西部地區(qū)某水電站工程廠房邊坡穩(wěn)定分析與評價

吳 波，謝紅建

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002)

西部地區(qū)某水電站工程位于貴州省西南部馬別河上游隔界河段，總庫容9912萬m3，正常蓄水位為1337m，工程的主要任務(wù)是以城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水為主，結(jié)合灌溉，兼顧發(fā)電等綜合利用。

該電站廠房位于壩后河流轉(zhuǎn)彎前距壩址約130m處的陡巖腳一狹窄緩坡地帶，高程在1268～1280m。廠房邊坡為各種結(jié)構(gòu)面切割的巖質(zhì)邊坡，由于邊坡坡度變化較大，形成峻坡和懸坡，邊坡高度大于150m，為超高邊坡。邊坡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且距離大壩較近，施工中降雨、水庫蓄水對水工建筑物安全構(gòu)成威脅，故針對廠房開挖邊坡的穩(wěn)定性作專題研究。

1 廠房邊坡工程地質(zhì)條件

1.1 基本地質(zhì)條件

廠房邊坡區(qū)出露地層由下至上分別為關(guān)嶺組二段(T2g2)第一層至第四層及關(guān)嶺組三段(T2g3)和第四系覆蓋層。

廠房邊坡的坡腳高程為EL1267～EL1272m，出露地層為關(guān)嶺組二段第二層(T2g2-2)灰色、淺灰色薄至中厚層灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r夾極薄層泥質(zhì)灰?guī)r。

邊坡下部高程分布在EL1330～EL1360m，高約30m，出露地層為關(guān)嶺組二段第三層(T2g2-3)灰色薄泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r及雜色砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖，厚約30m，產(chǎn)生物化石，由于巖性較軟，地形坡度相對較緩，地形坡度為41°～54°。

邊坡中上部高程分布在EL1360～EL1600m，出露地層為關(guān)嶺組二段第四層(T2g2-4)灰色厚層瘤狀灰?guī)r白云質(zhì)灰?guī)r，分布在壩肩以上。地形坡度約在80°左右。

1.2 邊坡構(gòu)造及結(jié)構(gòu)面

廠房邊坡位于博上寬緩向斜西南揚起端近核部。巖層傾向左岸，傾角6°～10°，左岸為逆向坡，右岸為順向坡。巖體左岸為層狀結(jié)構(gòu)，右岸為碎裂結(jié)構(gòu)。據(jù)地表地質(zhì)測繪及硐探揭露，未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造，節(jié)理裂隙及卸荷裂隙較發(fā)育，并分布有軟弱夾層，細述如下：

1.2.1 節(jié)理裂隙

表1 廠房一帶邊坡節(jié)理裂隙統(tǒng)計

1.2.2 軟弱夾層及泥化夾層

廠房邊坡區(qū)共分布有2層軟弱層及1層間泥化夾層，層面及軟弱層是巖體內(nèi)的主要薄弱面，分述如下。

圖1 節(jié)理裂隙的極點及對應(yīng)的大圓

泥化夾層(NJ1)：為層間泥化夾層，厚25～27cm，局部達30cm，沿層面延伸，成分為黃色、黃褐色粘土夾碎石，碎石含量約40%～50%，粒徑0.2～5cm，呈軟塑狀態(tài)，該層上下均為中厚至厚層灰?guī)r。

軟弱巖石層：第一層軟弱層位于T2g1-2地層與T2g2-1地層分界處，成分為薄層泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖及鈣質(zhì)泥巖；第二層軟弱層位于T2g2-1地層與T2g2-2地層分界處，成分為薄層泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖及鈣質(zhì)泥巖，沿層面有起伏，沿泥化夾層有滲水現(xiàn)象；

1.3 邊坡巖體質(zhì)量分類

根據(jù)廠房邊坡一帶巖層分布情況，將巖石劃分為3個工程巖組，根據(jù)各地層單元巖性特征、巖體強度及節(jié)理發(fā)育情況等劃分巖體類別見表2。

表2 廠房邊坡巖體基本質(zhì)量分級

2 定性分析與評價

2.1 赤平投影分析

根據(jù)前文中表1所統(tǒng)計的節(jié)理裂隙，廠房邊坡的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面為5組，分別為：①250°∠80°；②330°∠80°；③350°∠85°；④150°∠85°；⑤175°∠85°。

