俄魯石料場開挖邊坡穩定分析研究

沈 玲 張懷芝

某水電站位于四川省甘孜藏族自治州境內的大渡河干流上，工程等別為二等，工程規模為大（2）型；水庫正常蓄水位2 078 m，總庫容為2.181 億m3，正常蓄水位以下庫容1.973 億m3，電站裝機容量720 MW。水電站樞紐建筑物主要由攔河壩、溢洪道、泄洪放空洞、輸水系統、地下廠房等組成。大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高97 m。地震基本烈度Ⅶ度。

本工程混凝土骨料和壩體填筑料均開采于俄魯石料場，該料場位于壩體上游約700 m 處，長約750 m，寬約430 m，分布高程2 030～2 560 m，坡度35°～60°，表部植被不發育，料場巖性分別為大理巖、片麻巖、石英巖及少量二云石英片巖。料場規劃開采量758 萬m3，規劃開采高程為2 045～2 255 m，最大開挖邊坡210 m，開挖邊坡綜合坡比1∶0.5，開挖的后緣和兩側邊坡走向分別為NE48°和NW318°。由于該料場距離大壩較近，且規劃開采高程低于正常蓄水位達33 m，為確保大壩的安全運行，對該高邊坡的穩定性進行分析研究是非常必要的。

1 工程地質概況

俄魯石料場出露地層巖性主要為地層為泥盆系危關群第四巖組（Dwg4）：分別為大理巖、片麻巖、石英巖及少量二云石英片巖，性狀與壩址區相同。在山體表部及沖溝內分布有厚0.5～10 m 的崩、坡積碎塊石土，碎塊石成分為大理巖、石英巖、片麻巖，塊碎石含量大于50%，直徑一般為50～100 cm，個別直徑大于2 m，土為灰黃色粉土。料場內出露F51、F52、F53 和F54 四個斷層。

強風化帶垂直厚度一般0～10 m，弱風化帶垂直厚度一般50～100 m，水平厚度一般50～100 m。強卸荷水平厚度一般5～10 m。在二云石英片巖中卸荷、風化深度加大。自然邊坡穩定，地下水埋藏較深。

2 邊坡級別的確定

根據水工樞紐布置情況及DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設計規范》，俄魯石料場位于壩址上游右岸約700 m 處，靠近工程樞紐區，且料場規劃開采的底高程低于水庫正常蓄水位，料場邊坡失穩后產生危害性涌浪可危及大壩（1 級建筑物）的安全，故俄魯石料場邊坡屬B 類水庫邊坡，安全級別為Ⅰ級，確定安全系數設計標準見表1。

表1 荷載組合及安全系數

3 邊坡失穩模式分析

料場開挖的后緣及上、下游側邊坡走向分別為NE48°、NW300°和NW355°，平均綜合開挖坡比1∶0.5。巖 層 產 狀NW340°～350°NE∠40°～65°，后緣邊坡巖層走向與邊坡夾角為68°～58°，為大角度相交，則后緣邊坡滑動的可能性較小；上游側邊坡與巖層走向夾角為40°～50°，也為大角度相交，則上游側邊坡滑動的可能性較小；下游側邊坡與巖層走向夾角為5°～15°，且下游側邊坡巖層傾角略小于邊坡傾角，因此，存在以巖層面為底滑面滑動的可能性。

斷層F52 較短，料場開采時已基本挖除。斷層F51、F53 穿過石料場規劃開采的后緣邊坡，與后緣邊坡夾角為40°～43°，為大角度相交，發生平面滑動的可能性較小。F54 斷層產狀為NW325°NE∠45°，穿過石料規劃開采的下游側邊坡，走向與下游側開采邊坡夾角為30°，傾向邊坡外側，因此，存在以F54 為底滑面滑動的可能性。

分析巖層結構面與斷層F54 結構面，得到其交線走向為NW300°、傾角42°，與下游側邊坡走向的夾角為55°，夾角較大，不會形成楔形體滑動。

4 基本資料

4.1 EMU基本原理

EMU(Energy MethodUpper Bound Limit Analysis)由中國水利水電科學研究院研制，是將塑性力學的上限定理運用到邊坡穩定分析領域，即邊坡穩定分析的能量法。這種方法將滑動巖（土）體劃分為一種多塊體模式，然后基于摩爾-庫侖破壞準則及相關聯流動法則，構造一個協調位移場，根據虛功原理，求出邊坡安全系數的上限，用于巖質邊坡的穩定分析。

