某水庫溢洪道邊坡穩定性分析

劉蓓

(1.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州450008；2.河南省特殊巖土環境控制工程技術中心，河南 鄭州450008)

0 引言

隨著中國經濟的快速發展，邊坡工程的大量實施，邊坡失穩事故也隨之逐漸增多。邊坡失穩輕則需要花費人力財力，影響工程的進度或正常運行，重則引發安全事故，造成人員的傷亡。為有效防止邊坡失穩事故的發生，在施工前進行較為準確的邊坡穩定性判別就顯得尤為重要。

通常認為，塊狀結構巖質邊坡穩定性一般好于土質邊坡及其它類型的巖質邊坡，但受自身巖體的性質、地質構造、地應力、風化作用、開挖方式、地下水侵入及地表水沖刷等因素影響，許多工程項目中塊狀結構巖質邊坡失穩現象也屢見不鮮。

影響塊狀結構巖質邊坡穩定的因素多種多樣，其中不同結構面的性質及其與臨空面的空間組合關系對邊坡的穩定與否常常至關重要。各種斷層、裂隙發育形成的結構面破壞了邊坡的整體性，導致了巖體力學性能的不連續性和差異性，故結構面處往往成為力學強度相對薄弱的部位。邊坡失穩一般發生在傾向坡外的一組結構面或兩組不同產狀的結構面組合而成的楔形體處。失穩模式主要有：沿某一結構面或復合結構面滑動、節理或節理組易形成楔形體滑動、沿陡傾結構面發生崩塌。進行邊坡穩定性判別分析，是從宏觀上研究其穩定程度和發展趨勢，對工程能否順利實施及正常運行具有重要意義。

1 概況

工程區地貌形態屬丘陵區，溢洪道位于水庫大壩右側，擬建溢洪道開挖邊坡高度一般15～25 m，邊坡級別為2級。

附近山體兩側自然邊坡多呈不對稱狀，一般北坡坡率為1∶2.40～1∶4.00，南坡為1∶1.10～1∶2.00。出露巖石絕大部分為微片理狀安山玢巖，局部段見有斜長石英玢巖分布。其中安山玢巖為杏仁構造，強風化巖石手可捏成粉或錘輕擊即碎；弱風化巖石塊體較堅硬，錘稍用力擊之，可沿裂面脫落；微風化帶巖石僅裂隙處微有風化現象，巖石致密堅硬，較均一完整。石英玢巖為塊狀構造，結構致密、堅硬、性脆。

地下水主要為裂隙水，屬弱礦化重碳酸鎂鈣水。附近發現的下降泉流量小，干旱斷流。根據現場水文試驗可知：周圍巖體透水率絕大部分<1 Lu，僅個別張裂隙帶附近滲水性較強。

2 邊坡穩定問題的提出

此區斷層以近東西向為主，近南北向次之。前者多為逆沖斷層，后者多為高角度正斷層。斷層按產狀主要劃分為兩組，一組走向北東-北西，傾向南東-南西，傾角50°～80°。另一組走向北東，多傾向南東，傾角50°～70°。

斷層附近裂隙密集，裂隙寬0.20～2.00 mm，大者可達5 cm，多填充高嶺土化、泥石化的臘狀泥巖。其它部位裂隙一般長度、寬度、密度均隨深度的增加而減小，其中強風化帶中裂隙寬1～2 mm，少量達1～5 cm，填充物以粘土為主，鐵錳質氧化物次之；弱風化帶中裂隙寬1 mm左右，充填物以鐵錳質氧化物為主，粘土次之，膠結較好。

溢洪道開挖深度一般15～25 m，擬對強風化狀巖石邊坡按1∶1.25，弱風化狀巖石邊坡按1∶1進行開挖。由于邊坡開挖深度較大，且附近山體斷層、裂隙發育，為防止施工過程或后期運行期間出現邊坡失穩情況，需對開挖邊坡進行穩定性分析。

3 邊坡穩定性分析

塊狀結構巖質邊坡中的斷層、裂隙發育形成的結構面往往是邊坡巖體中力學性質相對薄弱的部位，結構面既是風化和地下水活動的重要通道，又是外營力改造的對象。產狀、充填物、延展性、密度、平整度等因素均不盡相同的結構面致使邊坡巖體力學性能出現不連續性和差異性，進而破壞了邊坡的整體性，一組或多組結構面與邊坡臨空面相互的空間組合關系往往成為邊坡穩定與否的決定因素。

因此，文章重點從邊坡內的結構面及其組合切割關系作為切入點，分別采用斜坡類比法、赤平極射投影法及楔體法對邊坡進行穩定性探討研究。

3.1 斜坡類比法

選擇附近巖性、風化程度、坡高、結構面分布和充填性質等方面與溢洪道開挖地段類似的天然或人工剖面進行分析對比，臨近地段調查所得的穩定邊坡列于表1。

由表1可知：強風化狀巖體穩定邊坡坡度一般<1∶1.25，弱風化狀巖體穩定邊坡坡度一般<1∶1。采用斜坡類比法初步分析認為對溢洪道內強風化狀邊坡采用1∶1.25坡比、弱風化狀邊坡采用1∶1坡比進行放坡是穩定的。

