孫展杰（塔里木河流域管理局新疆庫爾勒841000）

順層巖質(zhì)邊坡破碎巖體開挖回填穩(wěn)定性分析

孫展杰
（塔里木河流域管理局新疆庫爾勒841000）

為定量分析存在破碎巖體邊坡的整體穩(wěn)定性大小，以觀音水庫邊坡除險加固工程為背景，采用數(shù)值分析法對邊坡破碎巖體開挖回填過程進(jìn)行模擬分析，計(jì)算考慮了初始工況、開挖工況和回填工況，計(jì)算結(jié)果對水庫邊坡的整治有一定的參考價值。

邊坡；數(shù)值分析；安全系數(shù)；塑性應(yīng)變；滑裂面

1　工程概況

觀音水庫位于四川省平昌縣境內(nèi)，距縣城約15km，位于巴河一級支流小橋溝上段。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道及放水設(shè)施組成。工程于1977年竣工，壩址以上集雨面積0.61km2，水庫最大壩高11m，壩頂長89.0m，壩頂寬2.0m，壩頂高程為623.31m。壩體坡度較陡，實(shí)測上游壩體坡度坡比從上到下依次為1∶2.0、1∶2.15、1∶1.9；下游壩體坡度坡比從上到下1∶1.9、1∶1.9、1∶2.0。水庫校核洪水位623.20m，正常水位622.75m，總庫容10.69萬m3，正常庫容6.74萬m3。該工程是一座以灌溉為主，兼有防洪綜合效益的工程，水庫設(shè)計(jì)灌面為197畝，實(shí)際有效灌面為150畝。

經(jīng)過多年的正常運(yùn)行，在最近的水庫除險加固工程調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，部分水庫邊坡巖體局部風(fēng)化破碎嚴(yán)重，且發(fā)生過幾次小規(guī)模的巖體坍塌、掉落，需及時進(jìn)行加固整治。

2　庫區(qū)地質(zhì)概況

2.1區(qū)域地質(zhì)條件

水庫在區(qū)域上屬構(gòu)造剝蝕堆積類型，顯低山深丘峽谷地貌特征。在構(gòu)造作用下，河谷下切較深，兩岸溝發(fā)育，形成樹枝狀。由于巖層平緩，受侵蝕切割形成階梯狀嶺谷地貌，山頂寬闊平坦，或呈圓頂狀。臺地邊緣深溝狹谷發(fā)育，平面呈現(xiàn)不規(guī)則鋸齒形狀，臺面寬度數(shù)十至數(shù)百米，臺面地帶多為泥巖分布，地形平緩，風(fēng)化剝蝕作用相對較強(qiáng)，臺地邊緣巖坎高度與砂巖厚度密切相關(guān)。

庫區(qū)內(nèi)河谷為深切“V”型狹谷，主河道現(xiàn)代河床寬8m～20m，壩址區(qū)溝底寬度小于10m，正常畜水位621.41m時，主河道河水面寬約98m。河床高程523.45m～524.61m，主河道縱坡比降約133‰。河谷兩岸山體寬厚雄偉，谷坡陡峻。

工程區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系松散堆積層中的孔隙潛水及基巖裂隙水，孔隙潛水主要埋藏于松散堆積層中，受大氣降水或沖溝水補(bǔ)給，排泄于水庫?；鶐r裂隙水主要埋藏于砂巖及粉砂質(zhì)泥巖風(fēng)化裂隙中，砂巖的風(fēng)化帶為含水層或透水層，新鮮完整的粉砂質(zhì)泥巖以及砂巖致密，含水微弱，透水性較差，可視為相對隔水層。

2.2庫區(qū)內(nèi)邊坡穩(wěn)定問題

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)測繪資料顯示，水庫兩岸岸坡強(qiáng)、弱風(fēng)化帶垂直厚度分別為1.5m～2.5m、4.8m～6.3m。在陡坎、陡崖段多見有卸荷裂隙，卸荷帶水平寬度約8m～20m。庫周巖體裸露，植被較好，未見大的堆積體分布，不存在水庫浸沒、水庫淤積等問題。庫內(nèi)巖體強(qiáng)度低，庫水深度小，未有斷層分布，不存在水庫誘發(fā)地震的可能。［1］

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)大的坍塌和滑坡體存在，且已建水庫多年的運(yùn)行證明，近壩庫岸穩(wěn)定性較好，不存在大的庫岸再造問題。但部分邊坡巖體局部風(fēng)化破碎比較嚴(yán)重，在裂隙切割作用下存在小規(guī)模垮塌的可能，將直接影響水庫的正常運(yùn)行［2-4］。因此，有必要對部分邊坡內(nèi)破碎嚴(yán)重的巖體進(jìn)行開挖清理，并及時回填，從而提高邊坡的整體穩(wěn)定性。［4］

3　邊坡模型建立及參數(shù)選取

結(jié)合水庫地質(zhì)資料，得到了典型邊坡斷面內(nèi)部巖土體巖層走向及分布，結(jié)果表明邊坡巖層走向與坡面相同，是典型的順層邊坡，巖層走向不利于邊坡的穩(wěn)定。本文基于相關(guān)勘測結(jié)果及地質(zhì)資料，建立了邊坡有限元模型［5-8］，邊坡模型高20m，長30m，坡角36.5°，見圖1，根據(jù)報告得到了數(shù)值計(jì)算所需的巖體力學(xué)參數(shù)，見表1。

