西藏扎拉水電站陡傾層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及支護設(shè)計

徐鵬 胡田清 丁亞楠

收稿日期：2023-09-17

基金項目：

長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司自主創(chuàng)新項目（CX2020Z13）

作者簡介：

徐? 鵬，男，工程師，博士，主要從事水利水電工程施工導(dǎo)截流設(shè)計咨詢工作。E-mail：xupeng@cjwsjy.com.cn

引用格式：

徐鵬，胡田清，丁亞楠.

西藏扎拉水電站陡傾層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及支護設(shè)計

［J］.水利水電快報，2024，45（6）：38-42.

摘要：

為探究陡傾層狀巖質(zhì)邊坡支護設(shè)計及穩(wěn)定計算方法，結(jié)合扎拉水電站邊坡開挖支護工程，通過分析邊坡結(jié)構(gòu)類型，研究邊坡整體失穩(wěn)破壞模式，分別考慮錨桿抗拉和抗剪作用，分析錨固力對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，探究該邊坡順層滑移穩(wěn)定性及支護設(shè)計方案。計算結(jié)果表明：不同規(guī)范推薦的安全系數(shù)計算方法得到的邊坡穩(wěn)定分析結(jié)論基本一致，考慮錨桿抗剪作用計算得到的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)較大，且數(shù)值計算分析結(jié)果驗證了支護設(shè)計方案的合理性。研究成果可為類似邊坡治理工程提供參考。

關(guān)鍵詞：

順層巖質(zhì)邊坡； 順層滑動； 邊坡治理； 錨桿抗剪強度； 扎拉水電站

中圖法分類號：TV223

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.007

文章編號：1006-0081（2024）06-0038-05

0? 引? 言

高陡順層巖質(zhì)邊坡因其巖層傾向與坡向一致，屬于易滑邊坡，設(shè)計方案或施工措施不當(dāng)將會導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)［1］，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，因此高陡順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析及支護設(shè)計是巖土工程邊坡的重要研究問題之一［2-3］。順層巖質(zhì)邊坡破壞方式主要包括順層滑動和潰屈破壞，其中順層滑動指邊坡整體順層下滑［4］。王希寶等［4］總結(jié)了順層巖質(zhì)邊坡出露類型，給出了邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算方法，但未給出邊坡支護設(shè)計方案和處理措施；李劍偉等［5］結(jié)合某緩傾順層路塹邊坡，分析了邊坡破壞機理和穩(wěn)定性，提出了抗滑樁支護的治理措施。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計算方法被廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析和支護方案設(shè)計中［6］。張冬冬［7］采用FLAC3D，基于有限差分強度折減法，分析討論了抗滑樁對順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響。李云波等［8］采用slide軟件，基于極限平衡法，分析計算某水電站在正常運行及降雨工況下的穩(wěn)定性，但均未探究錨噴支護措施對巖質(zhì)邊坡順層滑移變形破壞的影響。

本文結(jié)合扎拉水電站邊坡開挖支護工程，計算陡傾層狀巖體順層滑移穩(wěn)定性，探究錨噴支護在破碎層狀巖質(zhì)邊坡支護工程中的適用性，以期為類似邊坡治理工程提供參考。

1? 工程概況

扎拉水電站壩址位于左貢縣碧土鄉(xiāng)扎郎村，為Ⅱ等大（2）型工程，壩址河床左岸設(shè)有一條導(dǎo)流隧洞。隧洞進口自然邊坡坡頂高程約2 862 m，邊坡坡度50°～70°，高程2 808 m，上部為卵漂石，下部大部出露砂質(zhì)板巖，局部地表覆蓋崩坡積塊石。邊坡采用臺階開挖，設(shè)計邊坡開挖最大高度約49.5 m，其中高程2 779.0 m以下為垂直坡，以上巖石邊坡設(shè)計開挖坡比約為1∶0.3。邊坡開挖支護設(shè)計典型斷面如圖1所示。

2? 工程地質(zhì)條件

河床左岸岸坡自然坡度50°～70°，上部為Ⅲ級

階地，巖性為第四系更新統(tǒng)沖積卵漂石，結(jié)構(gòu)密實；下部出露砂質(zhì)板巖，板理面傾向255°～285°，傾角70°～86°，沿河岸基巖面出露高程2 800～2 829 m。導(dǎo)流洞進口邊坡典型地質(zhì)剖面見圖2。

導(dǎo)流隧洞進口位于巖質(zhì)邊坡坡腳，坡面與板理面大致平行，巖層代表性產(chǎn)狀250°∠77°（視傾角67°）。巖體呈薄層板狀，板理面總體傾向坡外，傾角較陡，坡面巖體破碎，坡面巖體特征見圖3。

