唐良琴，劉東燕，余先華，唐 奎

（1.重慶大學土木工程學院，重慶 400044；2.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；3.重慶市沙坪壩區(qū)國土資源管理分局，重慶 400038；4.重慶理工大學數(shù)學與統(tǒng)計學院，重慶 400050）

巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性問題是我國20世紀70年代以來出現(xiàn)的最具特色的工程地質(zhì)問題之一。其中，水利水電工程領域的開挖高邊坡具有最大的高度，因此，問題也最為突出。鑒于水電巖質(zhì)高邊坡的復雜性和重要性，許多學者、科技工作者、工程技術人員進行了大量的研究［1～3］。

隨著我國西部大開發(fā)的持續(xù)深入，在西南部水力資源豐富的大渡河地區(qū)逐步開展了大規(guī)模的水電水利工程建設。該地區(qū)地形高差大、溝谷深切、山勢陡峻，復雜的地質(zhì)條件不僅給壩址確定和壩型選擇帶來了困難，而且對工程高邊坡的穩(wěn)定性研究也是巨大的挑戰(zhàn)。

從某種意義上而言，水電工程巖體研究和高邊坡的穩(wěn)定性研究甚至比對壩體本身的研究更為重要［4］。同時，邊坡的開挖坡比大小不僅關系到工程投資和開挖量，而且對于邊坡的穩(wěn)定性都具有十分重要的現(xiàn)實意義。因此，開展合理邊坡坡比確定和邊坡穩(wěn)定性研究，具有重大意義。

1 工程概況

金川水電站工程壩址位于四川省金川縣境內(nèi)的大渡河上，南距金川縣城大約12km。電站裝機容量86×104kW，壩型為面板堆石壩，最大壩高度約112m，正常蓄水位為2253m。引水發(fā)電系統(tǒng)進水口位于大渡河的左岸，其軸向邊坡主要位于大槽溝(上游側)和三朗溝(下游側)之間的一座突出的單薄山脊上(圖1)。根據(jù)設計方案，邊坡開挖后，進水口將形成上游側和軸向兩個高邊坡，進水口平臺位于軸向邊坡底部，寬92m。軸向邊坡底部高程為2230m，整個進水口邊坡頂部高程在2390～2395m之間，邊坡開挖高度約160m。因此，引水發(fā)電系統(tǒng)進水口邊坡的穩(wěn)定問題一直是該工程所研究的重大工程地質(zhì)問題之一。

2 邊坡工程地質(zhì)特征

2.1 邊坡巖性

左岸進水口邊坡主要位于上三疊統(tǒng)雜谷腦組上段的T3z2(6)和T3z2(7)巖組中(圖2～3)。T3z2(6)巖組分布在進水口邊坡的下游一側，厚60～70m，巖性為夾少量薄層的中厚層狀變質(zhì)細砂巖；T3z2(7)巖組位于進水口邊坡的上游側，厚73～90m，巖性為夾灰黑色碳質(zhì)千枚巖的灰色薄層狀變質(zhì)細砂巖；變形體(Bxt3)位于進水口邊坡的下部靠近河水面的位置，厚度小于2m；此外，在邊坡底部和三朗溝內(nèi)還有一些厚度小于10m的第四系崩、坡積堆積物(Q4)。

圖1 引水發(fā)電系統(tǒng)進水口邊坡全景Fig.1 Panorama of the diversion power system inlet slope

2.2 邊坡結構面及其組合特征

左岸進水口邊坡主要發(fā)育層面、裂隙、擠壓帶和層間錯動帶等幾類結構面。它們的存在既破壞了邊坡巖體的完整性，也大大降低了邊坡的整體穩(wěn)定性。

通過野外現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計，邊坡巖體中共發(fā)育4組優(yōu)勢裂隙(表1)。傾向坡內(nèi)的層面是最發(fā)育的一組裂隙。其次是傾向坡外的一組中陡傾裂隙，傾向為NW、傾角大于45°，該組裂隙對邊坡穩(wěn)定性不利。其余兩組裂隙都傾向坡內(nèi)，傾向分別為SE和NE。大多數(shù)擠壓帶和層間錯動帶都順著層面發(fā)育，其產(chǎn)狀為200°～230°∠50°～70°，破碎帶發(fā)育寬度變化較大，從幾厘米到幾十厘米，切層斷層不發(fā)育。