圖1　邊坡斷面有限元模型及巖體材料分區(qū)

4　模擬結(jié)果及分析

4.1穩(wěn)定性分析

位于邊坡坡腳位置的破碎巖體，由于巖體強(qiáng)度很低，在一定的外力條件下，比如重力作用，有可能發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的塑性應(yīng)變。因此，計(jì)算得到了3種工況下邊坡內(nèi)部塑性應(yīng)變區(qū)分布，如下圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)：在初始狀態(tài)下，見（a）圖，邊坡內(nèi)部風(fēng)化破碎巖體分界處發(fā)生了較大的塑性應(yīng)變，形成一個貫穿的弧形分布區(qū)，為破碎巖體的滑動提供了條件；當(dāng)對破碎巖體進(jìn)行開挖清理后，邊坡的塑性應(yīng)變位置轉(zhuǎn)移到開挖面的底部位置，并有往下部巖體發(fā)展的趨勢，見圖（b）；當(dāng)采用混凝土及時回填處理后，修復(fù)受損坡面，塑性應(yīng)變分布范圍大大減小，僅在分界處零星存在，見圖（c）。

為進(jìn)一步定量分析不同工況下水庫邊坡的穩(wěn)定性大小，采用有限元強(qiáng)度折減法對不同工況邊坡的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減計(jì)算［9-11］，主要折減參數(shù)包括粘聚力和內(nèi)摩擦角，計(jì)算得到了不同折減系數(shù)下邊坡巖體單位的最大位移，見下圖3。分析可知，隨著折減系數(shù)的增加，邊坡內(nèi)部巖體單元發(fā)生的最大位移也逐漸增加，這是由于邊坡內(nèi)巖體強(qiáng)度逐漸降低造成的，當(dāng)取相同折減系數(shù)時，初始工況發(fā)生的位移最大，其次是開挖工況，最小是回填工況。另外，根據(jù)位移量突變?yōu)榕袆e指標(biāo)，確定了3種工況邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，初始狀態(tài)為1.3，開挖后可達(dá)到1.7，回填后則進(jìn)一步增加到2.0左右，回填后相比初始狀態(tài)安全系數(shù)提高了大約54%，說明在重力的作用下，由于存在破碎巖體，邊坡穩(wěn)定性較低，進(jìn)行及時開挖回填處理可有效的提高水庫邊坡的安全性。

圖3　不同折減系數(shù)下3種工況邊坡單元最大位移量

表1　邊坡巖體數(shù)值計(jì)算力學(xué)參數(shù)

圖2　不同工況邊坡內(nèi)部塑性應(yīng)變區(qū)分布

4.2潛在滑裂面分析

為深入分析不同工況下水庫邊坡可能存在的滑裂面，得到了3種工況下邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)的危險滑裂面位移矢量圖，如圖4所示，圖中箭頭代表邊坡巖體單元的運(yùn)動方向?？梢园l(fā)現(xiàn)，在初始工況下，折減系數(shù)為1.3時，邊坡潛在的危險滑裂面位于破碎巖體內(nèi)部，發(fā)生較大的沿著巖層走向的位移；而開挖工況和回填工況下，邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)時，潛在的滑裂面位于巖體內(nèi)部，起于頂部邊坡，止于坡腳位置，這是順層巖質(zhì)邊坡存在的典型圓弧滑動面，特別是在回填工況下，當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到2.0時，邊坡才有可能出現(xiàn)滑動，表明回填加固后邊坡穩(wěn)定性得到較大的提升。

圖4　極限平衡狀態(tài)下邊坡潛在滑裂面（位移矢量）

5　結(jié)語

基于平昌縣觀音水庫除險加固工程，發(fā)現(xiàn)部分水庫邊坡巖體局部風(fēng)化破碎嚴(yán)重，容易發(fā)生巖體坍塌和掉落，對水庫的正常運(yùn)行存在較大影響。采用數(shù)值方法對破碎巖體的開挖和混凝土回填后邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行定量評估，得到了邊坡在不同工況下的穩(wěn)定性大小和塑性應(yīng)變分布情況，結(jié)果表明：

a）初始工況下，破碎巖體內(nèi)部發(fā)生較大的塑性應(yīng)變，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性較小，安全系數(shù)僅有1.3，在某些不利工況組合作用下，存在滑動的可能；開挖回填處理后，穩(wěn)定性得到提升，塑性應(yīng)變分布大大減小，安全系數(shù)可提高54%；

b）當(dāng)邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)時，初始工況的潛在滑裂面沿破碎巖體分界面分布，而開挖工況和回填工況則受巖層走向控制，滑裂面位于巖體內(nèi)部，起于頂部邊坡，并止于坡腳位置。

說明針對類似含有破碎巖體的邊坡斷面，本文的開挖回填方案是有效可行的。陜西水利

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（責(zé)任編輯：暢妮）

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