在施工前期的坡面清坡及施工便道開挖過程中，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)坡面發(fā)生局部開裂滑塌、掉塊，坡腳發(fā)生褶曲變形。結(jié)合邊坡地形及巖體特征，推測該變形是由開挖切層引起的坡面順層滑塌，以及開挖后支護不及時引起的坡面卸荷松弛。由此推斷，當(dāng)開挖導(dǎo)流洞進水塔垂直邊坡時，會造成陡傾層狀板巖下部大范圍切腳，開挖后邊坡有整體順層滑塌風(fēng)險。

考慮到進口邊坡為典型陡傾層狀巖體，巖體破碎且板理面發(fā)育，邊坡切腳后順層滑移風(fēng)險突出，而且，原始地形高陡，地下水位較高，不具備設(shè)置抗滑樁等典型抗滑措施的條件，因此選擇安全有效且經(jīng)濟合理的支護方案是本邊坡工程的重難點之一。然而，常用的邊坡支護設(shè)計方法中，關(guān)于錨桿、錨筋樁及錨索等柔性支護的抗滑原理及抗滑作用計算方法不一致，如何驗算錨噴支護作用下順層邊坡的抗滑穩(wěn)定性是本工程的另一難點。

3? 邊坡穩(wěn)定性驗算及支護設(shè)計

3.1? 計算剖面

導(dǎo)流洞進口邊坡設(shè)計開挖面傾向與板理面傾向夾角22°～52°，屬層狀順向-斜向結(jié)構(gòu)，邊坡在開挖坡腳時易發(fā)生順層滑移破壞，邊坡穩(wěn)定分析計算示意如圖4所示。邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)采用極限平衡法進行計算。

3.2? 計算參數(shù)

根據(jù)前期地質(zhì)勘察結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查情況，導(dǎo)流隧洞進口邊坡穩(wěn)定分析及支護方案設(shè)計所取邊坡巖石（體）物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3.3? 支護設(shè)計方案

根據(jù)邊坡結(jié)構(gòu)類型，結(jié)合現(xiàn)場施工條件，采用錨筋樁作為邊坡整體淺層支護。具體支護方案見表2。

3.4? 穩(wěn)定性計算及分析

現(xiàn)有規(guī)范對于層狀巖質(zhì)邊坡抗滑穩(wěn)定的分析計算方法稍有不同，且安全穩(wěn)定標準差異較大。為驗算本工程巖質(zhì)邊坡在錨桿、錨筋樁及錨索支護作用下的抗滑穩(wěn)定性，根據(jù)邊坡滑移失穩(wěn)特征，采用NB/T 10512-2021《水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》及NB/T 10391-2020《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)方法對邊坡穩(wěn)定性進行設(shè)計計算，同時采用數(shù)值計算方法對結(jié)果進行驗證，以確保相關(guān)設(shè)計計算成果的合理性和可靠性。

3.4.1? 根據(jù)邊坡設(shè)計規(guī)范驗算

采用NB/T 10512-2021《水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》推薦的楔形體法計算邊坡順層滑移穩(wěn)定安全系數(shù)。根據(jù)規(guī)范要求，邊坡在正常運行條件的持久狀況下，安全系數(shù)應(yīng)大于1.10；施工期的短暫狀況下，安全系數(shù)應(yīng)大于1.05。計算得到開挖邊坡不同支護參數(shù)下的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)結(jié)果見表3，其中錨桿（錨筋樁、錨索）加固作用按照桿體筋材抗拉來考慮。

從表3可以看出，邊坡開挖后若不及時采取支護措施，邊坡順層滑移穩(wěn)定安全系數(shù)遠低于規(guī)范要求，邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)的風(fēng)險較大。采用方案一支護可滿足邊坡在臨時短暫狀況下的安全穩(wěn)定要求，采用方案二支護后，邊坡在短暫及持久狀況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

總體來看，按照桿體筋材抗拉來考慮錨桿（錨筋樁）對邊坡的加固作用，計算得到加固后的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)整體偏小。這主要是由于潛在滑動面傾角較大，錨桿（錨筋樁）與滑動面間夾角較大，不計錨桿（錨筋樁）作用于滑動面的法向作用力，其抗拉力在滑動面切向方向分力較小，因此對邊坡順層抗滑穩(wěn)定作用有限。

3.4.2? 根據(jù)隧洞設(shè)計規(guī)范驗算

進口邊坡的潛在不穩(wěn)定塊體受底滑面約束，需考慮滑面上的黏聚力和摩擦力作用。塊體失穩(wěn)類型為滑移型，可參考塊體滑移理論，采用塊體穩(wěn)定安全計算方法進行邊坡順層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算。

根據(jù)NB/T 10391-2020《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》要求：施工完成前的短暫狀況下，塊體穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)大于1.35；施工完成后的持久狀況下，塊體穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)大于1.50。采用塊體滑移穩(wěn)定計算方法計算邊坡順層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，考慮錨桿（錨筋樁、錨索）抗剪加固作用，計算得到邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表4。

