老挝某水电站水垫塘边坡变形机制分析及稳定性分析

周 奎，程光威，姚晨辉,杨青云

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司，西安 710043；2.陕西铁路工程职业技术学院,陕西 渭南 714000；3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065；4.中国重型机械有限公司，北京 100038)

0 前 言

水利水电工程多集中在高陡的山区，工程建设中的边坡开挖常会破坏边坡原有稳定，造成边坡变形，甚至失稳，严重者还会导致人员伤亡及财产损失。近年来，有关专家学者对边坡稳定性研究较多，其主要分为两大类分析方法，一类是定性分析，如图解法[1-2]，工程类比法等；另一类是定量分析法，如极限平衡法[3]、可靠度[4]分析法等，运用相关有限元分析软件，使用计算数据评价了边坡的稳定性。定性分析法简单易操作，但缺少准确参数，无法为支护提供准确设计依据，定量分析虽然计算结果确定，但有时计算结果与事实背离，不足使人信服。

笔者在各位前辈研究的基础上，使用图解法与极限平衡法相结合的方法[5-7]，结合现场地质编录资料，边坡监测资料，运用Sarma原理的geo-studio软件，对某水垫塘边坡稳定性进行了定性及定量分析，为边坡支护提供了设计依据。

1 边坡地质情况及失稳特征

1.1 边坡地质条件

该水垫塘边坡位于右岸坝基下游，开挖高程为995.00～1 046.00 m，并分别在高程995.00、1 010.00、1 025.00 m设置马道，边坡走向N54°W，开挖坡比为1∶0.75～1∶1，边坡开挖后采用挂网锚喷支护。

开挖揭露边坡地层岩性主要为第四系坡积物、泥盆系下统(D1)砂砾岩类及泥盆系中统(D2)的泥质板岩、砂质板岩等，砂砾岩类多呈灰色、深灰色，板岩类呈紫红、灰绿色；岩层层面产状N25°～75°E，NW∠55°～65°。开挖揭露的主要构造带为F11断层， F11断层带整体产状为N25°E ，NW∠77°，F11走向与边坡走向近乎垂直，宽11～18 m，由泥质板岩条带、构造角砾岩及压碎岩组成，胶结较差，断层带内紫红色泥质板岩条带、压碎岩物质等遇水易泥化、软化，F11见图1。

1.2 边坡变形历程、变形体范围及形态特征

2018年9月19日，右岸水垫塘边坡高程995.00～1 010.00 m范围发生局部滑塌。2018年10月25日，在水垫塘右岸高程1 025.00～1 046.00 mF11断层带范围喷混凝土边坡发现多处裂缝，且高程1 046.00 m平台混凝土路面上发现多处裂缝，伴随两场大雨后，自2018年12月12日起，高程1 046.00 m平台裂缝发展加快、外侧边坡下沉，高程1 025.00 m马道边坡向外鼓出，裂缝平面见图2。

因高程995.00～1 046.00 m边坡自上而下变形特征不同，所以对边坡根据高程进行分区域分析，各区域变形体范围及形态特征见图3所示。

(1) 1区域高程1 025.00～ 1 046.00 m之间的边坡，高程1 046.00 m平台混凝土路面发生开裂，主裂缝延伸长约20～30 m，裂缝宽度最大达10 cm，并有错台现象，高程1 025.00～1 046.00m边坡坡面有多处横向裂缝，裂缝走向基本与边坡走向一致，宽度1～5 cm，且有鼓胀现象；高程1 025.00 m马道内侧见明显的裂缝剪出鼓胀。

(2) 2区域高程 1 010.00～1 025.00 m之间的边坡，其变形主要为沿马道外缘的开裂，坡体上喷射混凝土横向开裂，裂缝走向基本与边坡走向一致，裂缝宽度普遍小于2 cm，且各裂缝未贯穿。

(3) 3区域高程995.00～1 010.00 m，在F11断层带下游侧的边坡，边坡出现了两处块体失稳现象，表现为楔形体滑动。

1.3 边坡变形监测

为监测边坡变形，右岸边坡高程1 025.00 m马道垂直布置1套三点式位移计(YBP-M-01)，用于监测边坡位移变形情况,右岸边坡监测仪器布置见图4。YBP-M-01三点式位移计监测数据见图5，从图5可以看出，边坡向临空面位移量持续增加，2018年11月4日至2019年1月23日，监测点孔口处位移量42.16 mm，3 m深度位移23.81 mm，11 m深度位移2.49 mm。

另外，变形发生后也对高程1 046.00 m平台上的12号主拉裂缝宽度变化进行了持续监测，监测数据见图6。从图6可以看出，2018年12月14日至2018年12月19日，裂缝宽度增加了100 mm。

