張洋，沈俊良, 2，周勇, 2

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)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(qiáng)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(diǎn)，其治理的代價(jià)也往往較高。近來(lái)，西南水電交通的大力發(fā)展，使不少國(guó)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(guò)定性分析的方法快速對(duì)邊坡穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)，但在定量方面還無(wú)法達(dá)到完全定量，通常通過(guò)剛體極限平衡、數(shù)值分析等方法，來(lái)評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性[6-7]。其中，在順層滑移破壞機(jī)制方面的失穩(wěn)理論也有較多的[11-15]，但實(shí)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(lái)解決巖體順層滑移等問(wèn)題[6-8]。金波石料場(chǎng)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(chǎng)，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并結(jié)合該邊坡實(shí)際特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比兩種避讓方案，來(lái)達(dá)到石料開(kāi)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(chǎng)邊坡開(kāi)挖提供思路。

1 工程概況

金波石料場(chǎng)(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(zhǎng)約570 m，寬約250 m；石料場(chǎng)為斜坡地形，邊坡走向?yàn)檫吰伦呦蚣sN10～20°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(zhǎng)巖，有用層計(jì)算儲(chǔ)量約1 782.18萬(wàn)m3，平均厚度校核儲(chǔ)量約1 816.86萬(wàn)m3。金波石料場(chǎng)需承擔(dān)楊房溝、卡拉兩個(gè)工程混凝土骨料料源開(kāi)采任務(wù)，其規(guī)劃開(kāi)采有用料至少為492萬(wàn)m3(楊房溝206萬(wàn)m3加卡拉286萬(wàn)m3)。金波石料場(chǎng)設(shè)計(jì)終采平臺(tái)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(tái)階斜坡?tīng)?，分正面工程邊坡、下游?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(qiáng)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(chǎng)邊坡失穩(wěn)機(jī)制分析

順層巖質(zhì)邊坡的破壞模式多為平面滑動(dòng)破壞[12-14]，金波石料場(chǎng)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(shì)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(duì)邊坡穩(wěn)定不利。顯然，金波石料場(chǎng)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(dòng)采用剛體極限平衡法進(jìn)行分析[14-15]，可簡(jiǎn)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(xiě)成式(1)，其中滑體單寬面積為A，滑面長(zhǎng)度為L(zhǎng)，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(shí)，巖層的臨界厚度可以寫(xiě)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(dòng)破壞時(shí)的臨界坡高為：

(4)

該式即可作為平面滑動(dòng)破壞的判據(jù)。如金波石料場(chǎng)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(jiàn)圖 3，坡面傾角β和臨界坡高H的關(guān)系見(jiàn)圖 4。

3 料場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)地質(zhì)所提供信息，對(duì)金波石料場(chǎng)進(jìn)行整體三維建模，當(dāng)前三維模型中對(duì)馬道開(kāi)挖進(jìn)行了簡(jiǎn)化，同時(shí)充分考慮坡體的多組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面分布情況，其中順坡向中傾角長(zhǎng)大結(jié)構(gòu)面為全貫通，傾角按統(tǒng)計(jì)結(jié)果40°考慮，其余的幾組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面按50%的連通率進(jìn)行隨機(jī)切割。

通過(guò)強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)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(kāi)挖無(wú)支護(hù)后折減的變形特征，石料場(chǎng)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(kāi)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(wèn)題相對(duì)突出，上游側(cè)邊坡的穩(wěn)定性相對(duì)下游側(cè)略差。整體來(lái)看，邊坡開(kāi)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(kāi)挖方案對(duì)比分析

由于該工程順坡向結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡的影響程度非常大，若采用錨索支護(hù)，施工成本將嚴(yán)重影響工程經(jīng)濟(jì)效益，所以需在開(kāi)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(kāi)挖體型調(diào)整方案見(jiàn)圖7。

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

方案二在利用料場(chǎng)的已有兩個(gè)溜渣豎井的同時(shí)，為避開(kāi)料場(chǎng)可能潛在的順坡向長(zhǎng)大斷層(節(jié)理)，將料場(chǎng)分為上下游2個(gè)主要開(kāi)挖區(qū)，保留豎井間巖體。設(shè)計(jì)終采平臺(tái)高程為2 070 m，較原方案低20 m，開(kāi)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(kāi)挖形狀為“牛鼻型”。

基于強(qiáng)度折減法分別對(duì)各方案開(kāi)挖后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，圖 8、9給出了2種方案強(qiáng)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(duì)3種方案，表 1分析了各方案的相對(duì)利弊。

表1 各設(shè)計(jì)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(kāi)挖帶來(lái)的潛在工程風(fēng)險(xiǎn)，整個(gè)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(kāi)挖尺度或規(guī)模，整個(gè)正面坡的整體安全系數(shù)均有所提高，尤其對(duì)靠下游側(cè)邊坡的穩(wěn)定性提升作用明顯。

5 討論

通過(guò)3種方案對(duì)比，和現(xiàn)場(chǎng)勘探情況的進(jìn)一步復(fù)合，最終擬定開(kāi)挖方案(圖 10)，該開(kāi)挖方案，上部2 210 m高程以上與原開(kāi)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(kāi)挖面角度增大，設(shè)計(jì)終采平臺(tái)高程為2 095 m，開(kāi)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(diǎn)，在保證及時(shí)供料的同時(shí)，也保證了水庫(kù)蓄水時(shí)間節(jié)點(diǎn)不受影響。從安全上來(lái)看，該方案不但減小了順坡中、緩傾角斷層和節(jié)理出露長(zhǎng)度，避開(kāi)順坡向中傾角貫穿結(jié)構(gòu)面剪出帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，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(chǎng)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(kāi)挖后，整體穩(wěn)定性較差，安全系數(shù)較低。

b) 金波料場(chǎng)開(kāi)挖邊坡的安全威脅主要來(lái)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(chǎng)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(guò)數(shù)值模擬對(duì)比3種開(kāi)挖方案，擬定新方案結(jié)合了原方案和方案二的優(yōu)點(diǎn)，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(kāi)挖部分可以起到對(duì)上部巖體的支撐作用，對(duì)開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定有利，在滿足工程施作各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，最大化地利用前期原方案已實(shí)施的相關(guān)布置。