)條件

邊坡因受構(gòu)造及巖體風(fēng)化程度的影響，地下水類型較為簡單，以構(gòu)造裂隙水為主，無承壓性，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面為裂隙水主要附存介質(zhì)。主要接受大氣補給及都柳江河水補給。根據(jù)平硐PD07 長期觀測，發(fā)現(xiàn)在強～弱風(fēng)化巖體中，枯水期平硐壁潮濕，在豐水期局部見線狀流水。此外，經(jīng)現(xiàn)場鉆孔壓注水試驗發(fā)現(xiàn)，邊坡的全風(fēng)化巖體屬弱～中等透水為主，強風(fēng)化巖體多屬中等透水，微風(fēng)化巖體以弱～微透水為主?？梢园l(fā)現(xiàn)基巖在構(gòu)造與風(fēng)化作用下，各個優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面連通性相對較好。地下水多沿裂隙面以下降泉（滲出或流出）的形式排泄，現(xiàn)場長期觀測發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)主要泉水特征見表2。

表2 壩址區(qū)泉眼出露及流量

下引航道高邊坡位于壩址右岸下游，由表2 可知，在豐水期，基巖裂隙水排泄為57 L/min，基于此可以發(fā)現(xiàn)，斜坡在豐水期期間地下水滲流量較高。引航道邊坡穩(wěn)定性受降雨及引航道內(nèi)水位漲落影響明顯。根據(jù)前人研究，基巖裂隙水對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在地下水揚壓力及水巖相互作用弱化巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)性質(zhì)影響邊坡穩(wěn)定性[16-19]。因此降雨以及水位漲落對引航道邊坡穩(wěn)定性影響明顯。

1.4 不良地質(zhì)作用

下引航道邊坡為工程邊坡，邊坡開挖期間施工對邊坡穩(wěn)定性影響也不容忽視，如坡腳開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響。洋溪水利樞紐船閘下游引航道邊坡高度大于100 m，邊坡自226 m 高程分11 級開挖至125.4 m 高程，每一級邊坡高度為10 m，并設(shè)置2 m 寬的馬道，船閘底部高程為125.4 m。邊坡由246 m 高程到157 m 高程開挖坡比為1∶1.5；157 m 高以下開挖坡比為1∶1。其中，上壩公路高程為176 m，上壩公路寬度為10.5 m。典型地質(zhì)剖面圖見圖1。

圖1 洋溪水利樞紐船閘下引航道高邊坡典型地質(zhì)剖面圖

綜上所述，引航道邊坡穩(wěn)定性受優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面控制明顯，存在失穩(wěn)風(fēng)險，需要進(jìn)行穩(wěn)定性評估。必要時下還需采取相應(yīng)治理措施。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

目前國際上對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價方法主要包括剛體運動法和數(shù)值模擬法，其中赤平投影技術(shù)是剛體運動法中最常見的一種，且主要表現(xiàn)在對巖質(zhì)邊坡的定性分析[14，20]。另外，極限平衡分析法在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定量分析中也備受認(rèn)可。本文將以上述兩種方法開展對引航道邊坡穩(wěn)定性的分析。

2.1 赤平投影

結(jié)合巖體塊體理論可以發(fā)現(xiàn)，巖體的滑動可分為平面滑動和楔形體滑動，引航道邊坡因受多組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面控制，通常情況下會形成楔形滑體失穩(wěn)。結(jié)合上文所述邊坡優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面可知，引航道邊坡可能組合成的楔形滑動模式主要有：①模式1，J1節(jié)理面+層面S0；②模式2，J2節(jié)理面+層面S0；③模式3，J3節(jié)理面+層面S0；④模式4，J1節(jié)理面+J2節(jié)理面；⑤模式5，J1節(jié)理面+J3節(jié)理面；⑥模式6，J2節(jié)理面+J3節(jié)理面。

經(jīng)赤平投影分析，各模式赤平投影圖（邊坡傾向14°，南視）見圖2。由圖2 可知模式2、模式4、模式6 組合結(jié)構(gòu)面作用下邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其余模式所形成的楔形體基本穩(wěn)定?？梢园l(fā)現(xiàn)存在J2節(jié)理面的組合結(jié)構(gòu)面控制著下引航道邊坡穩(wěn)定性，J2為控制型結(jié)構(gòu)面。各模式與剖面交角均在合理范圍內(nèi)，計算結(jié)果能較好地反映實際情況。

圖2 各模式赤平投影圖

經(jīng)過赤平投影定性分析后發(fā)現(xiàn)，下引航道邊坡穩(wěn)定性開挖后不滿足工程要求，因此采取相應(yīng)的治理措施：176 m 高程以上邊坡由草皮護(hù)坡，并設(shè)置3 m×3 m的混凝土框格梁。176 m高程以下邊坡為巖質(zhì)邊坡，由噴混凝土鋼筋網(wǎng)加3 m×3 m 的混凝土框格梁護(hù)坡。同時，設(shè)置長度為2 m、間距為1.5 m×1.5 m和長度為6 m、間距為3 m×3 m的砂漿錨桿，以及設(shè)置間距3.5 m×5 m 的預(yù)應(yīng)力錨索，預(yù)應(yīng)力為2700 kN。邊坡開挖后支護(hù)剖面圖見圖3。

