老撾某水電站水墊塘邊坡變形機制分析及穩定性分析

周 奎，程光威，姚晨輝,楊青云

(1.機械工業勘察設計研究院有限公司，西安 710043；2.陜西鐵路工程職業技術學院,陜西 渭南 714000；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065；4.中國重型機械有限公司，北京 100038)

0 前 言

水利水電工程多集中在高陡的山區，工程建設中的邊坡開挖常會破壞邊坡原有穩定，造成邊坡變形，甚至失穩，嚴重者還會導致人員傷亡及財產損失。近年來，有關專家學者對邊坡穩定性研究較多，其主要分為兩大類分析方法，一類是定性分析，如圖解法[1-2]，工程類比法等；另一類是定量分析法，如極限平衡法[3]、可靠度[4]分析法等，運用相關有限元分析軟件，使用計算數據評價了邊坡的穩定性。定性分析法簡單易操作，但缺少準確參數，無法為支護提供準確設計依據，定量分析雖然計算結果確定，但有時計算結果與事實背離，不足使人信服。

筆者在各位前輩研究的基礎上，使用圖解法與極限平衡法相結合的方法[5-7]，結合現場地質編錄資料，邊坡監測資料，運用Sarma原理的geo-studio軟件，對某水墊塘邊坡穩定性進行了定性及定量分析，為邊坡支護提供了設計依據。

1 邊坡地質情況及失穩特征

1.1 邊坡地質條件

該水墊塘邊坡位于右岸壩基下游，開挖高程為995.00～1 046.00 m，并分別在高程995.00、1 010.00、1 025.00 m設置馬道，邊坡走向N54°W，開挖坡比為1∶0.75～1∶1，邊坡開挖后采用掛網錨噴支護。

開挖揭露邊坡地層巖性主要為第四系坡積物、泥盆系下統(D1)砂礫巖類及泥盆系中統(D2)的泥質板巖、砂質板巖等，砂礫巖類多呈灰色、深灰色，板巖類呈紫紅、灰綠色；巖層層面產狀N25°～75°E，NW∠55°～65°。開挖揭露的主要構造帶為F11斷層， F11斷層帶整體產狀為N25°E ，NW∠77°，F11走向與邊坡走向近乎垂直，寬11～18 m，由泥質板巖條帶、構造角礫巖及壓碎巖組成，膠結較差，斷層帶內紫紅色泥質板巖條帶、壓碎巖物質等遇水易泥化、軟化，F11見圖1。

1.2 邊坡變形歷程、變形體范圍及形態特征

2018年9月19日，右岸水墊塘邊坡高程995.00～1 010.00 m范圍發生局部滑塌。2018年10月25日，在水墊塘右岸高程1 025.00～1 046.00 mF11斷層帶范圍噴混凝土邊坡發現多處裂縫，且高程1 046.00 m平臺混凝土路面上發現多處裂縫，伴隨兩場大雨后，自2018年12月12日起，高程1 046.00 m平臺裂縫發展加快、外側邊坡下沉，高程1 025.00 m馬道邊坡向外鼓出，裂縫平面見圖2。

因高程995.00～1 046.00 m邊坡自上而下變形特征不同，所以對邊坡根據高程進行分區域分析，各區域變形體范圍及形態特征見圖3所示。

(1) 1區域高程1 025.00～ 1 046.00 m之間的邊坡，高程1 046.00 m平臺混凝土路面發生開裂，主裂縫延伸長約20～30 m，裂縫寬度最大達10 cm，并有錯臺現象，高程1 025.00～1 046.00m邊坡坡面有多處橫向裂縫，裂縫走向基本與邊坡走向一致，寬度1～5 cm，且有鼓脹現象；高程1 025.00 m馬道內側見明顯的裂縫剪出鼓脹。

(2) 2區域高程 1 010.00～1 025.00 m之間的邊坡，其變形主要為沿馬道外緣的開裂，坡體上噴射混凝土橫向開裂，裂縫走向基本與邊坡走向一致，裂縫寬度普遍小于2 cm，且各裂縫未貫穿。

(3) 3區域高程995.00～1 010.00 m，在F11斷層帶下游側的邊坡，邊坡出現了兩處塊體失穩現象，表現為楔形體滑動。

1.3 邊坡變形監測

為監測邊坡變形，右岸邊坡高程1 025.00 m馬道垂直布置1套三點式位移計(YBP-M-01)，用于監測邊坡位移變形情況,右岸邊坡監測儀器布置見圖4。YBP-M-01三點式位移計監測數據見圖5，從圖5可以看出，邊坡向臨空面位移量持續增加，2018年11月4日至2019年1月23日，監測點孔口處位移量42.16 mm，3 m深度位移23.81 mm，11 m深度位移2.49 mm。

另外，變形發生后也對高程1 046.00 m平臺上的12號主拉裂縫寬度變化進行了持續監測，監測數據見圖6。從圖6可以看出，2018年12月14日至2018年12月19日，裂縫寬度增加了100 mm。