表1 鄰近地段穩定邊坡調查表

3.2 赤平極射投影法

赤平極射投影法既可以較直觀確定邊坡上的結構面和邊坡臨空面的空間組合關系，可能不穩定楔形體的集合形態、規模大小、空間位置及分布，也可以確定不穩定結構體的可能變形位移方向。

結合結構面產狀及其與邊坡空間組合關系對邊坡穩定最不利的條件，選擇A處邊坡進行穩定性計算。

已知A處邊坡坡高23 m，天然產狀約為8∠33，上部9 m范圍內風化程度為強風化，其余為弱風化。結構面主要有L1裂隙組和F1斷層，其中L1裂隙組產狀23∠64，F1斷層產狀237∠48，溢洪道強風化帶巖體邊坡產狀348∠39(假定強風化巖體邊坡坡比為1∶1.25)、溢洪道弱風化帶巖體邊坡產狀348∠45(假定弱風化巖體邊坡坡比為1∶1.00)。將L1裂隙、F1斷層及不同風化程度巖體開挖邊坡按產狀畫在赤平投影圖，見圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可知，F1結構面與開挖前、后邊坡均呈較大角度交叉，L1結構面雖然與開挖前、后邊坡交角較小，但L1結構面傾角均大于開挖前、后邊坡坡面傾角，故F1或L1單一結構面對該處后邊坡穩定性均影響不大；L1裂隙組結構面和F1斷層結構面的組合交點M均與邊坡投影弧在同一側，但在ns(天然邊坡)和cs(開挖后邊坡)之間，說明結構面組合交線的傾向與邊坡坡面傾向接近，但傾角小于開挖坡腳而大于天然坡腳，亦屬于較不穩定結構。

圖1 強風化帶邊坡穩定分析圖

圖2 弱風化帶邊坡穩定分析圖

故采用赤平極射投影法分析認為溢洪道內強風化狀邊坡開挖采用1∶1.25坡比、弱風化狀邊坡開挖采用1∶1坡比是不穩定的。

3.3 楔體法

由3.2小節可知，A處邊坡中L1裂隙和F1斷層組合交線的傾向與邊坡坡面傾向接近，但傾角小于開挖坡腳而大于天然坡腳，2組結構面切割形成的楔形體為潛在滑體，屬于較不穩定結構。為進一步判別該處邊坡的穩定性，現采用楔體法進行抗滑穩定計算。

如圖3所示，楔形體ABCD為L1裂隙和F1斷層切割而成，其中△ABC為天然邊坡坡面，△ADC為開挖后邊坡坡面，BD為潛在滑動方向。設鍥形體的容重為γ，F1滑面具有抗剪強度指標C1及φ1，L1滑面具有抗剪強度指標C2及φ2，潛在滑動方向BD的傾角為α，BD長度為l，F1滑面傾角為α1，L1滑面傾角為α2，楔形體ABCD在△ABC上的高為H，△ABC在線AC上的高為h0，△ABD在線BD上的高為h1，△BCD在線BD上的高為h2。

圖3 L1和F1結構面切割的楔體穩定計算簡圖

(1)

采用公式(1)進行楔形體穩定系數計算，為便于計算，楔形體內不再將強風化帶與弱風化帶內參數進行細分，各參數結合實際狀況折中選定，具體參數取值見表3。

表3 楔形體內風化帶實際狀況具體參數取值表

計算求得楔形體ABCD的穩定系數K=1.17，該邊坡級別為2級，邊坡在正常運用條件下為不穩定狀態。綜上所述：采用楔體法計算認為溢洪道內強風化狀邊坡開挖采用1∶1.25坡比、弱風化狀邊坡開挖采用1∶1坡比是不穩定的。

4 結論

文章以某水庫溢洪道邊坡為例，分別運用斜坡類比法、極射赤平投影法及楔體法進行判別，綜合各種分析結果后認為該溢洪道邊坡按照擬定坡比開挖后處于不穩定狀態，需對其采取治理加固措施。

邊坡穩定問題不僅會影響工程進度，破壞工程質量，削減工程壽命，嚴重的邊坡失穩甚至會引發大規模的安全事故。為有效防止邊坡失穩事故的發生，在邊坡施工前首先要做的就是進行邊坡穩定性分析。目前國內進行邊坡穩定性分析常用的方法有自然斜坡類比法、調查統計法、查表法、赤平極射投影法、數值分析法等。不同的方法在具備各自優勢的同時也存在各自的局限性，在實際工程中，只有盡可能采取多種方法來分析和評價邊坡的穩定性，才可以較為經濟合理針對邊坡進行治理加固，進而最大程度上保證邊坡工程的順利實施及長遠安全。