4.2 計算參數選取

根據本工程地質勘探試驗，俄魯石料場巖體物理力學參數見表2。

表2 俄魯石料場巖體物理力學性質參數表

俄魯石料場巖石裂隙較為發育，而裂隙巖體結構面力學參數的合理取值對整個邊坡穩定性分析起著至關重要的作用。結合本工程實際地質情況，計算參數選取主要考慮結構面以及非貫通斷續結構面（裂隙面）的連通率對巖體強度的影響，計算方法見式（1）和式（2）。

式中 Cj、fj——裂隙面的凝聚力與摩擦系數；

C、f——巖體的凝聚力與摩擦系數；

K——裂隙的連通率。

在本文料場開挖邊坡分析計算中，偏于安全角度考慮，俄魯石料場的巖體強度采取整體折減，利用飽和抗剪斷強度參數，得到折減后的各巖體力學指標見表3，各工況計算均采用表3 的數值。

表3 考慮裂隙后俄魯石料場巖體物理力學性質參數表

4.3 計算工況及荷載組合

根據DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設計規范》規定，結合俄魯石料場特性，按下列工況進行設計。

4.3.1 施工期

4.3.1.1 施工期持久工況

俄魯石料場地下水埋藏較深，在2 020 m 高程以下，均處在規劃開挖底高程以下，因此施工期持久工況時不考慮地下水作用。不考慮岸坡外水壓力，本工況主要考慮自重作用。

4.3.1.2 施工期降雨工況

主要考慮施工期暴雨或久雨工況，采用孔壓系數法，孔壓系數按0.1 考慮。

4.3.1.3 施工期地震工況

采用基本烈度作為設計烈度為Ⅶ度，水平向地震加速度為0.1g。采用擬靜力法考慮地震力作用，并同時考慮水平和豎向地震力。根據DL 5073—2000《水工建筑物抗震設計規范》規定，水平地震力系數取0.025 和豎直地震力系數取0.016 7。

4.3.2 運行期

4.3.2.1 運行期持久工況

主要為邊坡正常運用工況，此時采用基本組合設計，為自重+岸坡外水壓力+地下水壓力。

4.3.2.2 運行期降雨工況

主要考慮運行期暴雨或久雨工況，此時應用基本組合設計；采用孔壓系數法，孔壓系數按0.1考慮。

4.3.2.3 運行期地震工況

主要為運行期水庫放空時遭遇地震情況，此時應采用偶然組合設計。

4.4 計算剖面

根據本文邊坡失穩模式分析，選擇俄魯石料場規劃開采的下游側邊坡為計算對象，計算剖面如圖1 所示。

圖1 計算剖面

5 邊坡穩定性計算及分析

存在兩種失穩模式，分別為：（1）邊坡以F54斷層為底滑面，在后緣邊坡巖體內自動搜索得到后緣滑動面；（2）邊坡以巖層結構面為底滑面，在后緣邊坡巖體內自動搜索得到后緣滑動面。失穩模式簡圖如圖2、3 所示。

圖2 失穩模式①

圖3 失穩模式②

采用EMU 程序，邊坡穩定計算結果見表4。

表4 各工況邊坡穩定計算結果

從以上分析結果可知，俄魯石料場開挖邊坡整體穩定性較好，在各種工況下計算得到的不同破壞模式下的完全系數均高于規范要求，發生較大規模的滑動破壞的可能性較小。

6 邊坡支護建議

從開挖邊坡失穩模式和計算結果分析看，俄魯石料場開挖邊坡（綜合邊比1∶0.5）可以整體穩定，滿足規范要求的安全系數的要求。

考慮到實際施工過程中，邊坡地質情況的多變性，結合上述計算成果并參照類似工程，對俄魯石料場開采邊坡有針對性的采取支護，其措施如：（1）料場開挖邊線附近及料場邊坡馬道需設置排(截)水溝；（2）料場開采坡面均布設排水孔，孔深4 m，孔間距4 m×4 m；（3）根據地質情況，設置隨機錨桿和錨索。對局部楔形體破壞采用隨機錨桿和隨機錨索組合的支護方式進行局部加固；（4）料場邊坡開挖完成后，強卸荷巖體開挖面以及巖體比較破碎的開挖面應采用系統錨噴支護。