魏 宇，曾令涛

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

0 引言

人工高边坡是水利枢纽区内非常突出的岩土工程问题之一，其中岩质高边坡一直是该领域研究热点之一[1-4]。分析岩质高边坡过程中不管划分边坡风化带还是卸荷带，最终都是为了明确边坡潜在的失稳模式[5-8]。在此过程中岩体优势结构面的统计与分析，通常用来确定复杂结构岩质边坡的破坏模式[9-11]。优势结构面是力学性质相对薄弱的结构面，该结构面往往成为优先破坏的位置，为岩质边坡不连续变形边界，常导致岩质边坡表现为块体式失稳[12]。经过对优势结构面的有效组合分析，得出岩质边坡稳定性的控制型结构面是分析复杂结构岩质边坡破坏模式的有效手段。

在分析岩质边坡块体破坏模式和安全性计算中，刚体运动法和数值计算法是目前普遍采用的块体稳定定性评价方法[13-14]。其中赤平投影技术为块体稳定性分析方法的一种，通常用于定性分析岩质边坡的稳定性，具备直观快速的特点[15]。而对于数值计算法，极限平衡法和强度折减法是目前最常用的分析手段[16]，其中极限平衡法因刚性假设符合岩质边坡块体运动，同时计算结果具备偏于保守的特点，相较于强度折减法更实用于水利枢纽区岩质边坡稳定性评估。

基于此，本文以洋溪水利枢纽工程船闸下引航道高边坡为案例。在现场勘察获取边坡详细地质资料的基础上，利用赤平投影技术及极限平衡法对洋溪水利枢纽引航道高边坡多组优势结构面进行分析，得出边坡控制型结构面。随后进行了稳定性评估，同时提出合理的支护措施。

1 工程概况及工程地质条件

1.1 工程概况及地形地貌

洋溪水利枢纽工程位于柳江流域都柳江下游河段，是以防洪为主，兼顾发电、航运等综合效益的大型水利工程。枢纽建筑物包括挡水坝（混凝土重力坝）、泄水建筑物、发电厂房、船闸及鱼道等，水库正常蓄水位为163.00 m，汛限水位为153.00 m，水库总库容为8.5 亿m3，其中防洪库7.8 亿m3，电站总装机容量100 MW，设计通航标准为1000 t 船舶，最大坝高75.5 m。因受限于地质条件，船闸下引航道永久临水边开挖最大坡高122 m，受发育的结构面影响，岩体切割严重，边坡稳定性问题较为突出，因此船闸引航道高边坡稳定性是该项目重大工程地质问题之一。

工程区属构造侵蚀中低山峡谷地形，两岸山顶高程200～550 m，河谷深切70～400 m，呈宽度“V”型横向～斜向谷。坝址处河流与岩层走向呈70°～80°交角，属横向谷，河谷基本对称，呈开阔“V”型谷，两岸山坡坡度35°～45°，植被茂盛。左岸山顶高程426.2 m，山体较雄厚完整；右岸山顶高程308 m，山体受冲沟切割，完整性较差。

1.2 地层岩性及构造

引航道边坡覆盖层为残坡积层（Qedl）含碎石、块石黏土，硬塑～坚硬，层厚为0.3～2.5 m，基岩主要出露震旦系中统南沱组第四层（Z2n4）青灰～灰色含砾泥质粉砂岩夹含砾泥质砂岩，产状N11°～30°E，SE∠22°～32°。基岩风化较严重，边坡上部99 m 几乎为全～强风化基岩，岩体较破碎，下部23 m 为弱～微风化基岩。因此层面以及相关节理面都为潜在优势结构面。

此外，边坡因位于广西“山”字型构造北端与新华夏构造体系之复合部位，属于桂北台隆九万大山穹褶带，故基岩断层及节理较为发育。经地质测绘、平硐PD02、PD07 编录以及钻孔电视发现，边坡区内发育较大断层一条，控制性节理4 组。优势结构面发育情况见表1。

表1 优势结构面发育情况

由表1 可知，引航道边坡发育两组陡倾角节理J1、J3；①组缓倾角节理J2，以及一条陡倾断层。在优势结构面作用下，边坡处于风险状态。另外，结合勘察发现，断层F3位于边坡后部，故对斜坡切割程度相对较小。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），洋溪水利枢纽工程区内地震动峰值加速度为0.05 g，相应地震基本烈度Ⅵ度，区域地质构造稳定性较好。因此边坡稳定性受地震影响较小。

1.3 水文地质条件

边坡因受构造及岩体风化程度的影响，地下水类型较为简单，以构造裂隙水为主，无承压性，优势结构面为裂隙水主要附存介质。主要接受大气补给及都柳江河水补给。根据平硐PD07 长期观测，发现在强～弱风化岩体中，枯水期平硐壁潮湿，在丰水期局部见线状流水。此外，经现场钻孔压注水试验发现，边坡的全风化岩体属弱～中等透水为主，强风化岩体多属中等透水，微风化岩体以弱～微透水为主。可以发现基岩在构造与风化作用下，各个优势结构面连通性相对较好。地下水多沿裂隙面以下降泉（渗出或流出）的形式排泄，现场长期观测发现研究区内主要泉水特征见表2。