由于巖層走向與進水口軸向邊坡(335°∠73°)走向之間的夾角為65°，所以，軸向邊坡的坡體結構屬于橫向斜坡［5］。而巖層的走向與上游側邊坡(245°∠65°)走向之間的夾角為25°，并且二者傾向基本一致，因此，上游側邊坡的坡體結構為順層斜坡［5］。

表1 進水口邊坡裂隙優(yōu)勢方位Table 1 Dominant orientation of crack in inlet slope

2.3 邊坡巖體風化與卸荷特征

圖2 進水口邊坡平面圖Fig.2 Diagram showing the water intake slope

圖3 進水口邊坡地質(zhì)縱剖面圖Fig.3 Geological vertical section of the water intake slope

在巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性評價中，巖體風化與卸荷的程度是一個重要因素［6～7］。巖體風化與卸荷的程度直接影響到邊坡開挖坡比的確定和邊坡的整體穩(wěn)定性以及支護措施的選擇。在現(xiàn)場裂隙統(tǒng)計資料基礎上，根據(jù)劃分風化與卸荷的原則，并結合在平洞中的現(xiàn)場判斷，對左岸各主要平洞的風化與卸荷程度進行劃分，其劃分成果見表2。由表2可以看出，各平洞的風化卸荷深度有較大差異。究其原因，這現(xiàn)象主要是由左岸邊坡形態(tài)變化所致。若邊坡地形整齊，其風化與卸荷的深度則小一些，若山梁突出，其風化與卸荷的深度則大一些。平洞PD17恰好位于進水口邊坡的單薄山梁處，因此，它的風化卸荷深度可以很好的代表進水口邊坡山體的風化卸荷深度。

表2 主要平洞風化卸荷深度Table 2 Weathering and unloading depth of the main adits

3 邊坡水文地質(zhì)特征

由于邊坡陡峻且地形單一，地表集水域面積不大，地表水主要以面流的形式向渫水排泄，只有少部分向地下入滲。地下水主要賦存于巖體的風化、卸荷裂隙之中，其分布受限于地形地貌，受大氣降水補給，向大渡河排泄。

4 邊坡塊體穩(wěn)定性分析

4.1 邊坡局部塊體構成及失穩(wěn)模式分析

通過分析左岸進水口高邊坡的數(shù)碼拍攝影像和現(xiàn)場調(diào)查資料，并結合邊坡巖體結構，可以對邊坡上可能組合形成的塊體模式、穩(wěn)定狀況進行預測。

分析表明，左岸進水口邊坡的變形失穩(wěn)模式主要有:①以底部弱面為滑動面的蠕滑拉裂失穩(wěn)；②結構面組合構成的不穩(wěn)定塊體沿底部結構面向臨空面滑移的塊體滑動破壞；③順巖層層面或邊坡中長大結構面的傾倒變形失穩(wěn)。

4.2 邊坡巖體質(zhì)量分級與力學參數(shù)

CSMR分級方案在RMR-SMR體系的基礎上，引入了高度修正系數(shù)和結構面條件修正系數(shù)，是一種適用于邊坡巖體質(zhì)量評價的方法［8］。采用CSMR分級方案對進水口邊坡上的平洞PD17巖體進行巖體質(zhì)量分級劃分，結果見表3。在洞深101m以后，開始出現(xiàn)Ⅱ級巖體。

表3 平洞PD17巖級劃分結果Table 3 Division results of rock grade of the PD17 adit

根據(jù)壩址區(qū)的原位巖體(6組)及結構面(4組)大剪試驗和巖體變形試驗(14組)成果，以及室內(nèi)巖體(17組)及結構面(18組)抗剪強度試驗、巖體變形試驗(17組)、破碎帶原狀樣剪切試驗(9組)的成果，參考《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》［9］，同時考慮各種因素對邊坡巖體和結構面力學性質(zhì)的影響，給出左岸進水口邊坡巖體及結構面在天然狀態(tài)下的力學參數(shù)(表4)。

