巖質高邊坡穩定性分析及防治措施研究
——以洋溪水利樞紐船閘下引航道高邊坡為例

魏 宇，曾令濤

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

0 引言

人工高邊坡是水利樞紐區內非常突出的巖土工程問題之一，其中巖質高邊坡一直是該領域研究熱點之一[1-4]。分析巖質高邊坡過程中不管劃分邊坡風化帶還是卸荷帶，最終都是為了明確邊坡潛在的失穩模式[5-8]。在此過程中巖體優勢結構面的統計與分析，通常用來確定復雜結構巖質邊坡的破壞模式[9-11]。優勢結構面是力學性質相對薄弱的結構面，該結構面往往成為優先破壞的位置，為巖質邊坡不連續變形邊界，常導致巖質邊坡表現為塊體式失穩[12]。經過對優勢結構面的有效組合分析，得出巖質邊坡穩定性的控制型結構面是分析復雜結構巖質邊坡破壞模式的有效手段。

在分析巖質邊坡塊體破壞模式和安全性計算中，剛體運動法和數值計算法是目前普遍采用的塊體穩定定性評價方法[13-14]。其中赤平投影技術為塊體穩定性分析方法的一種，通常用于定性分析巖質邊坡的穩定性，具備直觀快速的特點[15]。而對于數值計算法，極限平衡法和強度折減法是目前最常用的分析手段[16]，其中極限平衡法因剛性假設符合巖質邊坡塊體運動，同時計算結果具備偏于保守的特點，相較于強度折減法更實用于水利樞紐區巖質邊坡穩定性評估。

基于此，本文以洋溪水利樞紐工程船閘下引航道高邊坡為案例。在現場勘察獲取邊坡詳細地質資料的基礎上，利用赤平投影技術及極限平衡法對洋溪水利樞紐引航道高邊坡多組優勢結構面進行分析，得出邊坡控制型結構面。隨后進行了穩定性評估，同時提出合理的支護措施。

1 工程概況及工程地質條件

1.1 工程概況及地形地貌

洋溪水利樞紐工程位于柳江流域都柳江下游河段，是以防洪為主，兼顧發電、航運等綜合效益的大型水利工程。樞紐建筑物包括擋水壩（混凝土重力壩）、泄水建筑物、發電廠房、船閘及魚道等，水庫正常蓄水位為163.00 m，汛限水位為153.00 m，水庫總庫容為8.5 億m3，其中防洪庫7.8 億m3，電站總裝機容量100 MW，設計通航標準為1000 t 船舶，最大壩高75.5 m。因受限于地質條件，船閘下引航道永久臨水邊開挖最大坡高122 m，受發育的結構面影響，巖體切割嚴重，邊坡穩定性問題較為突出，因此船閘引航道高邊坡穩定性是該項目重大工程地質問題之一。

工程區屬構造侵蝕中低山峽谷地形，兩岸山頂高程200～550 m，河谷深切70～400 m，呈寬度“V”型橫向～斜向谷。壩址處河流與巖層走向呈70°～80°交角，屬橫向谷，河谷基本對稱，呈開闊“V”型谷，兩岸山坡坡度35°～45°，植被茂盛。左岸山頂高程426.2 m，山體較雄厚完整；右岸山頂高程308 m，山體受沖溝切割，完整性較差。

1.2 地層巖性及構造

引航道邊坡覆蓋層為殘坡積層（Qedl）含碎石、塊石黏土，硬塑～堅硬，層厚為0.3～2.5 m，基巖主要出露震旦系中統南沱組第四層（Z2n4）青灰～灰色含礫泥質粉砂巖夾含礫泥質砂巖，產狀N11°～30°E，SE∠22°～32°?；鶐r風化較嚴重，邊坡上部99 m 幾乎為全～強風化基巖，巖體較破碎，下部23 m 為弱～微風化基巖。因此層面以及相關節理面都為潛在優勢結構面。

此外，邊坡因位于廣西“山”字型構造北端與新華夏構造體系之復合部位，屬于桂北臺隆九萬大山穹褶帶，故基巖斷層及節理較為發育。經地質測繪、平硐PD02、PD07 編錄以及鉆孔電視發現，邊坡區內發育較大斷層一條，控制性節理4 組。優勢結構面發育情況見表1。

表1 優勢結構面發育情況

由表1 可知，引航道邊坡發育兩組陡傾角節理J1、J3；①組緩傾角節理J2，以及一條陡傾斷層。在優勢結構面作用下，邊坡處于風險狀態。另外，結合勘察發現，斷層F3位于邊坡后部，故對斜坡切割程度相對較小。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015），洋溪水利樞紐工程區內地震動峰值加速度為0.05 g，相應地震基本烈度Ⅵ度，區域地質構造穩定性較好。因此邊坡穩定性受地震影響較小。