從表4可以看出，考慮錨桿（錨筋樁、錨索）抗剪加固作用后，計算得到的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)值較大，其中錨筋樁對邊坡抗滑穩(wěn)定加固作用較為明顯，這與以往工程實踐經(jīng)驗較為相符，但由于規(guī)范中塊體抗滑穩(wěn)定安全標準較高，采用方案一支護后，持久狀況下邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)仍不滿足規(guī)范要求，需補充錨索深層支護。

3.4.3? 數(shù)值計算

基于簡化畢肖普法（Bishop），采用軟件slide邊坡穩(wěn)定計算分析軟件，對開挖支護后進口邊坡進行抗滑穩(wěn)定分析計算。數(shù)值計算中基巖及層面采用Mohr-Column本構(gòu)模型，計算范圍為邊坡坡頂及坡腳水平向外延伸30 m，大于潛在滑動面范圍，模型底部及左右兩側(cè)邊界均采用固定位移約束，計算中所用材料的物理力學(xué)參數(shù)如圖5所示。從圖5中可知，采用錨桿及錨索聯(lián)合支護后，邊坡順層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算值為1.247，與表3中規(guī)范法計算結(jié)果基本一致，短暫狀況及持久狀況下邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

對比表3與表4，根據(jù)不同規(guī)范推薦的計算方法，分別考慮錨桿（錨筋樁、錨索）抗拉與抗剪加固作用的兩種方案計算得到的安全系數(shù)差別較大，但邊坡抗滑穩(wěn)定安全結(jié)論基本一致。經(jīng)數(shù)值計算驗證分析，采用方案二對開挖邊坡支護后，邊坡順層滑移安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，邊坡支護后處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。因此，進行邊坡順層滑移穩(wěn)定性計算時可分別考慮錨桿及錨筋樁的抗拉和抗剪加固作用，但二者對應(yīng)的安全穩(wěn)定標準稍有差異，進行支護設(shè)計及穩(wěn)定性驗算時應(yīng)參照對應(yīng)規(guī)范合理取值。

4? 結(jié)? 語

扎拉水電站導(dǎo)流洞進口邊坡為典型的陡傾破碎層狀巖質(zhì)邊坡，邊坡開挖時會因巖層切腳而引起邊坡整體順層滑動失穩(wěn)。采用規(guī)范法和數(shù)值計算方法對邊坡抗滑穩(wěn)定安全進行了計算和分析，得到如下結(jié)論。

（1） 相同滑移模式下，采用NB/T 10512-2021

《水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》及NB/T 10391-2020

《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》兩種不同規(guī)范推薦的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算方法，分別考慮錨桿在邊坡支護中的抗拉和抗剪加固作用，計算得到的安全系數(shù)差別較大，但邊坡安全穩(wěn)定分析結(jié)論基本一致，二者均可用于邊坡抗滑穩(wěn)定安全分析與支護方案設(shè)計。

（2） 基于極限平衡法，采用slide有限元軟件計算得到的邊坡順層滑移安全系數(shù)與規(guī)范法基本一致，可用于層狀巖質(zhì)邊坡順層滑移安全系數(shù)計算及穩(wěn)定性分析。

（3） 采用錨筋樁支護方案，導(dǎo)流洞進口邊坡滿足短暫狀況下安全穩(wěn)定要求，但持久狀況下邊坡安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，需補充錨索深層支護。

（4） 分析研究時導(dǎo)流洞進口邊坡開挖支護工程尚未完工，邊坡永久監(jiān)測尚未實施，后續(xù)可根據(jù)永久監(jiān)測結(jié)果進一步驗證設(shè)計方案合理性，為陡傾順層巖質(zhì)邊坡開挖支護設(shè)計方案的調(diào)整優(yōu)化提供依據(jù)。

參考文獻：

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［8］? 李云波，董泳，劉肖峰，等.基于Slide的水電站高邊坡穩(wěn)定性分析及支護方案研究［J］.水力發(fā)電，2023，49（3）：29-32，103.

（編輯：高小雲(yún)）

Stability analysis and support design of steeply dipping stratified rocky slopes of Xizang Zhala Hydropower Station

XU Peng1，2，HU Tianqing1，2，DING Yanan1，2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2. National Dam Safety Research Center，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to explore the support and design method of steep dip stratified rock slope，based on a slope project of Zhala Hydropower Station，the overall instability failure mode of slope was studied by analyzing the slope structure type，the stability and support design of the slope were explored and the impact of anchoring force on slope stability was analyzed by considering the tensile and shear strength of anchor bolt respectively. The calculation results showed that the conclusions of slope stability calculated by different methods were basically consistent. A higher safety factor was derived by considering the shear strength of anchor bolt，and the numerical analysis results verified the rationality of the support design. The research results can provide a reference for similar slope projects.

Key words：

bedding rock slope； bedding slide； slope treatment； shear resistance of bolt； Zhala Hydropower Station