2个监测点数据[9]都表明，边坡正处于失稳状态。并且，从3点式位移计的监测数据可以看出，边坡在高程1 025.00 m处变形主要在浅表层3 m处，边坡深部未发生较大变形。

2 变形机制分析及稳定性分析

2.1 边坡变形机制

根据开挖编录资料、现场调查情况以及变形监测数据，结合变形体分区、物质组成及形态特征，综合分析认为各区域变形体成因机制如下：

(1) 1区域的变形体主要为F11断层，其边坡稳定性主要受岩(土)体的开挖松弛、及地表水下渗因素影响。雨水下渗导致岩土体迅速软化，压缩蠕变累计量大后形成滑面，滑面贯穿形成后，产生了较大的后缘拉裂、前缘鼓胀剪出变形，裂缝见图7。且结合YBP-M-01监测点的监测数据，可以看出滑动剪切面位于浅部及3 m 深处，11 m深度处未形成滑动面；

(2) 2区域岩体质量比1区域好，且2区域裂缝多沿坡面倾向方向展布，张开度普遍较小，受雨水渗入作用较1区域弱，因此2区域压缩蠕变变形累计量较1区域小，变形量有限，变形体滑面尚未贯通形成。故其变形体主要形成机制为F11断层带形成的松散介质和压碎岩体边坡的局部剪切滑移；此外，受高程1 010.00 m平台以下两处块体失稳影响，导致其高程1 010.00 m上部边坡产生了多个牵引式的变形拉裂缝。

(3) 3区域边坡岩体处于卸荷带底部影响范围内，其变形特征主要为两处局部的块体失稳现象，为N35°E，NW∠71°，N20°W，NE∠38°两组节理在开挖面的切割导致的楔形体平面型滑移。

2.2 边坡稳定性分析

本次采用geo-studio软件，采用极限平衡Sarma[8]法进行稳定计算分析。

Sarma法计算如图8所示。假设在临界水平地震加速度系数条件下的边坡稳定性系数Fs，假定条块的底面和侧面均达到极限平衡，则可通过静力平衡条件获得临界水平地震加速度 ，从而求得边坡稳定性系数。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

边界条件为

(9)

公式(2)～(9)中：Wi为第i块的自重,kN;Ui为作用在第i块底滑面上的静水压力,kN;PWi为作用在第i块侧面的静水压力,kN;αi为第i块底滑面与水平面的夹角,°;δi、δi+1为i块两侧面与铅垂面的夹角,°;bi为第i块底滑面在水平面上的投影的长度,m;di为第i块侧面的长度,m;Fs为安全稳定性系数。

选取相应的地质参数，参数见表1，分别选取3条代表性剖面对3个区域分别进行稳定性计算。

表1 边坡稳定性计算参数

2-2剖面在高程1 010.00～1 025.00 m范围穿过F11断层，是2区域代表剖面；3-3剖面在高程1 025.00～1 046.00 m范围穿过F11断层，是现场实际变形最大的控制性剖面，也是1区域代表剖面；6-6剖面在高程995.00～1 010.00 m范围穿过F11断层；是3区域代表剖面；计算各剖面在天然地下水条件下的边坡计算滑面简图如图9～12所示，最小安全稳定性系数如表2所示。

表2 软件计算最小安全稳定性系数

软件计算见图13～15，计算结果表明，2区域处于稳定状态，1区域3区域处于失稳状态，由计算图可知，1区域滑面未贯穿至1 025.00 m以下，这与3点式位移计的监测结果显示的滑动面在高程1 025.00 m处浅表层基本吻合，因此可以得出结论，1、3区域整体失稳，2区域整体较稳定。

且3区域出现了两处滑塌，现场勘察发现这两处滑塌主要是有两组不利组合节理与开挖面切割岩体造成的楔形体滑动，节理与坡面产状见表3。

表3 节理与坡面产状

绘制极射赤平投影图，见图16。

分析赤平投影图可以得出结论，该楔形体处于不稳定状态，这与软件计算结果相吻合。

3 结 论

(1) 1区域边坡处于失稳状态，变形主要受岩(土)体的开挖松弛、及地表水下渗等因素影响，F11断层带的松散介质因遇水迅速软化，压缩蠕变累计增大，并形成高程1 025.00～1 046.00 m的滑面，滑面贯穿形成后，产生了较大的后缘拉裂、前缘鼓胀剪出变形。

(2) 2区域边坡整体稳定，但上部受F11断层带形成的松散介质和碎裂岩体边坡的局部剪切滑移；下部受高程1 010.00 m平台以下2处块体失稳影响，使2区域部边坡产生了多个牵引式的变形拉裂缝。

(3) 3区域边坡处于失稳状态，其变形主要为两处块体滑移变形，是由N35°E，NW∠71°;N20°W，NE∠38°这两组节理在开挖面上切割导致的楔形体滑移。