西藏扎拉水電站陡傾層狀巖質邊坡穩定性分析及支護設計

徐鵬 胡田清 丁亞楠

收稿日期：2023-09-17

基金項目：

長江勘測規劃設計研究有限責任公司自主創新項目（CX2020Z13）

作者簡介：

徐? 鵬，男，工程師，博士，主要從事水利水電工程施工導截流設計咨詢工作。E-mail：xupeng@cjwsjy.com.cn

引用格式：

徐鵬，胡田清，丁亞楠.

西藏扎拉水電站陡傾層狀巖質邊坡穩定性分析及支護設計

［J］.水利水電快報，2024，45（6）：38-42.

摘要：

為探究陡傾層狀巖質邊坡支護設計及穩定計算方法，結合扎拉水電站邊坡開挖支護工程，通過分析邊坡結構類型，研究邊坡整體失穩破壞模式，分別考慮錨桿抗拉和抗剪作用，分析錨固力對邊坡穩定性的影響規律，探究該邊坡順層滑移穩定性及支護設計方案。計算結果表明：不同規范推薦的安全系數計算方法得到的邊坡穩定分析結論基本一致，考慮錨桿抗剪作用計算得到的邊坡抗滑穩定安全系數較大，且數值計算分析結果驗證了支護設計方案的合理性。研究成果可為類似邊坡治理工程提供參考。

關鍵詞：

順層巖質邊坡； 順層滑動； 邊坡治理； 錨桿抗剪強度； 扎拉水電站

中圖法分類號：TV223

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.007

文章編號：1006-0081（2024）06-0038-05

0? 引? 言

高陡順層巖質邊坡因其巖層傾向與坡向一致，屬于易滑邊坡，設計方案或施工措施不當將會導致邊坡整體失穩［1］，造成人員傷亡和財產損失，因此高陡順層巖質邊坡穩定分析及支護設計是巖土工程邊坡的重要研究問題之一［2-3］。順層巖質邊坡破壞方式主要包括順層滑動和潰屈破壞，其中順層滑動指邊坡整體順層下滑［4］。王希寶等［4］總結了順層巖質邊坡出露類型，給出了邊坡穩定系數計算方法，但未給出邊坡支護設計方案和處理措施；李劍偉等［5］結合某緩傾順層路塹邊坡，分析了邊坡破壞機理和穩定性，提出了抗滑樁支護的治理措施。

隨著計算機技術的發展，數值計算方法被廣泛應用于邊坡穩定性分析和支護方案設計中［6］。張冬冬［7］采用FLAC3D，基于有限差分強度折減法，分析討論了抗滑樁對順層巖質邊坡穩定性的影響。李云波等［8］采用slide軟件，基于極限平衡法，分析計算某水電站在正常運行及降雨工況下的穩定性，但均未探究錨噴支護措施對巖質邊坡順層滑移變形破壞的影響。

本文結合扎拉水電站邊坡開挖支護工程，計算陡傾層狀巖體順層滑移穩定性，探究錨噴支護在破碎層狀巖質邊坡支護工程中的適用性，以期為類似邊坡治理工程提供參考。

1? 工程概況

扎拉水電站壩址位于左貢縣碧土鄉扎郎村，為Ⅱ等大（2）型工程，壩址河床左岸設有一條導流隧洞。隧洞進口自然邊坡坡頂高程約2 862 m，邊坡坡度50°～70°，高程2 808 m，上部為卵漂石，下部大部出露砂質板巖，局部地表覆蓋崩坡積塊石。邊坡采用臺階開挖，設計邊坡開挖最大高度約49.5 m，其中高程2 779.0 m以下為垂直坡，以上巖石邊坡設計開挖坡比約為1∶0.3。邊坡開挖支護設計典型斷面如圖1所示。

2? 工程地質條件

河床左岸岸坡自然坡度50°～70°，上部為Ⅲ級

階地，巖性為第四系更新統沖積卵漂石，結構密實；下部出露砂質板巖，板理面傾向255°～285°，傾角70°～86°，沿河岸基巖面出露高程2 800～2 829 m。導流洞進口邊坡典型地質剖面見圖2。

導流隧洞進口位于巖質邊坡坡腳，坡面與板理面大致平行，巖層代表性產狀250°∠77°（視傾角67°）。巖體呈薄層板狀，板理面總體傾向坡外，傾角較陡，坡面巖體破碎，坡面巖體特征見圖3。

在施工前期的坡面清坡及施工便道開挖過程中，監測發現坡面發生局部開裂滑塌、掉塊，坡腳發生褶曲變形。結合邊坡地形及巖體特征，推測該變形是由開挖切層引起的坡面順層滑塌，以及開挖后支護不及時引起的坡面卸荷松弛。由此推斷，當開挖導流洞進水塔垂直邊坡時，會造成陡傾層狀板巖下部大范圍切腳，開挖后邊坡有整體順層滑塌風險。