1.3 水文地質條件

邊坡因受構造及巖體風化程度的影響，地下水類型較為簡單，以構造裂隙水為主，無承壓性，優勢結構面為裂隙水主要附存介質。主要接受大氣補給及都柳江河水補給。根據平硐PD07 長期觀測，發現在強～弱風化巖體中，枯水期平硐壁潮濕，在豐水期局部見線狀流水。此外，經現場鉆孔壓注水試驗發現，邊坡的全風化巖體屬弱～中等透水為主，強風化巖體多屬中等透水，微風化巖體以弱～微透水為主?？梢园l現基巖在構造與風化作用下，各個優勢結構面連通性相對較好。地下水多沿裂隙面以下降泉（滲出或流出）的形式排泄，現場長期觀測發現研究區內主要泉水特征見表2。

表2 壩址區泉眼出露及流量

下引航道高邊坡位于壩址右岸下游，由表2 可知，在豐水期，基巖裂隙水排泄為57 L/min，基于此可以發現，斜坡在豐水期期間地下水滲流量較高。引航道邊坡穩定性受降雨及引航道內水位漲落影響明顯。根據前人研究，基巖裂隙水對巖質邊坡穩定性的影響主要表現在地下水揚壓力及水巖相互作用弱化巖體優勢結構面物理力學性質影響邊坡穩定性[16-19]。因此降雨以及水位漲落對引航道邊坡穩定性影響明顯。

1.4 不良地質作用

下引航道邊坡為工程邊坡，邊坡開挖期間施工對邊坡穩定性影響也不容忽視，如坡腳開挖對邊坡穩定性的影響。洋溪水利樞紐船閘下游引航道邊坡高度大于100 m，邊坡自226 m 高程分11 級開挖至125.4 m 高程，每一級邊坡高度為10 m，并設置2 m 寬的馬道，船閘底部高程為125.4 m。邊坡由246 m 高程到157 m 高程開挖坡比為1∶1.5；157 m 高以下開挖坡比為1∶1。其中，上壩公路高程為176 m，上壩公路寬度為10.5 m。典型地質剖面圖見圖1。

圖1 洋溪水利樞紐船閘下引航道高邊坡典型地質剖面圖

綜上所述，引航道邊坡穩定性受優勢結構面控制明顯，存在失穩風險，需要進行穩定性評估。必要時下還需采取相應治理措施。

2 邊坡穩定性分析

目前國際上對巖質邊坡穩定性評價方法主要包括剛體運動法和數值模擬法，其中赤平投影技術是剛體運動法中最常見的一種，且主要表現在對巖質邊坡的定性分析[14，20]。另外，極限平衡分析法在巖質邊坡穩定量分析中也備受認可。本文將以上述兩種方法開展對引航道邊坡穩定性的分析。

2.1 赤平投影

結合巖體塊體理論可以發現，巖體的滑動可分為平面滑動和楔形體滑動，引航道邊坡因受多組優勢結構面控制，通常情況下會形成楔形滑體失穩。結合上文所述邊坡優勢結構面可知，引航道邊坡可能組合成的楔形滑動模式主要有：①模式1，J1節理面+層面S0；②模式2，J2節理面+層面S0；③模式3，J3節理面+層面S0；④模式4，J1節理面+J2節理面；⑤模式5，J1節理面+J3節理面；⑥模式6，J2節理面+J3節理面。

經赤平投影分析，各模式赤平投影圖（邊坡傾向14°，南視）見圖2。由圖2 可知模式2、模式4、模式6 組合結構面作用下邊坡處于不穩定狀態，其余模式所形成的楔形體基本穩定?？梢园l現存在J2節理面的組合結構面控制著下引航道邊坡穩定性，J2為控制型結構面。各模式與剖面交角均在合理范圍內，計算結果能較好地反映實際情況。

圖2 各模式赤平投影圖

經過赤平投影定性分析后發現，下引航道邊坡穩定性開挖后不滿足工程要求，因此采取相應的治理措施：176 m 高程以上邊坡由草皮護坡，并設置3 m×3 m的混凝土框格梁。176 m高程以下邊坡為巖質邊坡，由噴混凝土鋼筋網加3 m×3 m 的混凝土框格梁護坡。同時，設置長度為2 m、間距為1.5 m×1.5 m和長度為6 m、間距為3 m×3 m的砂漿錨桿，以及設置間距3.5 m×5 m 的預應力錨索，預應力為2700 kN。邊坡開挖后支護剖面圖見圖3。

圖3 支護后剖面圖

赤平投影技術對邊坡穩定性的分析僅停留在定性分析上，有關于降雨、地下水以及支護措施等對邊坡的影響赤平投影技術無法體現，因此基于二維、三維數值模擬采用極限平衡法，對含有節理面J2的組合模式（模式2、模式4、模式6）在不同工況作用下對邊坡的影響進行進一步定量評價。

