高陡水垫塘边坡稳定性分析及加固措施研究

薛一峰，党 力，解 豪，李 红，程汉鼎

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

1 概述

东庄水库水垫塘左、右岸边坡高程600～900m，坡高均大于200m，地质情况复杂。工程开挖时，极易被结构面切割形成不稳定结构体[1]。一旦遭遇强降雨或水库泄洪，水垫塘边坡极易滑坡可能发生失稳滑坡，造成较大的影响和损失[2]。因此，亟需针对东庄水库高陡水垫塘边坡稳定性进行分析和加固措施开展研究。

近年来，已经有许多学者对边坡的稳定性进行了研究：李宁等[3]提出用有限单元法直接求解边坡稳定性，完善了刚体极限平衡法的不足，克服了强度折减法强度参数c、φ值折减比例的难题；石振明等[4]提出了考虑降雨入渗的多层非饱和土边坡稳定性分析方法，认为降雨入渗导致边坡潜在最危险滑面的位置主要在浸润锋处或土体与基岩交界处；龙赛琼等[5]考虑了施工扰动和边坡全施工周期岩土体抗剪强度的衰减情况，提出了边坡不同演化阶段岩土体抗剪强度参数反分析方法；杨金旺等[6]提出降强法与倾斜抬升超载法相结合的地质力学模型综合的试验方法；平曈其等[7]认为地震对边坡稳定性影响较大，地震后容易引发灾害链效应。

以上均说明高陡边坡中亟需开展稳定性分析的迫切性。基于此，本文充分考虑了垂直侧滑面块体三维效应，基于强度折减法[8- 9]，针对东庄水利枢纽高陡水垫塘边坡在正常运行、泄水雾化或降雨、地震不同工况下的边坡稳定性开展研究，并分析了不同工况下边坡加固措施。

2 高陡水垫塘边坡

2.1 工程概况

东庄水利枢纽工程以防洪减淤为主，兼顾供水、发电和改善生态等综合利用。水库总库容32.68×108m3，电站装机规模110MW，工程规模为大(1)型。水垫塘左岸边坡高程600～900m。高程760m以下为基岩岸坡，边坡自然坡角70°～80°；760m高程以上自然坡角55°～65°。水垫塘右岸边坡高程600～820m。高程750m以下为基岩岸坡，自然坡角60°～70°；高程750m以上边坡部分自然坡角45°～60°。

2.2 边坡地质条件

水垫塘边坡存在顺层大裂隙L12、L14等，产状190°～225°∠30°～50°，走向260°～335°，倾向SW为主，倾角30°～50°。结构面J5走向近N～S(350°～25°)为主，倾角65°～80°主要在右岸坝线下游局部分布，各高程零星分布。结构面J6走向NE～NEE(40°～80°)为主，倾角60°～85°各高程相对零星分布。水垫塘两岸边坡地质构造如图1所示，其中L12-L18裂隙如图2所示。

图1 水垫塘两岸边坡地质构造分布

图2 水垫塘两岸边坡L12-L18裂隙

3 三维有限元模型及参数

3.1 计算模型

根据地质剖面和开挖轮廓线，选取节理分布最密集、最易发生破坏区域，并对其开展三维有限元块体系统分析，计算模型位置如图3所示。

图3 边坡计算剖面示意图(单位：m)

块体模型上游以A剖面为界，下游以B剖面为界，左侧边界取至河流中线，右侧边界为河流中心线向右450m，底部取至495m高程；考虑块体模型周围山体影响，下游取至B剖面向下100m，三维模型图如图4所示。

图4 边坡块体系统分析三维模型图

计算中岩体采用SOLID186模拟，结构面采用三维接触面进行模拟。离散后，开挖前后有限元计算网格如图5所示。天然状态坡体单元数为111363，节点个数为211340；开挖完成后单元个数为91824，节点个数为184828。坐标系按照笛卡尔坐标系右手法则建立，顺河向为x，垂直河流指向坡体为y向，为竖向垂直方向为z向。

图5 边坡块体系统分析网格图

3.2 计算参数

分析部位主要为三类围岩，岩体的物理力学参数见表1。

表1 岩体力学参数

3.3 计算工况

根据SL 386—2007《水利水电工程边坡设计规范》， 此次边坡稳定性分析计算分以下3种工况。

工况1(正常运用条件)：工程投入运用后经常发生或持续时间长的情况，水垫塘边坡主体不临水，属于不临水边坡，故正常运用条件下不考虑坡外水的影响。

工况2(非常运用条件I)：施工期以及由于降雨、泄水雨雾和其他原因引起的边坡体饱和及相应的地下水位变化。

工况3(非常运用条件II)：正常运用条件下遭遇地震，地震动峰值加速度为0.152g，相当于设计地震烈度7度，根据SL 203—97《水工建筑物抗震设计规范》[11]，参照土石坝的规定，αi取平均值1.75，水平地震力系数0.152g×0.25×1.75/g=0.0665。

在计算中，将地下水位以下的岩体按照浮容重考虑，同时岩体内聚力c和内摩擦角φ值取值分别考虑水下岩体软化系数，对于原岩体物理力学参数进行折减[12- 14]；加固采用200t锚索，间距为4.5m，预应力锚索均匀分摊到开挖面上，将锚索荷载模拟为面荷载，其值为98.765kPa。

3.4 结果与分析

三维块体系统分析拟采用有限强度折减法，针对东庄水利枢纽水垫塘边坡在正常运行、泄水雾化或降雨、地震不同工况下的边坡稳定性开展计算，并分析不同工况下边坡加固措施对稳定性的影响。

