含軟弱結構面順層高邊坡穩定性分析及處理
——以涔天河水庫擴建工程2#導流泄洪洞進口邊坡為例

（湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南長沙 410007）

引言

大量的邊坡失穩實例表明，巖質邊坡的失穩大都沿各種軟弱結構面發生，其中又以含軟弱結構面的順層邊坡穩定性最差[1]，涔天河水庫擴建工程2#導流泄洪洞進口開挖邊坡為典型的含軟弱結構面順層巖質高邊坡，其開挖邊坡高約150 m，永久邊坡級別為1 級。該邊坡地質條件復雜，淺部巖體破碎，層間夾多條軟弱結構面，開挖切腳后，邊坡穩定性差，失穩對建筑物危害影響大，研究開挖邊坡施工期與運行期的穩定性具有很重要的意義。

1 邊坡地質概況

2#導流泄洪洞進口距面板堆石壩軸線約400 m，位于水庫右岸，邊坡地面高程220～520 m，坡度40°～60°，開挖邊坡上部開口線高程約390 m，底板高程238 m，總高度約150 m，分13 級開挖，坡比1∶0.3～1∶0.5，每級高度10～15 m，各級預留馬道寬度2～3 m，其中在324 m 高程留有寬約8 m 的庫區公路[2]。

邊坡巖層產狀傾向坡外，以N10°～30°E.NW∠17°～35°為主，局部傾角變陡達42°。主要斷層構造有F276和F21，其中F276斷層，產狀N5°～20°W.NE∠80°～85°，破碎帶寬1～1.5 m，碎裂巖為主，夾斷層泥，膠結較差，分布在邊坡的中部，F21產狀N25°～30°E.NW～SE∠65°～70°，破碎帶寬1～3 m，充填碎裂巖及斷層泥，位于邊坡的下游沖溝內。區內主要發育3 組節理裂隙：①N35°～65°W.NE∠63°～85°，閉合～微張，面稍起伏，延伸不長，間距0.2 m/條；②N52°～61°W.SW∠70°～88°，閉合～微張，面較平直，延伸不長，間距0.1～0.2 m/條；③N15°～45°E.SE∠67°～88°，微張，面較平直，延伸長3～8 m，其走向與坡向近平行。

邊坡區地下水位埋深6～38 m，類型主要為基巖裂隙水，接受大氣降水補給，沿斷層及節理排泄于河谷，泉水流量一般較小，久旱干枯。

2 邊坡巖體及軟弱結構面特征

2.1 巖體特征

邊坡巖體受風化及構造影響，上部強風化帶厚4～23 m，巖芯呈碎塊夾短柱狀，巖芯獲得率為17%～48%，巖體縱波速度（Vp）為1 500～2 200 m/s，完整性系數KV=0.12～0.38，巖體基本質量級別為Ⅳ～Ⅴ，屬層狀碎裂結構，局部為散體結構；弱風化厚20～30 m，巖芯為長柱狀夾短柱狀，巖性堅硬，縱波速度（Vp）為2 500～5 000 m/s，局部在5 000 m/s 以上，完整性系數KV=0.38～0.73，完整性較好，巖體基本質量級別為Ⅲ，屬層狀鑲嵌結構；微風化巖體巖芯以長柱狀為主，夾少量短柱狀，巖性堅硬，縱波速度（Vp）一般在4 500 m/s 以上，完整性系數KV＞0.55，屬較完整～完整，巖體基本質量級別為Ⅲ～Ⅱ，呈次塊狀、中厚層狀結構。

2.2 軟弱結構面特征

邊坡軟弱結構面中粘土礦物主要為伊利石，碎屑礦物為石英、長石、方解石，顆分成果粘粒占9.5%～30%，粉粒占4%～18%，細至粗砂狀顆粒占8.1%～25.3%，礫、碎塊約占52%～84%，屬泥夾巖屑型[3]。根據試驗成果，內摩擦角為14.6°～19.8°，凝聚力為0.01～0.20 MPa，具有抗剪強度低的特征。

