(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州，311122)

某水電站石料場規(guī)劃區(qū)域位于電站壩址上游約1.5km處。石料場坡腳江面高程為1990m，分水嶺的山脊高程為2600m～2736m，最大高差為746m，開口線至山頂最大高差391m。自然邊坡總體走向約N10°～15°E，坡度40°～50°。石料場邊坡大部分地表基巖裸露，局部地段有薄層崩坡積物覆蓋。局部發(fā)育小陡崖、陡坎，邊坡地形完整性較好。

2018年3月，石料場在揭頂施工過程中，發(fā)現(xiàn)其開口線后緣邊坡一定范圍內覆蓋層較厚，經分析采取覆蓋層清除的施工方案，當覆蓋層清除后，石料場開口線外的邊坡形成了包含陡崖、工程邊坡的陡邊坡，揭露邊坡結構面發(fā)育，尤其發(fā)現(xiàn)斷層f(1)、f(2)等不利塊體組合，現(xiàn)場施工安全問題突出。隨即采用非連續(xù)數(shù)值分析方法對該工程邊坡進行穩(wěn)定性計算與分析，并根據(jù)計算成果采取了針對性的加固治理措施，后續(xù)監(jiān)測表明目前邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。這為類似石料場工程揭頂過程所出現(xiàn)的邊坡穩(wěn)定性問題提供參考，并建議加強重視水電工程中石料場的地勘與設計工作。

1 揭露地質條件

2018年7月，石料場完成開口線附近的覆蓋層及部分強卸荷巖體開挖，揭露出的邊坡見圖1，高程2322m～2350m坡度為40°，坡面由一較平直的結構面組成；高程2350m～2380m坡度為60°～70°，局部為陡崖；高程2380m～2420m坡度為70°～80°，為自然邊坡陡崖部分，陡崖上、下游分別發(fā)育2號、3號沖溝，溝底和溝側有松散的崩坡積物覆蓋。

圖1 石料場開口線外揭露的邊坡現(xiàn)狀

揭露出的邊坡結構面發(fā)育，其中斷層f(1)，產狀為：N25°～35°W、SW∠60°～75°，帶寬約20cm～30cm，帶內為碎粉巖、巖屑，強風化，面起伏，局部影響帶寬約50cm，延伸到后緣陡崖；f(2)，產狀為：N10°E、NW∠40°，帶寬約3cm～5cm，帶內見碎粉巖、巖屑，呈強風化，為中緩傾角卸荷面，延伸較長，面上見擦痕；f(6)，產狀為：N15°W、SW∠30°～35°，帶寬約1cm～5cm，帶內見片狀巖、巖屑，呈強風化，延伸較長；f(14)，產狀為：N30°W、SW∠30°，帶寬約3cm～10cm，帶內見碎塊巖、巖屑充填，呈強風化，延伸中等；f(15)，產狀為：N25°～30°W、SW∠20°～25°，帶寬約5cm～10cm，巖屑填充，含少量碎塊巖，強風化，延伸中等；長大裂隙Lb1，產狀為：N60°E、SE∠20°，面微張，平直粗糙，局部充填巖屑，延伸中等；Lb2，產狀為：N20°E、NW∠20°～30°，面平直粗糙，閉合～微張，延伸中等；節(jié)理主要有：①N10°E、NW∠40°，面平直，發(fā)育間距40cm～80cm，②N40°W⊥，面平直，發(fā)育間距為20cm～30cm，③N40°E、NW∠75°～80°，面平直，發(fā)育間距為30cm～50cm。

揭露邊坡巖體以弱風化花崗閃長巖為主，表層分布有少量強風化巖體；邊坡發(fā)育的不良物理地質現(xiàn)象主要是強卸荷巖體和局部陡坡地段巖體因風化卸荷作用形成的危巖體。