分析区域J5发育，综合考虑结构面的产状及块体分布情况，将J5作为垂直滑面，在滑块两侧设置三维接触模拟J5，进而考虑两侧山体对块体模型的约束作用，与实际工程背景相符合。

3.4.1未支护边坡稳定性分析

3.4.1.1.正常运行

(1) 天然状态

当J5的黏聚力为60kPa时，结构面连通率为100%，此时坡体无法自稳，不符合实际工程背景。逐步提高J5黏聚力，即降低J5的连通率，计算分析可知，当c为500kPa时自然状态下的坡体稳定，此时的连通率为40.5%。所以本次计算将遵循该验证结果，在后续计算中J5的黏聚力均使用500kPa进行计算。分析可知天然未开挖的坡体安全系数F为1.0，如图6—7所示。

图6 边坡总位移云图(F=1.0)

图7 边坡位移矢量图(F=1.0)

(2) 开挖完成未支护

边坡开挖完成后，逐步增大折减系数，当F为1.1时，滑体出现位移突变，且当F为1.15时计算不再收敛，如图8—9所示，分析可知该条件下安全系数为1.1，不满足SL 386—2007规定的1.3的安全系数标准。与未开挖情况相比，开挖完成后坡体整体卸载且边坡坡度变缓，因此开挖完成后安全系数增大，符合荷载规律。

图8 边坡总位移云图(F=1.1)

图9 边坡位移矢量图(F=1.1)

3.4.1.2.泄水雾化或降雨

泄水雾化或降雨工况下，结构面充水弱化，安全系数将降低[15]。当折减系数为1.05时滑移体出现位移突变，此时边坡达到临界状态，因此泄水雾化或降雨工况未支护条件下安全系数为1.05，不满足SL 386—2007规定的1.25的安全系数标准，如图10—11所示。

图10 边坡总位移云图(F=1.05)

图11 边坡位移矢量图(F=1.05)

3.4.1.3.地震作用

地震条件下，坡体受到朝向坡外的地震惯性力影响，整体向河流方向移动，在地震力的影响下，块体将更容易产生滑动[16]。该工况未支护条件下，折减系数为1.02时块体出现位移突变，所以该条件下安全系数为1.02，不满足SL 386—2007规定的1.15的安全系数标准，如图12—13所示。

图12 边坡总位移云图(F=1.02)

图13 边坡位移矢量图(F=1.02)

3.4.2加固后边坡稳定性分析

拟采用200t锚索进行加固，间距为4.5m。计算时通过将锚索力均匀分摊到开挖面上，以面荷载的形式进行模拟，锚索荷载为：2000kN/(4.5m×4.5m)=98.765kPa。

(1)正常运行

开挖完成并进行支护加固，滑移体主要受重力和锚索力作用。随着折减系数的增大，结构面弱化产生向坡外的滑动，当F为1.3时滑体出现位移突变，因此开挖完成后的安全系数为1.3，满足SL 386—2007规定的1.3的安全系数标准，如图14—15所示。

图14 边坡总位移云图(F=1.3)

图15 边坡位移矢量图(F=1.3)

(2)泄水雾化或降雨

锚索支护条件下，块体受到锚索力和重力共同作用。逐步增大折减系数，饱和结构面继续弱化导致块体下滑，当F为1.25时块体出现位移突变且折减系数继续增大将导致计算不收敛，所以泄水雾化或降雨工况下安全系数为1.25，满足SL 386—2007规定的1.25的安全系数标准，如图16—17所示。

图16 边坡总位移云图(F=1.25)

图17 边坡位移矢量图(F=1.25)

(3)地震作用

地震工况下施加锚索支护，块体受到重力、地震惯性力和锚索力共同作用。当折减系数为1.2时，块体产生位移突变且折减系数继续增大将导致计算不收敛，所以地震工况下安全系数为1.2，不满足SL 386—2007规定的1.2的安全系数标准，如图18—19所示。

图18 边坡总位移云图(F=1.2)

图19 边坡位移矢量图(F=1.2)

3.4.3计算结果分析

通过三维块体有限元系统分析，在考虑垂直侧滑面块体三维效应作用下，基于强度折减法计算获取的各工况边坡安全系数见表2。发现在边坡开挖后若不进行加固，在正常运行、泄水雾化或降雨、地震3种不同工况下安全系数分别为1.1、1.05、1.02，均不满足规范中安全系数标准要求。进行加固后，3种不同工况下，安全系数均为1.3、1.25、1.2，满足安全系数标准要求。

表2 水垫塘边坡各工况安全系数

4 结论

充分考虑垂直侧滑面对边坡块体的影响，通过构建三维有限元模型，针对东庄水利枢纽高陡水垫塘边坡模拟施工开挖和支护过程，并选用强度折减法对3种工况下边坡整体稳定性及其加固措施开展评价，结论如下：

(1)边坡在未开挖情况下，其坡体安全系数为1.0。

(2)边坡开挖后，若不进行加固，在正常运行、泄水雾化或降雨、地震3种不同工况下安全系数分别为1.1、1.05、1.02，均不满足规范中安全系数标准要求。

(3)当施加200t、间距4.5m的系统锚索加固后，在正常运行、泄水雾化或降雨、地震3种不同工况下安全系数分别为1.3、1.25、1.2，满足规范中安全系数标准要求。

(4)在开挖边坡的开口、平台等处均产生了应力集中，部分区域的卸荷变形较大。在这些部位应采用长锚杆、锚筋桩活预应力锚索进行锁口锚固处理。