順層中傾角對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響及開挖方案研究

張洋，沈俊良, 2，周勇, 2

(1. 中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州310014；2浙江中科依泰斯卡巖石工程研發(fā)有限公司，浙江杭州310014 )

順坡向巖質(zhì)邊坡在水電工程、交通工程經(jīng)常遇到，且順坡向結(jié)構(gòu)面往往是威脅邊坡工程的主要因素之一[1-2]，尤其遇到規(guī)模較大的，結(jié)構(gòu)面貫穿性強的邊坡，通常這類邊坡失穩(wěn)的可能性較大，具有突發(fā)性、危害巨大等特點，其治理的代價也往往較高。近來，西南水電交通的大力發(fā)展，使不少國內(nèi)外學(xué)者在邊坡研究方面取得了不少成果[3-8]，主要通過定性分析的方法快速對邊坡穩(wěn)定性做出評價，但在定量方面還無法達到完全定量，通常通過剛體極限平衡、數(shù)值分析等方法，來評估邊坡的穩(wěn)定性[6-7]。其中，在順層滑移破壞機制方面的失穩(wěn)理論也有較多的[11-15]，但實際應(yīng)用中遇到規(guī)模較大的邊坡，仍少有較好的工程處理方法來解決巖體順層滑移等問題[6-8]。金波石料場邊坡順坡向中傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育，本文結(jié)合金波石料場，對其穩(wěn)定性進行分析評價，并結(jié)合該邊坡實際特點，通過對比兩種避讓方案，來達到石料開采期邊坡施工安全的目的，可為其他順坡向中傾角發(fā)育的料場邊坡開挖提供思路。

1 工程概況

金波石料場(圖1)規(guī)劃區(qū)域位于雅礱江左岸上游江邊，距上壩址約1.5 km，沿江長約570 m，寬約250 m；石料場為斜坡地形，邊坡走向為邊坡走向約N10～20°E，坡腳江面高程為1 990 m，斜坡分水嶺的山脊高程為2 700～2 937 m，最大高差為947 m?；鶐r巖性為花崗閃長巖，有用層計算儲量約1 782.18萬m3，平均厚度校核儲量約1 816.86萬m3。金波石料場需承擔(dān)楊房溝、卡拉兩個工程混凝土骨料料源開采任務(wù)，其規(guī)劃開采有用料至少為492萬m3(楊房溝206萬m3加卡拉286萬m3)。金波石料場設(shè)計終采平臺高程為2 090.00 m，最大邊坡高度為257 m，其工程邊坡從上游到下游的整體體型為側(cè)臥“L”型，其坡面呈臺階斜坡狀，分正面工程邊坡、下游側(cè)工程邊坡。

整體邊坡順坡向結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，淺表層巖體卸荷強烈，局部陡坡分布有危巖體。工程邊坡發(fā)育斷層主要為3組，第一組,順坡向中、緩傾角斷層，發(fā)育;第二組,NE向陡傾角斷層，次發(fā)育;第三組,NNW向陡傾角斷層，較少發(fā)育。

2 料場邊坡失穩(wěn)機制分析

順層巖質(zhì)邊坡的破壞模式多為平面滑動破壞[12-14]，金波石料場邊坡大多地段順坡中傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育，邊坡順坡中傾角結(jié)構(gòu)面與陡傾優(yōu)勢節(jié)理裂隙相互切割，可構(gòu)成規(guī)模不等的潛在不穩(wěn)定塊體，順坡中傾角結(jié)構(gòu)面作為底滑面，對邊坡穩(wěn)定不利。顯然，金波石料場邊坡節(jié)理裂隙發(fā)育，作為典型的節(jié)理巖質(zhì)高邊坡，其潛在的變形破壞模式將主要受控于復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)。平面滑動采用剛體極限平衡法進行分析[14-15]，可簡化為圖 2。

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)定義坡體抗滑力和下滑力的比值，則Fs可寫成式(1)，其中滑體單寬面積為A，滑面長度為L，巖體容重為γ，滑面傾角為α，滑面摩擦角為φ，黏聚力為c。將滑體等效成同厚度h的巖層，當(dāng)邊坡處于極限平衡時，巖層的臨界厚度可以寫成式(2)。

(1)

(2)

由于坡體面積等效成同厚度的巖層，根據(jù)幾何公式可得式(3)，其中坡面傾角為β。

(3)

聯(lián)合式(2)、(3)，可求出平面滑動破壞時的臨界坡高為：

(4)

該式即可作為平面滑動破壞的判據(jù)。如金波石料場巖體容重γ為27 000 N/m3，滑面摩擦角φ為0.5，黏聚力c為0.1，那么滑面傾角α和臨界等效巖層厚度h的關(guān)系見圖 3，坡面傾角β和臨界坡高H的關(guān)系見圖 4。

3 料場邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)地質(zhì)所提供信息，對金波石料場進行整體三維建模，當(dāng)前三維模型中對馬道開挖進行了簡化，同時充分考慮坡體的多組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面分布情況，其中順坡向中傾角長大結(jié)構(gòu)面為全貫通，傾角按統(tǒng)計結(jié)果40°考慮，其余的幾組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面按50%的連通率進行隨機切割。