3 邊坡支護處理措施

該邊坡巖層傾向與坡向同向，傾角一般17°～35°，部分傾角變陡達42°，屬順層邊坡，層間發育多條連續性較好的泥夾巖屑型軟弱結構面，其抗剪強度低，邊坡開挖切腳后，極易沿軟弱結構面出現順層滑動變形，為保證邊坡施工及水庫運行期安全，采取的主要支護措施為：

1）預應力錨索，主要布置在324～280 m 高程之間，錨索間距4～5 m，長度40～50 m，噸位100～200 t。

2）對開挖坡面進行系統錨桿掛網噴護，錨桿直徑Φ28，L=6～9 m，間距2～3 m。

3）坡頂設置截水溝，分別在317 m、311 m、303 m、293 m 高程設置深排水孔，孔深15～40 m；290 m 高程以下設置系統排水孔，排水孔深度4 m、9 m，間隔布置。

4 邊坡穩定性分析評價

4.1 邊坡計算方法與模型

1）剛體極限平衡法。剛體極限平衡法將滑移的各塊巖體視為剛體，以軟弱結構面為底滑面，根據結構面產狀及出露位置，結合開挖設計平臺高程分層計算上部邊坡穩定。計算公式：

式中 W——滑體重力；

U——滑面揚壓力；

V——后緣靜水壓力；

T——錨固力；

α——滑面與水平面夾角；

β——錨桿（錨索）與滑面夾角；

f——摩擦系數；

c——粘聚力（kPa）；

L——滑面長度。

2）有限元強度折減法。有限元計算采用商用GTS NX 軟件，用強度折減法進行邊坡穩定分析，極限狀態判斷將采用位移突變、計算不平衡力收斂突變等因素綜合分析確定強度折減穩定系數。二維模型區域共劃分為17 006 個四邊形單元，17 572 個節點，見圖1；三維模型底部高程選擇為-50 m 高程，上下游方向寬度以及邊坡傾向方向分別取邊坡邊界向外延伸100 m以上，見圖2，本構關系采用理想彈塑性模型，屈服準則采用莫爾-庫侖準則及廣義霍克布朗本構。

圖1 縱剖面二維有限元計算模型

4.2 邊坡計算物理力學參數

根據現場及室內物理力學試驗成果，邊坡計算的物理力學參數見表1。

4.3 邊坡計算成果

通過計算，將邊坡支護處理后的穩定性計算成果匯總于表2。

圖2 三維有限元計算模型

表1 邊坡計算巖體物理力學參數

4.4 邊坡穩定性分析評價

計算分析結果表明：

1）剛體極限平衡法和二維、三維有限元強度折減法得到的安全系數規律基本一致，數值可相互印證。

2）邊坡的穩定性系數隨著庫水位的升高而逐漸變小，特別是在水位從282 m 上升到313 m 時，穩定性系數下降較為明顯，這與軟弱結構面多分布在282～313 m 高程之間，飽水后強度降低密切相關。

3）邊坡的最大變形量隨著庫水位的上升而逐漸變大，發生的部位施工期和正常運行期均出現在324公路平臺上，而在初期蓄水位時出現在315 馬道上，三維與二維變形分析的成果相比趨勢一致，位移稍小，最大約3.51 cm。

4）通過分析計算，邊坡經過支護處理后，無論施工期、初期蓄水還是水庫正常運行期及水位驟降與暴雨工況下，邊坡的穩定性系數均大于1.25，能滿足Ⅰ級邊坡的要求。

5 結語

表2 邊坡支護處理后穩定性計算成果表

涔天河水庫擴建工程2#導流泄洪洞進口開挖邊坡為典型的含軟弱結構面順層巖質高邊坡，層間見多條泥夾巖屑型軟弱結構面，抗剪強度低，邊坡開挖切腳后，將沿軟弱結構面出現順層滑動變形，采取錨固與排水支護處理后，通過剛體極限平衡法和有限元法分析計算，最小穩定性系數均大于1.25，滿足規范要求，經水庫蓄水監測資料印證，邊坡經支護處理后能保證安全穩定。