順層中傾角對巖質邊坡穩定性影響及開挖方案研究

張洋，沈俊良, 2，周勇, 2

(1. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州310014；2浙江中科依泰斯卡巖石工程研發有限公司，浙江杭州310014 )

順坡向巖質邊坡在水電工程、交通工程經常遇到，且順坡向結構面往往是威脅邊坡工程的主要因素之一[1-2]，尤其遇到規模較大的，結構面貫穿性強的邊坡，通常這類邊坡失穩的可能性較大，具有突發性、危害巨大等特點，其治理的代價也往往較高。近來，西南水電交通的大力發展，使不少國內外學者在邊坡研究方面取得了不少成果[3-8]，主要通過定性分析的方法快速對邊坡穩定性做出評價，但在定量方面還無法達到完全定量，通常通過剛體極限平衡、數值分析等方法，來評估邊坡的穩定性[6-7]。其中，在順層滑移破壞機制方面的失穩理論也有較多的[11-15]，但實際應用中遇到規模較大的邊坡，仍少有較好的工程處理方法來解決巖體順層滑移等問題[6-8]。金波石料場邊坡順坡向中傾角結構面發育，本文結合金波石料場，對其穩定性進行分析評價，并結合該邊坡實際特點，通過對比兩種避讓方案，來達到石料開采期邊坡施工安全的目的，可為其他順坡向中傾角發育的料場邊坡開挖提供思路。

1 工程概況

金波石料場(圖1)規劃區域位于雅礱江左岸上游江邊，距上壩址約1.5 km，沿江長約570 m，寬約250 m；石料場為斜坡地形，邊坡走向為邊坡走向約N10～20°E，坡腳江面高程為1 990 m，斜坡分水嶺的山脊高程為2 700～2 937 m，最大高差為947 m。基巖巖性為花崗閃長巖，有用層計算儲量約1 782.18萬m3，平均厚度校核儲量約1 816.86萬m3。金波石料場需承擔楊房溝、卡拉兩個工程混凝土骨料料源開采任務，其規劃開采有用料至少為492萬m3(楊房溝206萬m3加卡拉286萬m3)。金波石料場設計終采平臺高程為2 090.00 m，最大邊坡高度為257 m，其工程邊坡從上游到下游的整體體型為側臥“L”型，其坡面呈臺階斜坡狀，分正面工程邊坡、下游側工程邊坡。

整體邊坡順坡向結構面較發育，淺表層巖體卸荷強烈，局部陡坡分布有危巖體。工程邊坡發育斷層主要為3組，第一組,順坡向中、緩傾角斷層，發育;第二組,NE向陡傾角斷層，次發育;第三組,NNW向陡傾角斷層，較少發育。

2 料場邊坡失穩機制分析

順層巖質邊坡的破壞模式多為平面滑動破壞[12-14]，金波石料場邊坡大多地段順坡中傾角結構面發育，邊坡順坡中傾角結構面與陡傾優勢節理裂隙相互切割，可構成規模不等的潛在不穩定塊體，順坡中傾角結構面作為底滑面，對邊坡穩定不利。顯然，金波石料場邊坡節理裂隙發育，作為典型的節理巖質高邊坡，其潛在的變形破壞模式將主要受控于復雜的巖體結構。平面滑動采用剛體極限平衡法進行分析[14-15]，可簡化為圖 2。

根據邊坡穩定性系數定義坡體抗滑力和下滑力的比值，則Fs可寫成式(1)，其中滑體單寬面積為A，滑面長度為L，巖體容重為γ，滑面傾角為α，滑面摩擦角為φ，黏聚力為c。將滑體等效成同厚度h的巖層，當邊坡處于極限平衡時，巖層的臨界厚度可以寫成式(2)。

(1)

(2)

由于坡體面積等效成同厚度的巖層，根據幾何公式可得式(3)，其中坡面傾角為β。

(3)

聯合式(2)、(3)，可求出平面滑動破壞時的臨界坡高為：

(4)

該式即可作為平面滑動破壞的判據。如金波石料場巖體容重γ為27 000 N/m3，滑面摩擦角φ為0.5，黏聚力c為0.1，那么滑面傾角α和臨界等效巖層厚度h的關系見圖 3，坡面傾角β和臨界坡高H的關系見圖 4。

3 料場邊坡穩定性分析

根據地質所提供信息，對金波石料場進行整體三維建模，當前三維模型中對馬道開挖進行了簡化，同時充分考慮坡體的多組優勢結構面分布情況，其中順坡向中傾角長大結構面為全貫通，傾角按統計結果40°考慮，其余的幾組優勢結構面按50%的連通率進行隨機切割。

