窄沖水庫右壩肩危巖體穩定性分析

卓國鋒 李 凱 羅江波

(貴州省水利水電勘測設計研究院,貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

窄沖水庫右壩肩1 225 m高程以下為開挖形成的人工邊坡，高程1 225 m～1 345 m為陡峭的自然巖質邊坡,危巖體分布范圍大致為大壩壩軸線至上游取水口閘門井，順河向長約150 m,場區下伏基巖為泥盆系上統高坡場組第二段第3層(D3g2-3)的淺灰、灰白色中厚層白云巖夾灰質白云巖，夾泥質白云巖及泥巖夾層,多組節理裂隙發育,嚴重威脅壩體、取水閘門井及連接公路的安全。

2 危巖體工程地質特征

根據現場調查，結合危巖體分布位置、特征及失穩破壞模式等情況，壩肩危巖體分為4個區：1)上游碎裂危巖體區;2)倒懸危巖體區;3)側深切卸荷危巖體區;4)下游碎裂危巖體區。

2.1 上游碎裂危巖體區

上游碎裂危巖體區分布在1 260 m～1 325 m高程，相對高差約65 m，順河向長約28 m。碎裂危巖體法向深度0 m～3.5 m，平均約1.2 m。該區域節理裂隙、卸荷裂隙及溶蝕裂隙發育，強風化帶裂隙多數張開充填粘土夾碎石，局部為空隙。現狀條件下常發生掉塊、塊體崩落現象。

2.2 倒懸危巖體區

倒懸危巖體區主要分布在1 260 m～1 315 m高程，相對高差約55 m，順河向長約16 m。母巖體為淺灰、灰白色中厚層白云巖夾灰質白云巖，夾泥巖軟巖夾層，軟巖夾層厚10 cm～30 cm，間距0.5 m～3.0 m。在結構面切割、地下水浸透及重力作用下，泥質白云巖及泥巖風化較快于上部母巖體，差異性風化脫空形成多處“頭重腳輕”的倒懸巖體。

2.3 下游深切卸荷危巖體區

下游側深切卸荷危巖體區分布高程1 265 m～1 315 m，相對高差約50 m，順河向長約20 m，卸荷帶法向深度為5 m～25 m。卸荷裂隙很發育，其次為兩組側緣裂隙。卸荷裂隙產狀為N30°～40°E/NW∠78°～89°，張開寬度2 cm～25 cm，局部寬約70 cm，間距1.5 m～3 m，卸荷深度3 m～30 m不等，距離大壩相對高差80 m～120 m。層間軟巖夾層風化后形成空腔，順層可見侵蝕深度0.5 m～1.5 m。

2.4 下游碎裂危巖體區

下游碎裂危巖體區分布高程1 250 m～1 310 m，相對高差約60 m，順河向長約53 m。該區域節理裂隙、卸荷裂隙及溶蝕裂隙發育，在強風化帶多數張開充填粘土夾碎石，局部為空隙。

3 穩定性分析

以下采用定性和定量分析相結合的方法對各分區危巖體進行穩定性分析。

3.1 上游及下游碎裂危巖體區

上游碎裂危巖體區已清除了局部危巖體，目前整體處于較穩定的狀態。但在高程1 310 m～1 325 m表層強風化帶，主要受層面及3組裂隙切割，巖體形成三角形或四邊形危石塊體，大多數結構面已溶蝕貫通。松散危石堆疊在原地，局部受植物支擋防護作用，目前處于欠穩定狀態，存在潛在崩塌滾石危險。

下游碎裂危巖體區，目前整體處于基本穩定狀態，與上游碎裂危巖體區類似。但在高程1 295 m以上邊坡表層強風化帶，主要受結構面切割及根劈作用，局部存在危石塊體及孤石，體積0.5 m3～2 m3。大多松散危石堆疊在原地，局部受植物支擋防護作用，目前處于欠穩定狀態，存在潛在崩塌滾石危險。