表4 力學參數(shù)建議值Table 4 Recommended value of mechanical parameters

4.3 邊坡塊體穩(wěn)定性分析

首先利用三維模型程序將進水口邊坡的地形、軟弱面以及巖層等建立成三維地質(zhì)模型，然后把在現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計得到的所有長大結構面做成三維圓盤模型置入前述建立的模型中。依據(jù)該邊坡的開挖設計要求，在三維地質(zhì)模型中進行垂直和平行邊坡軸向方向的剖切，從而得到結構面在上述兩個方向上的空間相交組合情況。塊體穩(wěn)定性計算分析采用商用的塊體穩(wěn)定性分析軟件Swedge。將邊坡在前述兩個剖切方向上獲得的結構面進行兩兩組合得到邊坡巖石塊體，然后將可能組合成不穩(wěn)定塊體的結構面和對應的結構面參數(shù)一起輸入塊體穩(wěn)定性分析軟件中計算各塊體的穩(wěn)定性系數(shù)。計算結果見表5。

表5 進水口邊坡塊體穩(wěn)定性系數(shù)計算結果Table 5 Block stability coefficients of the inlet slope

(1)在天然和地震條件下，穩(wěn)定性系數(shù)小于1的為結構面PD17-91和PD17-97.5組合形成的塊體，其體積為226.78m3。在開挖過程中，此塊體可能產(chǎn)生滑動破壞，因此應予以重視。其他塊體的穩(wěn)定性較好，穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.5。

(2)在暴雨條件下，由結構面PD17-91和PD17-97.5構成的塊體穩(wěn)定性系數(shù)由天然狀態(tài)的0.7降低到0.38。由結構面PD17-91和JSK-20組合形成的塊體的穩(wěn)定性系數(shù)由天然狀態(tài)的2.42降低到0.72。這2塊塊體可能會出現(xiàn)滑動失穩(wěn)現(xiàn)象。其他塊體的穩(wěn)定性系數(shù)都大于1.5，穩(wěn)定性較好。

5 邊坡開挖坡比的選定

在邊坡開挖過程中，開挖坡比偏小會增加開挖量和工程投資，偏大則無法保證邊坡的穩(wěn)定性。因此，必須準確合理地確定開挖坡比。

現(xiàn)在自然坡比調(diào)查統(tǒng)計結果表明:軸向邊坡坡比普遍介于1∶0.5 ～1∶1.2，最大坡比為 1∶0.53；上游側邊坡坡比普遍介于 1∶0.6 ～1∶1.3，最大坡比為1∶0.63。

根據(jù)野外現(xiàn)場調(diào)查:左岸進水口天然邊坡現(xiàn)階段沒有出現(xiàn)大范圍的變形破壞跡象，邊坡整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡表面為Ⅳ級巖體，在未來的開挖過程中將被挖出；開挖后的邊坡表部除上部有小范圍的稍差巖體分布外，其余表部巖體則為Ⅲ級巖體。同時還將采用一些支護措施來提高邊坡的整體穩(wěn)定性。因此，開挖邊坡坡比取值大于最大天然邊坡坡比是合理、可行的。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)手冊》開挖坡比建議值，本著安全、節(jié)約的原則，綜合考慮邊坡坡體結構、未來開挖高度、巖體質(zhì)量以及現(xiàn)場坡比統(tǒng)計后，建議的開挖坡比如下:對軸向開挖邊坡，上部的開挖坡比采用1∶0.5(即高程在2320m以上)，下部的開挖坡比采用1∶0.3(即高程在2230～2320m之間)；對上游側開挖邊坡，上部的開挖坡比采用1∶0.5(即在高程2280m以上)，下部的開挖坡比采用1∶0.4(即高程在2230～2280m之間)。

6 邊坡整體穩(wěn)定性分析

邊坡整體穩(wěn)定性分析的思路是將邊坡巖體作均一化處理，即忽略邊坡巖性、結構面的差異，在邊坡巖體分級的基礎上以巖體力學參數(shù)來同一邊坡巖體的差異性，巖體力學參數(shù)根據(jù)巖級給定，見前表4。

在本次整體穩(wěn)定性計算采用平面有限元法。計算時考慮天然、暴雨和地震條件等三種工況。在暴雨條件下，計算參數(shù)取天然狀態(tài)的0.9倍；地震狀態(tài)下參數(shù)不變，地震水平峰值加速度取0.097g。