圖3 支護(hù)后剖面圖

赤平投影技術(shù)對邊坡穩(wěn)定性的分析僅停留在定性分析上，有關(guān)于降雨、地下水以及支護(hù)措施等對邊坡的影響赤平投影技術(shù)無法體現(xiàn)，因此基于二維、三維數(shù)值模擬采用極限平衡法，對含有節(jié)理面J2的組合模式（模式2、模式4、模式6）在不同工況作用下對邊坡的影響進(jìn)行進(jìn)一步定量評價。

2.2 極限平衡法

2.2.1 二維極限平衡計算

利用Geo-studio 數(shù)值模擬軟件中slope 模塊進(jìn)行計算，所用分析方法為簡化畢肖普法。

邊坡開挖后，計算工況主要考慮邊坡支護(hù)前后暴雨工況及支護(hù)后汛期工況。其中對于暴雨工況擬合降雨及地下水對邊坡的影響。對于巖質(zhì)邊坡降雨及地下水沿優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面對邊坡的作用通常表現(xiàn)為靜水壓力作用[17]。依據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》（SL386-2007），對南方多雨地區(qū)，或氣象記錄有連續(xù)大雨5 h以上，且地面未設(shè)防滲層時，地下水位可升至地面。降雨時，臨時地下水位高出地下水位△h，以下各深度地下靜水壓力按βγ△h計算。對于淺層滑移，β取0.6，對于深層滑移β取0.2。支護(hù)后汛期工況，則依據(jù)設(shè)計洪水位利用結(jié)構(gòu)面飽水進(jìn)行計算，同時設(shè)置常水位工況對照組。根據(jù)工程經(jīng)驗和相關(guān)資料，天然工況各優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)見表1。

首先，對模式2、模式4、模式6利用二維極限平衡法分別計算邊坡開挖前后抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。經(jīng)計算，開挖前自然邊坡，模式6 安全系數(shù)最小，為1.556（見圖4）；開挖后工程邊坡，模式4安全系數(shù)最小，為1.211（見圖5）。

圖4 模式6開挖前計算云圖

圖5 模式4開挖后計算云圖

然后，按支護(hù)前后暴雨工況及支護(hù)后汛期工況（含正常水位和設(shè)計洪水位）分別對模式2、模式4、模式6邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算，計算結(jié)果見圖6～圖17。

圖6 模式2正常水位計算云圖

圖8 模式2支護(hù)前暴雨工況計算云圖

圖9 模式2支護(hù)后暴雨工況計算云圖

圖11 模式4設(shè)計洪水位計算云圖

圖12 模式4支護(hù)前暴雨工況計算云圖

圖13 模式4支護(hù)后暴雨工況計算云圖

圖14 模式6正常水位計算云圖

圖15 模式6設(shè)計洪水位計算云圖

圖16 模式6支護(hù)前暴雨工況計算云圖

圖17 模式6支護(hù)后暴雨工況計算云圖

經(jīng)計算，模式2、模式4、模式6在不同工況下邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表3。由表3 可知，支護(hù)后邊坡在不同工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》（SL386-2007）的要求，說明上述支護(hù)措施滿足要求。

表3 模式2、模式4、模式6不同工況下邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

綜上所述，二維極限平衡法進(jìn)一步驗證了赤平投影評價結(jié)果，同時得出暴雨工況對邊坡穩(wěn)定性影響最大，其次為水位漲落。當(dāng)潛在滑動面位于坡腳時，因水對坡腳的支撐作用使得模式4 中汛期工況下安全系數(shù)高于常水位工況。

由上述可知，節(jié)理J2為控制型結(jié)構(gòu)面。為綜合分析節(jié)理J1、J2、J3和層面S0組合結(jié)構(gòu)面對邊坡的影響，下面進(jìn)行三維極限平衡進(jìn)一步分析。

2.2.2 三維極限平衡計算

為進(jìn)一步分析支護(hù)后控制型結(jié)構(gòu)面J1、J2、J3和層面S0邊坡穩(wěn)定性的影響，本文通過切分滑動塊體，利用3D slope 程序采用簡化簡布法進(jìn)行三維極限平衡計算。

滑動塊體按照實際的支護(hù)設(shè)計方案考慮了錨索支護(hù)措施。對于錨索的加固主要通過對滑動塊體沿錨索的延伸方向施加預(yù)應(yīng)力，每根錨索設(shè)定相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力。正常運用條件下應(yīng)考慮的荷載組合為基本組合，荷載包括：自重、邊坡地下水壓力（取孔隙水壓力為0.1）、加固力。非常運用條件為施工期的荷載組合，荷載包括：自重、施工期邊坡地下水壓力。計算參數(shù)見表1。經(jīng)3D slope 三維建模后塊體位置及滑動方向見圖18，側(cè)視圖及底滑面示意圖見圖19。經(jīng)計算，控制結(jié)構(gòu)面組合模式邊坡支護(hù)后，正常工況和暴雨工況邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.492、1.304，均大于《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》（SL386-2007）的要求。驗證了支護(hù)措施的有效性。

圖18 三維建模塊體位置及滑動示意圖

圖19 塊體側(cè)視圖及底滑面示意圖

3 結(jié)論

本文采用赤平投影技術(shù)及極限平衡法對洋溪水利樞紐船閘下引航道高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評估，結(jié)果表明：洋溪水利樞紐船閘下引航道高邊坡優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面主要發(fā)育5 組，其中節(jié)理J2為控制型結(jié)構(gòu)面；下引航道高邊坡在暴雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。對該邊坡采取相應(yīng)支護(hù)措施，經(jīng)二維、三維極限平衡計算，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，驗證了該支護(hù)措施安全有效。