3.2 倒懸危巖體區

危巖倒懸體易于產生拉裂式破壞，在不利結構面的切割作用下，進而產生墜落破壞。拉裂式崩塌的典型情況如圖1所示。以懸臂梁形式突出的巖體，在AC面上承受最大的彎矩和剪力，若頂層部受拉，底部受壓，A點附近拉應力最大。在長期重力和風化應力作用下，A點附近的裂隙逐漸擴大，并向深處發展。拉應力將越來越集中在尚未裂開的部位，一旦拉應力超過巖石的抗拉強度時，上部懸出的巖體就會發生崩塌。這類崩塌的關鍵是最大彎矩截面AC上的拉應力能否超過巖石的抗拉強度。故可以用拉應力與巖石的抗拉強度的比值進行穩定性檢算。假如突出的巖體長度為1,巖體等厚，厚度為h，寬度為1 m(取單位寬度)，巖石重度為r,計算模型見圖1。

其中，M為AC面上的彎矩，M=0.5l2rh;y為0.5h;I為AC截面的慣性矩;[σ拉]為巖石的允許抗拉強度。

危巖計算模型見圖2，穩定系數K值可用巖石的允許抗拉強度與該點所受的拉應力比值求得：

倒懸體主體為強風化巖石，抗剪強度為0.4 MPa～0.45 MPa,根據材料力學及相關工程經驗，巖石的允許抗拉強度取抗剪強度的1/2，則[σ拉]=0.2 MPa=2 000 kPa。

由以上分析計算可知，上游倒懸體區穩定系數K=1.14，巖體破壞模式主要為墜落，穩定系數偏小，安全儲備不足，倒懸危巖體區整體上處于欠穩定狀態。上述計算尚未考慮地下水、不利結構面、軟弱夾層、深切裂隙的不利作用，在這些不利因素的影響下，穩定系數大大削減，巖體實際的穩定系數應該是偏小的，可能產生拉裂式變形，產生墜落、滾動破壞，因此總體評價上、下游倒懸體區危巖處于欠穩定狀態。

3.3 深切卸荷危巖體區

由以上分析可知，深切卸荷危巖體區卸荷裂隙深切，在結構面組合切割及泥巖軟弱夾層共同作用下可能產生滑移、傾倒式破壞，采用如下計算模型進行分析計算，計算模型見圖3。對可能產生平面滑動的巖質邊坡宜采用平面滑動法進行計算，滑塊穩定系數K可按下列公式計算。

計算假定條件：巖體為條塊性切割體，非楔形體等塊體，不同斷面巖體截面基本相同，因此可采用單位長度進行穩定性計算。根據深切裂隙填充情況及張開度判斷，暴雨工況下危巖體后深切裂隙充水高度為2/3危巖體高度。天然工況下深切裂隙不充水。計算過程：

故在暴雨工況下，穩定系數K計算如下：

表1 危巖體穩定程度等級劃分表

對比表1的穩定程度劃分，采用Slide6.0計算軟件，通過直線滑動法自動搜索最小穩定系數，計算得F=1.126，與公式計算結果1.15較接近，但偏小，說明該危巖體安全儲備較小。故只從計算所得的K值來看，1.0≤F<1.2，巖體處于欠穩定狀態。天然工況下：泥巖軟弱夾層與坡向反向、進水平，裂隙充水高度較小，沒有下滑分力，穩定系數K≥1，處于穩定狀態。因此，綜合評價深切裂隙危巖體區整體處于欠穩定狀態，易產生傾倒、滑移等失穩破壞。

4 結語

1)根據右壩肩危巖體地質特征，將其分為四個分區，其穩定性主要受軟弱不利結構面(外傾裂隙、軟弱夾層)、地下水的不利影響控制。

2)采用定性和定量相結合的方法，綜合評價各分區的危巖體均處于欠穩定狀態，易產生崩塌滾石、墜落、傾倒、滑移等失穩破壞。

3)根據危巖體穩定性分析結論，上下游碎裂危巖體區建議采用錨桿+掛網噴混凝土、主動防護網方案、倒懸圍巖體區建議采用嵌補支墩+被動防護網方案、深切裂隙圍巖體建議采用錨索等深部主動加固方案，對局部分布的不穩定塊體建議清除。