考慮到進口邊坡為典型陡傾層狀巖體，巖體破碎且板理面發育，邊坡切腳后順層滑移風險突出，而且，原始地形高陡，地下水位較高，不具備設置抗滑樁等典型抗滑措施的條件，因此選擇安全有效且經濟合理的支護方案是本邊坡工程的重難點之一。然而，常用的邊坡支護設計方法中，關于錨桿、錨筋樁及錨索等柔性支護的抗滑原理及抗滑作用計算方法不一致，如何驗算錨噴支護作用下順層邊坡的抗滑穩定性是本工程的另一難點。

3? 邊坡穩定性驗算及支護設計

3.1? 計算剖面

導流洞進口邊坡設計開挖面傾向與板理面傾向夾角22°～52°，屬層狀順向-斜向結構，邊坡在開挖坡腳時易發生順層滑移破壞，邊坡穩定分析計算示意如圖4所示。邊坡抗滑穩定安全系數采用極限平衡法進行計算。

3.2? 計算參數

根據前期地質勘察結果，結合現場地質調查情況，導流隧洞進口邊坡穩定分析及支護方案設計所取邊坡巖石（體）物理力學參數見表1。

3.3? 支護設計方案

根據邊坡結構類型，結合現場施工條件，采用錨筋樁作為邊坡整體淺層支護。具體支護方案見表2。

3.4? 穩定性計算及分析

現有規范對于層狀巖質邊坡抗滑穩定的分析計算方法稍有不同，且安全穩定標準差異較大。為驗算本工程巖質邊坡在錨桿、錨筋樁及錨索支護作用下的抗滑穩定性，根據邊坡滑移失穩特征，采用NB/T 10512-2021《水電工程邊坡設計規范》及NB/T 10391-2020《水工隧洞設計規范》中相關方法對邊坡穩定性進行設計計算，同時采用數值計算方法對結果進行驗證，以確保相關設計計算成果的合理性和可靠性。

3.4.1? 根據邊坡設計規范驗算

采用NB/T 10512-2021《水電工程邊坡設計規范》推薦的楔形體法計算邊坡順層滑移穩定安全系數。根據規范要求，邊坡在正常運行條件的持久狀況下，安全系數應大于1.10；施工期的短暫狀況下，安全系數應大于1.05。計算得到開挖邊坡不同支護參數下的邊坡抗滑穩定安全系數結果見表3，其中錨桿（錨筋樁、錨索）加固作用按照桿體筋材抗拉來考慮。

從表3可以看出，邊坡開挖后若不及時采取支護措施，邊坡順層滑移穩定安全系數遠低于規范要求，邊坡發生整體失穩的風險較大。采用方案一支護可滿足邊坡在臨時短暫狀況下的安全穩定要求，采用方案二支護后，邊坡在短暫及持久狀況下的安全系數均滿足規范要求。

總體來看，按照桿體筋材抗拉來考慮錨桿（錨筋樁）對邊坡的加固作用，計算得到加固后的邊坡穩定安全系數整體偏小。這主要是由于潛在滑動面傾角較大，錨桿（錨筋樁）與滑動面間夾角較大，不計錨桿（錨筋樁）作用于滑動面的法向作用力，其抗拉力在滑動面切向方向分力較小，因此對邊坡順層抗滑穩定作用有限。

3.4.2? 根據隧洞設計規范驗算

進口邊坡的潛在不穩定塊體受底滑面約束，需考慮滑面上的黏聚力和摩擦力作用。塊體失穩類型為滑移型，可參考塊體滑移理論，采用塊體穩定安全計算方法進行邊坡順層抗滑穩定安全系數計算。

根據NB/T 10391-2020《水工隧洞設計規范》要求：施工完成前的短暫狀況下，塊體穩定安全系數應大于1.35；施工完成后的持久狀況下，塊體穩定安全系數應大于1.50。采用塊體滑移穩定計算方法計算邊坡順層抗滑穩定安全系數，考慮錨桿（錨筋樁、錨索）抗剪加固作用，計算得到邊坡穩定安全系數見表4。

從表4可以看出，考慮錨桿（錨筋樁、錨索）抗剪加固作用后，計算得到的邊坡抗滑穩定安全系數值較大，其中錨筋樁對邊坡抗滑穩定加固作用較為明顯，這與以往工程實踐經驗較為相符，但由于規范中塊體抗滑穩定安全標準較高，采用方案一支護后，持久狀況下邊坡抗滑穩定安全系數仍不滿足規范要求，需補充錨索深層支護。