6.1 進水口軸向開挖邊坡整體穩(wěn)定性分析

計算結果見圖4～5(部分)。從圖4～5可以得到以下結論:

(1)總體來講，邊坡開挖后將會出現(xiàn)向臨空面的卸荷回彈趨勢。在天然狀態(tài)下，位移量最大值5.1cm出現(xiàn)在開挖平臺處。在邊坡表部，位移量最大出現(xiàn)在邊坡的中部，達3cm，向開挖邊坡上部和下部逐漸降低。在地震狀態(tài)下，開挖平臺處位移量基本沒有什么變化，在邊坡表部的位移量變化趨勢也與天然狀態(tài)基本一致，只是位移量明顯地增加了2cm左右。

(2)在天然狀態(tài)下，開挖邊坡的破壞區(qū)主要分布在坡腳和邊坡上部。坡腳處主要以剪破壞為主，邊坡上部以拉破壞為主，且在邊坡開口線上部自然邊坡巖體中也出現(xiàn)了大量的拉破壞，這與現(xiàn)場調(diào)查的情況一致，應引起重視。在地震狀態(tài)下，破壞區(qū)的分布類型基本沒有變化，只是在坡腳處的分布范圍有所擴大，但是破壞區(qū)并沒有貫通，也就是說沒有形成一個破壞的通道，因此整體穩(wěn)定性較好。

圖4 軸向邊坡天然狀態(tài)下開挖后總位移(左)及破壞區(qū)(右)Fig.4 Total displacement(left)and failure zones(right)of the axial excavation slope under natural state

圖5 軸向邊坡地震狀態(tài)下開挖后總位移(左)及破壞區(qū)(右)Fig.5 Total displacement(left)and failure zones(right)of the axial excavation slope under earthquake state

6.2 進水口上游側開挖邊坡整體穩(wěn)定性分析

計算結果見圖6～7(部分)。從圖6～7可以看出:

(1)由于開挖邊坡的高度較軸向邊坡低一些，因此計算得到的位移量也相對低一些。在天然狀態(tài)下，開挖平臺處位移量最大，達到了3.4cm，而在開挖邊坡表部，位移量最大出現(xiàn)在邊坡頂部，為2.4cm，然后向邊坡下部逐漸降低，在坡腳處僅為0.7cm。地震狀態(tài)下，開挖平臺處的位移量有小幅度的降低，而在開挖邊坡表部位移量普遍增加了1cm左右。

(2)在天然狀態(tài)下，破壞區(qū)主要分布在坡腳處，破壞類型為剪破壞，分布范圍較小，顯示邊坡巖體有較好的整體穩(wěn)定性。另外在邊坡開口線上部的自然邊坡巖體中出現(xiàn)了拉破壞區(qū)，但僅出現(xiàn)在邊坡表部的Ⅳ級巖體中。地震狀態(tài)下，開挖邊坡各處破壞區(qū)的類型沒有什么變化，只是坡腳處的剪破壞區(qū)分布范圍有小幅度的增大?？傮w而言，破壞區(qū)的分布范圍較少，且沒有貫通，邊坡的整體穩(wěn)定性較好。

圖6 上游側邊坡天然狀態(tài)開挖后總位移(左)和破壞區(qū)(右)Fig.6 Total displacement(left)and failure zones(right)of the upstream-side excavation slope under natural state

圖7 上游側邊坡地震狀態(tài)開挖后總位移(左)和破壞區(qū)(右)Fig.7 Total displacement(left)and failure zones(right)of the upstream-side excavation slope in earthquake state

7 結論

(1)從宏觀地質(zhì)角度分析，層面裂隙(第一組)對上游側邊坡的穩(wěn)定性不利，傾向山坡外的優(yōu)勢裂隙(第二組)對軸向邊坡的穩(wěn)定性不利。但從邊坡的物質(zhì)組成及地質(zhì)結構特征分析結果可知，邊坡的整體穩(wěn)定性較好。