2個監測點數據[9]都表明，邊坡正處于失穩狀態。并且，從3點式位移計的監測數據可以看出，邊坡在高程1 025.00 m處變形主要在淺表層3 m處，邊坡深部未發生較大變形。

2 變形機制分析及穩定性分析

2.1 邊坡變形機制

根據開挖編錄資料、現場調查情況以及變形監測數據，結合變形體分區、物質組成及形態特征，綜合分析認為各區域變形體成因機制如下：

(1) 1區域的變形體主要為F11斷層，其邊坡穩定性主要受巖(土)體的開挖松弛、及地表水下滲因素影響。雨水下滲導致巖土體迅速軟化，壓縮蠕變累計量大后形成滑面，滑面貫穿形成后，產生了較大的后緣拉裂、前緣鼓脹剪出變形，裂縫見圖7。且結合YBP-M-01監測點的監測數據，可以看出滑動剪切面位于淺部及3 m 深處，11 m深度處未形成滑動面；

(2) 2區域巖體質量比1區域好，且2區域裂縫多沿坡面傾向方向展布，張開度普遍較小，受雨水滲入作用較1區域弱，因此2區域壓縮蠕變變形累計量較1區域小，變形量有限，變形體滑面尚未貫通形成。故其變形體主要形成機制為F11斷層帶形成的松散介質和壓碎巖體邊坡的局部剪切滑移；此外，受高程1 010.00 m平臺以下兩處塊體失穩影響，導致其高程1 010.00 m上部邊坡產生了多個牽引式的變形拉裂縫。

(3) 3區域邊坡巖體處于卸荷帶底部影響范圍內，其變形特征主要為兩處局部的塊體失穩現象，為N35°E，NW∠71°，N20°W，NE∠38°兩組節理在開挖面的切割導致的楔形體平面型滑移。

2.2 邊坡穩定性分析

本次采用geo-studio軟件，采用極限平衡Sarma[8]法進行穩定計算分析。

Sarma法計算如圖8所示。假設在臨界水平地震加速度系數條件下的邊坡穩定性系數Fs，假定條塊的底面和側面均達到極限平衡，則可通過靜力平衡條件獲得臨界水平地震加速度 ，從而求得邊坡穩定性系數。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

邊界條件為

(9)

公式(2)～(9)中：Wi為第i塊的自重,kN;Ui為作用在第i塊底滑面上的靜水壓力,kN;PWi為作用在第i塊側面的靜水壓力,kN;αi為第i塊底滑面與水平面的夾角,°;δi、δi+1為i塊兩側面與鉛垂面的夾角,°;bi為第i塊底滑面在水平面上的投影的長度,m;di為第i塊側面的長度,m;Fs為安全穩定性系數。

選取相應的地質參數，參數見表1，分別選取3條代表性剖面對3個區域分別進行穩定性計算。

表1 邊坡穩定性計算參數

2-2剖面在高程1 010.00～1 025.00 m范圍穿過F11斷層，是2區域代表剖面；3-3剖面在高程1 025.00～1 046.00 m范圍穿過F11斷層，是現場實際變形最大的控制性剖面，也是1區域代表剖面；6-6剖面在高程995.00～1 010.00 m范圍穿過F11斷層；是3區域代表剖面；計算各剖面在天然地下水條件下的邊坡計算滑面簡圖如圖9～12所示，最小安全穩定性系數如表2所示。

表2 軟件計算最小安全穩定性系數

軟件計算見圖13～15，計算結果表明，2區域處于穩定狀態，1區域3區域處于失穩狀態，由計算圖可知，1區域滑面未貫穿至1 025.00 m以下，這與3點式位移計的監測結果顯示的滑動面在高程1 025.00 m處淺表層基本吻合，因此可以得出結論，1、3區域整體失穩，2區域整體較穩定。

且3區域出現了兩處滑塌，現場勘察發現這兩處滑塌主要是有兩組不利組合節理與開挖面切割巖體造成的楔形體滑動，節理與坡面產狀見表3。

表3 節理與坡面產狀

繪制極射赤平投影圖，見圖16。

分析赤平投影圖可以得出結論，該楔形體處于不穩定狀態，這與軟件計算結果相吻合。

3 結 論

(1) 1區域邊坡處于失穩狀態，變形主要受巖(土)體的開挖松弛、及地表水下滲等因素影響，F11斷層帶的松散介質因遇水迅速軟化，壓縮蠕變累計增大，并形成高程1 025.00～1 046.00 m的滑面，滑面貫穿形成后，產生了較大的后緣拉裂、前緣鼓脹剪出變形。

(2) 2區域邊坡整體穩定，但上部受F11斷層帶形成的松散介質和碎裂巖體邊坡的局部剪切滑移；下部受高程1 010.00 m平臺以下2處塊體失穩影響，使2區域部邊坡產生了多個牽引式的變形拉裂縫。

(3) 3區域邊坡處于失穩狀態，其變形主要為兩處塊體滑移變形，是由N35°E，NW∠71°;N20°W，NE∠38°這兩組節理在開挖面上切割導致的楔形體滑移。