按DL/T5337-2006《水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》附錄A.2及DL/T5353-2006《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》附錄B.1，左岸廠房邊坡為層狀斜向邊坡。

左岸廠房邊坡的地形坡度41°～85°，邊坡坡面傾向為206°。根據(jù)地質(zhì)參數(shù)，邊坡泥化夾層的最小內(nèi)摩擦角為19°，層面和節(jié)理裂隙面的最小內(nèi)摩擦角為26.5°。巖層平均產(chǎn)狀為70°∠9°，圖1為節(jié)理裂隙的極點及對應(yīng)的大圓。

2.2 數(shù)值分析

根據(jù)原設(shè)計開挖卸荷方案和支護計劃及邊坡區(qū)工程地質(zhì)條件，分析范圍為矩形區(qū)域，分析中的地層巖性有關(guān)嶺組第一段、關(guān)嶺組二段第一層至第四層，關(guān)嶺組第三段，泥化夾層和軟弱層面均采用實體單元進行模擬，將其厚度均設(shè)置為2m，最下部的泥化夾層由于未在地表出露，不予考慮。廠房開挖在不同剖面的高程有一定的差異，不考慮每15m高的臺階，簡化成斜坡，斜坡的坡度為1∶0.18。模擬范圍內(nèi)的原始地貌及開挖形狀如圖2所示。

圖2 模擬范圍內(nèi)的原始地貌及開挖形狀

根據(jù)上述三維數(shù)值分析，其位移、應(yīng)力和塑性區(qū)的分布基本上等同于二維分析，也表明廠房開挖的三維效應(yīng)不明顯。對三維邊坡進行強度折減法的安全系數(shù)分析，開挖后的穩(wěn)定性系數(shù)為1.23，邊坡破壞以坡頂產(chǎn)生拉裂縫和開挖面產(chǎn)生剪切屈服為標(biāo)志。

3 措施與建議

(1)廠房邊坡一帶巖體層面及軟弱層均較發(fā)育，共分布有二層軟弱層及一層間泥化夾層，層面及軟弱層是巖體內(nèi)的主要薄弱面，且?guī)r體節(jié)理裂隙及卸荷裂隙較發(fā)育，邊坡的結(jié)構(gòu)類型為含軟弱夾層的層狀斜向高邊坡。

(2)根據(jù)赤平投影分析，由于存在裂隙250°∠80°，故開挖邊坡后，其坡度不能陡于開挖前，邊坡坡度不宜超過80°，以防止發(fā)生平面滑動；邊坡由2組或2組以上的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生較多的楔形體組合，很容易產(chǎn)生楔形體滑動。

(3)根據(jù)二維及三維數(shù)值分析，在坡腳、軟弱層面和泥化夾層的周邊及地形變化處，出現(xiàn)較多的剪切應(yīng)力集中區(qū)，這些位置容易發(fā)生剪切破壞。在坡頂出現(xiàn)較多的拉應(yīng)力分布區(qū)，在坡腳和坡度變化的位置也分布有少量的拉應(yīng)力。開挖后，坡頂位置拉應(yīng)力區(qū)有擴大的趨勢，并在開挖面附近形成新的拉應(yīng)力區(qū)。

4 結(jié)論

通過對上述廠房邊坡的赤平投影分析及二維及三維數(shù)值分析，采用極限平衡法對該邊坡在不同工況下的整體穩(wěn)定進行驗算，認為該邊坡開挖后總體能滿足規(guī)范要求，但考慮到邊坡的高度及含軟弱夾層的特性，爆破損傷及不同結(jié)構(gòu)面形成的局部不穩(wěn)定楔形體等因素，邊坡的變形和產(chǎn)生的崩塌落石危害性很大，且治理較困難，建議采用地下廠房。根據(jù)巖層硬夾軟邊坡的穩(wěn)定性影響因素和失穩(wěn)破壞模式，建議軟硬巖支護措施的防治重點在于注重地表的排水、控制軟巖的風(fēng)化和控制軟巖的變形，為類似高邊坡穩(wěn)定分析評價及治理提供借鑒，值得推廣。