通過強度折減法對邊坡進行穩(wěn)定性計算，圖 5為天然邊坡不同系數(shù)折減后的變形特征，可判斷，邊坡的整體安全系數(shù)為1.2～1.3。圖 6為原方案開挖無支護后折減的變形特征，石料場正面邊坡持久工況下的整體安全系數(shù)約為1.05～1.10，由于正面開挖，致使多組順坡向結(jié)構(gòu)面切腳剪出，且上游側(cè)臨近金波溝為凌空面，整體卸荷問題相對突出，上游側(cè)邊坡的穩(wěn)定性相對下游側(cè)略差。整體來看，邊坡開挖后，邊坡穩(wěn)定性較差，各工況安全系數(shù)均不滿足邊坡規(guī)范要求。

4 開挖方案對比分析

由于該工程順坡向結(jié)構(gòu)面對邊坡的影響程度非常大，若采用錨索支護，施工成本將嚴(yán)重影響工程經(jīng)濟效益，所以需在開挖體上做大的方案調(diào)整，根據(jù)楊房溝水電站、卡拉水電站兩者所需用料，給出了兩種邊坡開挖體型調(diào)整方案見圖7。

方案一(轉(zhuǎn)角)在原設(shè)計開挖坡面最上游側(cè)開挖線向金波溝方向旋轉(zhuǎn)30°。設(shè)計終采平臺高程為2 090 m，與原方案一致，開挖高度為320 m。開挖坡比與原技施階段基本一致，即微新巖體開挖坡比為1.0∶0.2，弱風(fēng)化、弱卸荷巖體開挖坡比為1.0∶0.3，強風(fēng)化、強卸荷巖體開挖坡比為1.0∶0.5。

方案二在利用料場的已有兩個溜渣豎井的同時，為避開料場可能潛在的順坡向長大斷層(節(jié)理)，將料場分為上下游2個主要開挖區(qū)，保留豎井間巖體。設(shè)計終采平臺高程為2 070 m，較原方案低20 m，開挖坡比與原技施階段一致，巖柱頂部高程2 230 m高程，頂寬為34 m，底寬約為130 m，開挖形狀為“牛鼻型”。

基于強度折減法分別對各方案開挖后的邊坡進行穩(wěn)定性計算，圖 8、9給出了2種方案強度折減后的變形失穩(wěn)區(qū)域特征，潛在破壞模式均以中淺層坡體沿順坡向中傾角結(jié)構(gòu)面的滑移破壞為主。針對3種方案，表 1分析了各方案的相對利弊。

表1 各設(shè)計方案下工程邊坡的整體穩(wěn)定性情況

“方案一”情況下，工程邊坡持久工況下的整體安全系數(shù)在1.20～1.25之間。相比原方案，此方案由于向金波溝方向旋轉(zhuǎn)30°，一定程度上改善了與原順坡結(jié)構(gòu)面的不利交切關(guān)系，規(guī)避了“原方案”中切腳開挖帶來的潛在工程風(fēng)險，整個坡面的安全系數(shù)均有較明顯的提升。

“方案二”情況下，邊坡持久工況下的靠上游側(cè)的安全系數(shù)為1.10～1.15，靠下游側(cè)的安全系數(shù)為1.20～1.25之間。相比原方案，此方案預(yù)留了一定厚度的中間巖柱，降低了邊坡的整體開挖尺度或規(guī)模，整個正面坡的整體安全系數(shù)均有所提高，尤其對靠下游側(cè)邊坡的穩(wěn)定性提升作用明顯。

5 討論

通過3種方案對比，和現(xiàn)場勘探情況的進一步復(fù)合，最終擬定開挖方案(圖 10)，該開挖方案，上部2 210 m高程以上與原開挖方案保持一致，上游側(cè)保留中下部巖體，下游側(cè)向下游拓展30 m，兩側(cè)開挖面角度增大，設(shè)計終采平臺高程為2 095 m，開挖坡比與原技施階段一致。該方案結(jié)合了原方案和方案二優(yōu)點，在保證及時供料的同時，也保證了水庫蓄水時間節(jié)點不受影響。從安全上來看，該方案不但減小了順坡中、緩傾角斷層和節(jié)理出露長度，避開順坡向中傾角貫穿結(jié)構(gòu)面剪出帶來的潛在風(fēng)險，而且可利用前期已布置的交通洞、溜渣井及其他相關(guān)布置。

6 結(jié)論

a) 金波石料場整體邊坡順坡向中傾角結(jié)構(gòu)面非常發(fā)育，規(guī)模較大，開挖后，整體穩(wěn)定性較差，安全系數(shù)較低。

b) 金波料場開挖邊坡的安全威脅主要來自順坡向中傾角結(jié)構(gòu)面，根據(jù)剛體極限平衡法得出金波石料場滑面傾角和臨界等效巖層厚度的關(guān)系以及坡面傾角和臨界坡高H的關(guān)系。

c) 通過數(shù)值模擬對比3種開挖方案，擬定新方案結(jié)合了原方案和方案二的優(yōu)點，邊坡上游側(cè)2 210 m高程以下避免了更多順坡中傾角結(jié)構(gòu)面的揭露，未開挖部分可以起到對上部巖體的支撐作用，對開挖邊坡穩(wěn)定有利，在滿足工程施作各個時間節(jié)點的同時，最大化地利用前期原方案已實施的相關(guān)布置。