2 分析方法與基本條件

2.1 分析方法

運用非連續(xù)數(shù)值分析方法對該邊坡工程開展應用性研究，通過建立直觀反映或表征該邊坡巖體結構特征的非連續(xù)數(shù)值模型，展開數(shù)值模擬計算分析工作，可再現(xiàn)該邊坡開挖過程中的典型變形特征、破壞機制以及穩(wěn)定性。

離散元UDEC/3DEC程序在分析復雜巖體結構的三維效應和各向異性問題時具有獨到的優(yōu)勢，不僅能較真實地模擬復雜節(jié)理裂隙網絡(DFN)，而且?guī)r塊和結構面的參數(shù)意義明確且可測量；該方法也能夠獲得邊坡潛在破壞面及相應的穩(wěn)定性系數(shù)，可較好地用于評價邊坡的變形及穩(wěn)定特性，并指導工程實踐；此外，還可以考慮多種巖體本構關系、不同圍壓環(huán)境、巖體脆-延性轉換以及耦合作用等，是一種功能強大并十分適用于節(jié)理巖體的數(shù)值方法，在巖土工程界得到了廣泛的應用[1，2]。

另外，邊坡的變形特征及穩(wěn)定性分析采用強度折減法(SRM)[3]。

2.2 巖體物理力學參數(shù)與結構面參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場邊坡開挖揭露的地質情況，巖體質量分類和結構面參數(shù)取值分別見表1、表2所示。后續(xù)還會通過反演分析進一步調整和細化關鍵性的相關參數(shù)取值。巖體本構模型采用摩爾庫倫彈塑性本構模型，該準則是傳統(tǒng)Mohr-Coulomb剪切屈服準則與拉伸屈服準則相結合的復合屈服準則。巖體結構面模擬將選用接觸面模型，接觸面的破壞準則基于庫侖剪切強度準則。

表1 巖體物理力學參數(shù)

表2 結構面物理力學參數(shù)

2.3 邊坡級別和安全標準

該石料場邊坡屬于水庫區(qū)邊坡，根據(jù)《水電水利工程邊坡設計規(guī)范》(DL/T 5353-2006)，屬B類邊坡，邊坡設計安全系數(shù)取值見表3。

表3 邊坡設計安全系數(shù)

2.4 抗震設計標準

該石料場工程區(qū)域地震基本烈度為Ⅶ度，以50a為基準期，超越概率為10%確定設計概率水準，相應的地震水平加速度為0.1445g。

3 數(shù)值模擬計算分析

3.1 模型建立

對該石料場開口線外現(xiàn)狀邊坡典型剖面的結構面及優(yōu)勢節(jié)理概化模型，作為后續(xù)開展數(shù)值分析工作的基礎。

3.2 潛在破壞模式

順坡中傾角的斷層f(2)基本形成了貫穿的底滑面，在穩(wěn)定性分析中將具有控制作用。后緣發(fā)育斷層f(1)，其實際延伸范圍具有不確定性。

結合工程經驗，有以下三種典型破壞模式，其中底滑面相對明朗，由斷層f(2)控制。具體包括：

(1)潛在破壞模式A：以f(2)為底滑面，后緣拉裂面由f(1)主控，組合形成塊體滑移模式。

(2)潛在破壞模式B：以f(2)為底滑面，陡傾角優(yōu)勢節(jié)理為后緣拉裂面，組合形成塊體滑移模式。

(3)潛在破壞模式C：以f(2)和同產狀順坡節(jié)理為底滑面，陡傾角優(yōu)勢節(jié)理為后緣拉裂面，組合形成追蹤性臺階狀滑移破壞模式。

3.3 參數(shù)反演分析

該陡崖經過漫長的地質作用演化形成，在天然狀態(tài)下具備一定的整體穩(wěn)定性，但在暴雨條件下的穩(wěn)定性可能偏低，淺層局部存在一定滑移失穩(wěn)風險。因此，可基于現(xiàn)狀邊坡概化模型，對該邊坡潛在破壞機制、穩(wěn)定現(xiàn)狀進行復核，按暴雨工況下基本穩(wěn)定或臨界穩(wěn)定狀態(tài)(整體安全系數(shù)為1.0～1.05)進行二維參數(shù)反演分析，巖體結構面力學參數(shù)反演值見表4。