3.4.3? 數值計算

基于簡化畢肖普法（Bishop），采用軟件slide邊坡穩定計算分析軟件，對開挖支護后進口邊坡進行抗滑穩定分析計算。數值計算中基巖及層面采用Mohr-Column本構模型，計算范圍為邊坡坡頂及坡腳水平向外延伸30 m，大于潛在滑動面范圍，模型底部及左右兩側邊界均采用固定位移約束，計算中所用材料的物理力學參數如圖5所示。從圖5中可知，采用錨桿及錨索聯合支護后，邊坡順層抗滑穩定安全系數計算值為1.247，與表3中規范法計算結果基本一致，短暫狀況及持久狀況下邊坡抗滑穩定安全系數滿足規范要求。

對比表3與表4，根據不同規范推薦的計算方法，分別考慮錨桿（錨筋樁、錨索）抗拉與抗剪加固作用的兩種方案計算得到的安全系數差別較大，但邊坡抗滑穩定安全結論基本一致。經數值計算驗證分析，采用方案二對開挖邊坡支護后，邊坡順層滑移安全系數滿足規范要求，邊坡支護后處于安全穩定狀態。因此，進行邊坡順層滑移穩定性計算時可分別考慮錨桿及錨筋樁的抗拉和抗剪加固作用，但二者對應的安全穩定標準稍有差異，進行支護設計及穩定性驗算時應參照對應規范合理取值。

4? 結? 語

扎拉水電站導流洞進口邊坡為典型的陡傾破碎層狀巖質邊坡，邊坡開挖時會因巖層切腳而引起邊坡整體順層滑動失穩。采用規范法和數值計算方法對邊坡抗滑穩定安全進行了計算和分析，得到如下結論。

（1） 相同滑移模式下，采用NB/T 10512-2021

《水電工程邊坡設計規范》及NB/T 10391-2020

《水工隧洞設計規范》兩種不同規范推薦的邊坡抗滑穩定安全系數計算方法，分別考慮錨桿在邊坡支護中的抗拉和抗剪加固作用，計算得到的安全系數差別較大，但邊坡安全穩定分析結論基本一致，二者均可用于邊坡抗滑穩定安全分析與支護方案設計。

（2） 基于極限平衡法，采用slide有限元軟件計算得到的邊坡順層滑移安全系數與規范法基本一致，可用于層狀巖質邊坡順層滑移安全系數計算及穩定性分析。

（3） 采用錨筋樁支護方案，導流洞進口邊坡滿足短暫狀況下安全穩定要求，但持久狀況下邊坡安全系數不滿足規范要求，需補充錨索深層支護。

（4） 分析研究時導流洞進口邊坡開挖支護工程尚未完工，邊坡永久監測尚未實施，后續可根據永久監測結果進一步驗證設計方案合理性，為陡傾順層巖質邊坡開挖支護設計方案的調整優化提供依據。

參考文獻：

［1］? 李險峰.某順層巖質邊坡開挖支護過程及其穩定性響應研究［J］.長春工程學院學報（自然科學版），2022，23（2）：11-16.

［2］? 孫云志，蘇傳洋.500 m 級順層陡傾特高人工邊坡破壞模式分析與開挖支護設計［J］.水利水電快報，2022，43（2）：17-20.

［3］? 鄧榮貴，周德培，李安洪，等.順層巖質邊坡不穩定巖層臨界長度分析 ［J］.巖土工程學報，2002，24（2）：178-182.

［4］? 王希寶，袁松，黎良仆，等.順層結構邊坡穩定性一般性分析［J］.湖南交通科技，2022，48（4）：29-33.

［5］? 李劍偉，何勇，楊堉果，等.某砂泥巖互層緩傾長大順層邊坡穩定性分析［J］.水運工程，2023（增1）：143-149.

［6］? 王肇慧，肖盛燮，劉文方.邊坡穩定性計算方法的對比分析［J］.重慶交通學院學報，2005，24（6）：99-103.

［7］? 張冬冬.某水庫順層巖質邊坡穩定性及抗滑樁防護研究［J］.陜西水利，2023（2）：101-102，105.

［8］? 李云波，董泳，劉肖峰，等.基于Slide的水電站高邊坡穩定性分析及支護方案研究［J］.水力發電，2023，49（3）：29-32，103.

（編輯：高小雲）

Stability analysis and support design of steeply dipping stratified rocky slopes of Xizang Zhala Hydropower Station

XU Peng1，2，HU Tianqing1，2，DING Yanan1，2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2. National Dam Safety Research Center，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to explore the support and design method of steep dip stratified rock slope，based on a slope project of Zhala Hydropower Station，the overall instability failure mode of slope was studied by analyzing the slope structure type，the stability and support design of the slope were explored and the impact of anchoring force on slope stability was analyzed by considering the tensile and shear strength of anchor bolt respectively. The calculation results showed that the conclusions of slope stability calculated by different methods were basically consistent. A higher safety factor was derived by considering the shear strength of anchor bolt，and the numerical analysis results verified the rationality of the support design. The research results can provide a reference for similar slope projects.

Key words：

bedding rock slope； bedding slide； slope treatment； shear resistance of bolt； Zhala Hydropower Station