通過強度折減法對邊坡進行穩定性計算，圖 5為天然邊坡不同系數折減后的變形特征，可判斷，邊坡的整體安全系數為1.2～1.3。圖 6為原方案開挖無支護后折減的變形特征，石料場正面邊坡持久工況下的整體安全系數約為1.05～1.10，由于正面開挖，致使多組順坡向結構面切腳剪出，且上游側臨近金波溝為凌空面，整體卸荷問題相對突出，上游側邊坡的穩定性相對下游側略差。整體來看，邊坡開挖后，邊坡穩定性較差，各工況安全系數均不滿足邊坡規范要求。

4 開挖方案對比分析

由于該工程順坡向結構面對邊坡的影響程度非常大，若采用錨索支護，施工成本將嚴重影響工程經濟效益，所以需在開挖體上做大的方案調整，根據楊房溝水電站、卡拉水電站兩者所需用料，給出了兩種邊坡開挖體型調整方案見圖7。

方案一(轉角)在原設計開挖坡面最上游側開挖線向金波溝方向旋轉30°。設計終采平臺高程為2 090 m，與原方案一致，開挖高度為320 m。開挖坡比與原技施階段基本一致，即微新巖體開挖坡比為1.0∶0.2，弱風化、弱卸荷巖體開挖坡比為1.0∶0.3，強風化、強卸荷巖體開挖坡比為1.0∶0.5。

方案二在利用料場的已有兩個溜渣豎井的同時，為避開料場可能潛在的順坡向長大斷層(節理)，將料場分為上下游2個主要開挖區，保留豎井間巖體。設計終采平臺高程為2 070 m，較原方案低20 m，開挖坡比與原技施階段一致，巖柱頂部高程2 230 m高程，頂寬為34 m，底寬約為130 m，開挖形狀為“牛鼻型”。

基于強度折減法分別對各方案開挖后的邊坡進行穩定性計算，圖 8、9給出了2種方案強度折減后的變形失穩區域特征，潛在破壞模式均以中淺層坡體沿順坡向中傾角結構面的滑移破壞為主。針對3種方案，表 1分析了各方案的相對利弊。

表1 各設計方案下工程邊坡的整體穩定性情況

“方案一”情況下，工程邊坡持久工況下的整體安全系數在1.20～1.25之間。相比原方案，此方案由于向金波溝方向旋轉30°，一定程度上改善了與原順坡結構面的不利交切關系，規避了“原方案”中切腳開挖帶來的潛在工程風險，整個坡面的安全系數均有較明顯的提升。

“方案二”情況下，邊坡持久工況下的靠上游側的安全系數為1.10～1.15，靠下游側的安全系數為1.20～1.25之間。相比原方案，此方案預留了一定厚度的中間巖柱，降低了邊坡的整體開挖尺度或規模，整個正面坡的整體安全系數均有所提高，尤其對靠下游側邊坡的穩定性提升作用明顯。

5 討論

通過3種方案對比，和現場勘探情況的進一步復合，最終擬定開挖方案(圖 10)，該開挖方案，上部2 210 m高程以上與原開挖方案保持一致，上游側保留中下部巖體，下游側向下游拓展30 m，兩側開挖面角度增大，設計終采平臺高程為2 095 m，開挖坡比與原技施階段一致。該方案結合了原方案和方案二優點，在保證及時供料的同時，也保證了水庫蓄水時間節點不受影響。從安全上來看，該方案不但減小了順坡中、緩傾角斷層和節理出露長度，避開順坡向中傾角貫穿結構面剪出帶來的潛在風險，而且可利用前期已布置的交通洞、溜渣井及其他相關布置。

6 結論

a) 金波石料場整體邊坡順坡向中傾角結構面非常發育，規模較大，開挖后，整體穩定性較差，安全系數較低。

b) 金波料場開挖邊坡的安全威脅主要來自順坡向中傾角結構面，根據剛體極限平衡法得出金波石料場滑面傾角和臨界等效巖層厚度的關系以及坡面傾角和臨界坡高H的關系。

c) 通過數值模擬對比3種開挖方案，擬定新方案結合了原方案和方案二的優點，邊坡上游側2 210 m高程以下避免了更多順坡中傾角結構面的揭露，未開挖部分可以起到對上部巖體的支撐作用，對開挖邊坡穩定有利，在滿足工程施作各個時間節點的同時，最大化地利用前期原方案已實施的相關布置。