表4 巖體結構面力學參數(shù)反演值

3.4 計算方案選定

針對現(xiàn)狀邊坡，初擬增加三排200t系統(tǒng)預應力錨索進行試算，二維計算結果表明，暴雨工況條件下(最不利工況)邊坡安全系數(shù)有較明顯提高，可見錨索支護對潛在塊體滑移問題的控制效果較好，見表5。

表5 不同潛在破壞模式下邊坡安全系數(shù)對比

另外，相比較潛在破壞模式B，潛在破壞模式A的潛在塊體體積更大，在同等支護條件下對邊坡安全系數(shù)的提高程度偏弱。因此，在考慮到斷層f(1)向坡體延伸情況暫未完全確定的情況下，從確保工程安全的角度出發(fā)，后續(xù)數(shù)值計算分析將按潛在破壞模式A開展分析工作，巖體結構面力學參數(shù)采用潛在破壞模式A所反演的參數(shù)，見表6。

表6 巖體結構面力學參數(shù)綜合建議值

3.5 邊坡二維穩(wěn)定性分析

通過邊坡二維穩(wěn)定性分析，陡崖部位存在明顯塊體變形問題，表現(xiàn)為以f(2)為底滑面、由f(1)主控的后緣拉裂面組合的塊體滑移模式。同時，計算結果顯示，持久工況下現(xiàn)狀邊坡的安全系數(shù)為1.11；暴雨工況下現(xiàn)狀邊坡的安全系數(shù)為1.01；地震工況下現(xiàn)狀邊坡的安全系數(shù)為1.05；見圖2。由此可見，在無支護條件下，該現(xiàn)狀邊坡在持久工況和暴雨工況下穩(wěn)定性均不能達到規(guī)范要求，需要針對性進行加固處理。

圖2 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析

鑒于現(xiàn)狀邊坡的陡崖部位存在較高的滑移破壞風險，且部分計算工況下安全系數(shù)未達到規(guī)范要求，現(xiàn)場初擬兩種加固處理方案：

(1)方案一為支護錨固方案，主要增加3排200t系統(tǒng)預應力錨索進行加固，間排距@5m×5m；

(2)方案二為開挖+支護方案，對潛在塊體進行部分挖除，起到削坡減載的作用，并增加3排200t系統(tǒng)預應力錨索進行加固，間排距@5m×5m。

通過對上述初擬的工程處理方案展開二維計算分析，研究發(fā)現(xiàn)潛在破壞模式具有一致性，仍為以f(2)為底滑面、由f(1)主控的后緣拉裂面組合的塊體滑移模式。

方案一在持久工況下，塊體安全系數(shù)為1.15；暴雨工況下，安全系數(shù)為1.05；地震工況下該塊體的安全系數(shù)為1.09。二維計算結果表明，方案一現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)有較明顯提高，錨索支護對潛在塊體滑移問題的控制效果較好，該塊體在各工況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，見圖3。

圖3 支護方案邊坡安全系數(shù)

方案二在持久工況下，邊坡的安全系數(shù)為1.31；暴雨工況下，安全系數(shù)為1.18；地震工況下該塊體的安全系數(shù)為1.22。二維計算結果表明，方案二現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)相比方案一有明顯提高，該塊體在各工況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，見圖4。但是，考慮到該塊體削坡減載的施工難度大、潛在工程風險高、爆破開挖擾動損傷影響等多重因素，現(xiàn)場不建議采用。

圖4 開挖+支護方案邊坡安全系數(shù)