2.2 極限平衡法

2.2.1 二維極限平衡計算

利用Geo-studio 數值模擬軟件中slope 模塊進行計算，所用分析方法為簡化畢肖普法。

邊坡開挖后，計算工況主要考慮邊坡支護前后暴雨工況及支護后汛期工況。其中對于暴雨工況擬合降雨及地下水對邊坡的影響。對于巖質邊坡降雨及地下水沿優勢結構面對邊坡的作用通常表現為靜水壓力作用[17]。依據《水利水電工程邊坡設計規范》（SL386-2007），對南方多雨地區，或氣象記錄有連續大雨5 h以上，且地面未設防滲層時，地下水位可升至地面。降雨時，臨時地下水位高出地下水位△h，以下各深度地下靜水壓力按βγ△h計算。對于淺層滑移，β取0.6，對于深層滑移β取0.2。支護后汛期工況，則依據設計洪水位利用結構面飽水進行計算，同時設置常水位工況對照組。根據工程經驗和相關資料，天然工況各優勢結構面物理力學參數見表1。

首先，對模式2、模式4、模式6利用二維極限平衡法分別計算邊坡開挖前后抗滑穩定安全系數。經計算，開挖前自然邊坡，模式6 安全系數最小，為1.556（見圖4）；開挖后工程邊坡，模式4安全系數最小，為1.211（見圖5）。

圖4 模式6開挖前計算云圖

圖5 模式4開挖后計算云圖

然后，按支護前后暴雨工況及支護后汛期工況（含正常水位和設計洪水位）分別對模式2、模式4、模式6邊坡進行穩定性計算，計算結果見圖6～圖17。

圖6 模式2正常水位計算云圖

圖8 模式2支護前暴雨工況計算云圖

圖9 模式2支護后暴雨工況計算云圖

圖11 模式4設計洪水位計算云圖

圖12 模式4支護前暴雨工況計算云圖

圖13 模式4支護后暴雨工況計算云圖

圖14 模式6正常水位計算云圖

圖15 模式6設計洪水位計算云圖

圖16 模式6支護前暴雨工況計算云圖

圖17 模式6支護后暴雨工況計算云圖

經計算，模式2、模式4、模式6在不同工況下邊坡抗滑穩定安全系數見表3。由表3 可知，支護后邊坡在不同工況下抗滑穩定安全系數均滿足《水利水電工程邊坡設計規范》（SL386-2007）的要求，說明上述支護措施滿足要求。

表3 模式2、模式4、模式6不同工況下邊坡抗滑穩定安全系數

綜上所述，二維極限平衡法進一步驗證了赤平投影評價結果，同時得出暴雨工況對邊坡穩定性影響最大，其次為水位漲落。當潛在滑動面位于坡腳時，因水對坡腳的支撐作用使得模式4 中汛期工況下安全系數高于常水位工況。

由上述可知，節理J2為控制型結構面。為綜合分析節理J1、J2、J3和層面S0組合結構面對邊坡的影響，下面進行三維極限平衡進一步分析。

2.2.2 三維極限平衡計算

為進一步分析支護后控制型結構面J1、J2、J3和層面S0邊坡穩定性的影響，本文通過切分滑動塊體，利用3D slope 程序采用簡化簡布法進行三維極限平衡計算。

滑動塊體按照實際的支護設計方案考慮了錨索支護措施。對于錨索的加固主要通過對滑動塊體沿錨索的延伸方向施加預應力，每根錨索設定相應的預應力。正常運用條件下應考慮的荷載組合為基本組合，荷載包括：自重、邊坡地下水壓力（取孔隙水壓力為0.1）、加固力。非常運用條件為施工期的荷載組合，荷載包括：自重、施工期邊坡地下水壓力。計算參數見表1。經3D slope 三維建模后塊體位置及滑動方向見圖18，側視圖及底滑面示意圖見圖19。經計算，控制結構面組合模式邊坡支護后，正常工況和暴雨工況邊坡抗滑穩定安全系數分別為1.492、1.304，均大于《水利水電工程邊坡設計規范》（SL386-2007）的要求。驗證了支護措施的有效性。

圖18 三維建模塊體位置及滑動示意圖

圖19 塊體側視圖及底滑面示意圖

3 結論

本文采用赤平投影技術及極限平衡法對洋溪水利樞紐船閘下引航道高邊坡穩定性進行綜合評估，結果表明：洋溪水利樞紐船閘下引航道高邊坡優勢結構面主要發育5 組，其中節理J2為控制型結構面；下引航道高邊坡在暴雨工況下處于不穩定狀態。對該邊坡采取相應支護措施，經二維、三維極限平衡計算，抗滑穩定安全系數滿足規范要求，驗證了該支護措施安全有效。