(2)邊坡塊體穩(wěn)定性分析結果表明，邊坡一共有14個組合塊體，其中不穩(wěn)定的塊體有2個。除了在極端的工況下局部塊體會失穩(wěn)外，其他塊體均較穩(wěn)定。

(3)根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計調(diào)查及地質(zhì)分析:軸向邊坡上部的開挖坡比采用1∶0.5、下部的開挖坡比采用1∶0.3，上游側邊坡上部的開挖坡比采用1∶0.5、下部的開挖坡比采用1∶0.4，都是合理可行的。

(4)有限元數(shù)值分析結果表明:軸向和上游側開挖邊坡的最大位移量均出現(xiàn)在開挖平臺處，坡腳處都以剪切破壞為主，但軸向邊坡的破壞區(qū)分布范圍較上游側大，且軸向開挖邊坡上部巖體中分布一定范圍的拉裂破壞區(qū)，兩邊坡開口線上部自然邊坡巖體中均出現(xiàn)了拉裂破壞區(qū)，應引起重視。在各工況下，兩開挖邊坡的破壞區(qū)都沒有貫通，因此邊坡整體穩(wěn)定性較好。

(5)盡管上游側邊坡坡體結構為對邊坡穩(wěn)定性不利的順層斜坡，但穩(wěn)定性分析結果表明上游側邊坡是穩(wěn)定的。

［1］李天.巖質(zhì)工程高邊坡穩(wěn)定性及其控制的系統(tǒng)研究［D］.成都:成都理工大學，2002.［LI T.Systematical research on the stability of high rock engineering slopes and its control［D］.Chengdu:Chengdu University of Technology，2002.(in Chinese)］

［2］佘成學，崔旋.長河壩水電站右岸導流隧洞進口高邊坡穩(wěn)定性有限元計算分析［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(增 2):3686 – 3691.［SHE C X，CUI X.Fem calculation of high inlet slope of diversion tunnel on right bank of Changheba hydropower station［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(S2):3686–3691.(in Chinese)］

［3］朱婷，黃宜勝，郭建.基于優(yōu)勢結構面理論的高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定生分析［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010，37(2):83 – 86.［ZHU T，HUANG Y S，GUO J.Stability analysis of a high and steep rocky slope based on preferred plane theory［J］.Hydrogeology ＆Engineering Geology，2010，37(2):83– 86.(in Chinese)］

［4］沈金瑞，林杭.巖質(zhì)高邊坡開挖優(yōu)化及穩(wěn)定性分析的復合方法［J］.東華理工大學學報:自然科學版，2009，32(4):350–357.［SHEN J R，LIN H.The compound method for the excavation optimization and stability analysis of high rock slope［J］.Journal of East China Institute of Technology，2009，32(4):350–357.(in Chinese)］

［5］成都理工大學與國家電力公司西北勘測設計研究院.金川水電站工程邊坡穩(wěn)定性研究［R］.成都:成都理工大學工程地質(zhì)研究所，2008.［Chengdu University of Technology and Northwest Survey and Design Institute of State Power Corporation.The engineering slope stability analysis of Jinchuan hydropower［R］.Chengdu:Engineering Geological Research Institute of Chengdu University of Technology，2008.(in Chinese)］

［6］鄭達，黃潤秋.高邊坡巖體卸荷帶劃分的量化研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2006，33(5):9 －12.［ZHENG D，HUANG R Q.Quantitative study on the classification of unloading zones of high slope［J］.Hydrogeology＆ Engineering Geology，2006，33(5):9–12.(in Chinese)］

［7］蔡耀軍，劉世斌，吳宏鈞.湖南皂市水利樞紐右岸高邊坡穩(wěn)定性研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(增2):4452－4457.［CAI Y J，LIU S B，WU H J.Study on stability of high slope of right bank of Zaoshi hydropower project，Hunan Province ［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(S2):4452－4457.(in Chinese)］

［8］楊天俊.邊坡巖體質(zhì)量分類體系介紹［J］.西北水電，2004(2):8 － 9.［YANG T J.Introduction of slope rockmass quality classification system ［J］.Northwest Water Power，2004(2):8 － 9.(in Chinese)］

［9］GB50487－2008水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.［GB50487－2008 Code for engineering geological investigation of water resources and hydropower［S］.(in Chinese)］