3.6 邊坡三維穩(wěn)定性分析

通過邊坡三維穩(wěn)定性分析，利用強度折減法對開口線外的現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性進行計算，研究發(fā)現(xiàn)主要潛在變形破壞模式與二維計算成果一致，仍為f(2)為底滑面、后緣拉裂面由f(1)和陡傾角優(yōu)勢節(jié)理組合，整體表現(xiàn)為塊體滑移破壞模式，潛在塊體體積約5萬m3，見圖5。

圖5 現(xiàn)狀邊坡典型潛在破壞模式

鑒于現(xiàn)狀邊坡整體穩(wěn)定性較差，現(xiàn)場可能出現(xiàn)塊體失穩(wěn)風險，針對該塊體采取預應力錨索加強支護處理方案(方案一)。

無支護方案在持久工況下，塊體安全系數(shù)為1.13；暴雨工況下，安全系數(shù)為1.02；地震工況下該塊體的安全系數(shù)為1.06。三維計算結果表明，該邊坡在持久工況和暴雨工況下穩(wěn)定性均不能達到規(guī)范要求，需要針對性進行加固處理，同二維計算成果基本一致。

支護錨固方案在持久工況下，邊坡的安全系數(shù)為1.18；暴雨工況下，安全系數(shù)為1.08；地震工況下該塊體的安全系數(shù)為1.12。三維計算結果表明，通過預應力錨索加固方案，現(xiàn)狀邊坡的安全系數(shù)有較明顯提高，錨索支護對潛在塊體滑移問題的控制效果較好，該塊體在各工況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，見表7，其成果略大于二維計算成果，這是由于該塊體在三維效應下的約束所造成的，三維計算更接近真實性，而二維計算偏于保守。

表7 石料場開口線外邊坡三維穩(wěn)定性分析

4 加固處理方案

通過二維及三維計算成果表明，在陡崖部位增設3排200t預應力錨索支護的加固處理方案基本合適，邊坡安全系數(shù)在施工期和運行期均能夠滿足規(guī)范要求。

另外，削坡減載雖然對該陡崖部位塊體穩(wěn)定性提升明顯，但考慮到該部位施工難度大、潛在工程風險高、爆破開挖擾動損傷影響等多重因素，不建議采用，因此，加固處理方案為在陡崖部位增設3排200t預應力錨索支護，間排距@5m×5m。

5 邊坡變形監(jiān)測

為監(jiān)測石料場開口線外現(xiàn)狀邊坡的變形情況和支護效果，在陡崖處布置2個表面變形測點，3套多點位移計，在所增設的預應力錨索中選擇3根布置錨索測力計。

經過一年的觀測表明，錨索支護后的現(xiàn)狀邊坡表面變形最大位移10.4mm，深部變形最大位移0.79mm，錨索荷載均略小于鎖定荷載，測值較穩(wěn)定，因此，綜合分析該現(xiàn)狀邊坡變形量、位移量均較小，測值都趨于穩(wěn)定，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結論

(1)根據(jù)二維及三維計算結果，石料場開口線外現(xiàn)狀邊坡可能存在失穩(wěn)情況，處于臨界狀態(tài)，表現(xiàn)為以f(2)為底滑面、由f(1)主控的后緣拉裂面組合的塊體滑移模式。

(2)根據(jù)二維及三維計算結果，在陡崖部位增設3排200t預應力錨索支護后，邊坡安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，加固后邊坡安全系數(shù)增幅在0.04～0.05，現(xiàn)場采用在陡崖部位增設3排200t預應力錨索支護的加固處理方案基本合適。

(3)邊坡變形監(jiān)測表明，加固處理后的現(xiàn)狀邊坡變形量、位移量均較小，測值都趨于穩(wěn)定，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)工程邊坡后續(xù)開挖時，加強動態(tài)監(jiān)測、動態(tài)勘察、動態(tài)支護設計，確保邊坡穩(wěn)定。

(5)水電工程中石料場雖屬臨建設施，但地勘工作需引起重視，后期補救措施往往代價較高，料場勘探應與開挖支護設計緊密結合。