表2 坝址区泉眼出露及流量

下引航道高边坡位于坝址右岸下游，由表2 可知，在丰水期，基岩裂隙水排泄为57 L/min，基于此可以发现，斜坡在丰水期期间地下水渗流量较高。引航道边坡稳定性受降雨及引航道内水位涨落影响明显。根据前人研究，基岩裂隙水对岩质边坡稳定性的影响主要表现在地下水扬压力及水岩相互作用弱化岩体优势结构面物理力学性质影响边坡稳定性[16-19]。因此降雨以及水位涨落对引航道边坡稳定性影响明显。

1.4 不良地质作用

下引航道边坡为工程边坡，边坡开挖期间施工对边坡稳定性影响也不容忽视，如坡脚开挖对边坡稳定性的影响。洋溪水利枢纽船闸下游引航道边坡高度大于100 m，边坡自226 m 高程分11 级开挖至125.4 m 高程，每一级边坡高度为10 m，并设置2 m 宽的马道，船闸底部高程为125.4 m。边坡由246 m 高程到157 m 高程开挖坡比为1∶1.5；157 m 高以下开挖坡比为1∶1。其中，上坝公路高程为176 m，上坝公路宽度为10.5 m。典型地质剖面图见图1。

图1 洋溪水利枢纽船闸下引航道高边坡典型地质剖面图

综上所述，引航道边坡稳定性受优势结构面控制明显，存在失稳风险，需要进行稳定性评估。必要时下还需采取相应治理措施。

2 边坡稳定性分析

目前国际上对岩质边坡稳定性评价方法主要包括刚体运动法和数值模拟法，其中赤平投影技术是刚体运动法中最常见的一种，且主要表现在对岩质边坡的定性分析[14，20]。另外，极限平衡分析法在岩质边坡稳定量分析中也备受认可。本文将以上述两种方法开展对引航道边坡稳定性的分析。

2.1 赤平投影

结合岩体块体理论可以发现，岩体的滑动可分为平面滑动和楔形体滑动，引航道边坡因受多组优势结构面控制，通常情况下会形成楔形滑体失稳。结合上文所述边坡优势结构面可知，引航道边坡可能组合成的楔形滑动模式主要有：①模式1，J1节理面+层面S0；②模式2，J2节理面+层面S0；③模式3，J3节理面+层面S0；④模式4，J1节理面+J2节理面；⑤模式5，J1节理面+J3节理面；⑥模式6，J2节理面+J3节理面。

经赤平投影分析，各模式赤平投影图（边坡倾向14°，南视）见图2。由图2 可知模式2、模式4、模式6 组合结构面作用下边坡处于不稳定状态，其余模式所形成的楔形体基本稳定。可以发现存在J2节理面的组合结构面控制着下引航道边坡稳定性，J2为控制型结构面。各模式与剖面交角均在合理范围内，计算结果能较好地反映实际情况。

图2 各模式赤平投影图

经过赤平投影定性分析后发现，下引航道边坡稳定性开挖后不满足工程要求，因此采取相应的治理措施：176 m 高程以上边坡由草皮护坡，并设置3 m×3 m的混凝土框格梁。176 m高程以下边坡为岩质边坡，由喷混凝土钢筋网加3 m×3 m 的混凝土框格梁护坡。同时，设置长度为2 m、间距为1.5 m×1.5 m和长度为6 m、间距为3 m×3 m的砂浆锚杆，以及设置间距3.5 m×5 m 的预应力锚索，预应力为2700 kN。边坡开挖后支护剖面图见图3。

图3 支护后剖面图

赤平投影技术对边坡稳定性的分析仅停留在定性分析上，有关于降雨、地下水以及支护措施等对边坡的影响赤平投影技术无法体现，因此基于二维、三维数值模拟采用极限平衡法，对含有节理面J2的组合模式（模式2、模式4、模式6）在不同工况作用下对边坡的影响进行进一步定量评价。

2.2 极限平衡法

2.2.1 二维极限平衡计算

利用Geo-studio 数值模拟软件中slope 模块进行计算，所用分析方法为简化毕肖普法。

边坡开挖后，计算工况主要考虑边坡支护前后暴雨工况及支护后汛期工况。其中对于暴雨工况拟合降雨及地下水对边坡的影响。对于岩质边坡降雨及地下水沿优势结构面对边坡的作用通常表现为静水压力作用[17]。依据《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2007），对南方多雨地区，或气象记录有连续大雨5 h以上，且地面未设防渗层时，地下水位可升至地面。降雨时，临时地下水位高出地下水位△h，以下各深度地下静水压力按βγ△h计算。对于浅层滑移，β取0.6，对于深层滑移β取0.2。支护后汛期工况，则依据设计洪水位利用结构面饱水进行计算，同时设置常水位工况对照组。根据工程经验和相关资料，天然工况各优势结构面物理力学参数见表1。

首先，对模式2、模式4、模式6利用二维极限平衡法分别计算边坡开挖前后抗滑稳定安全系数。经计算，开挖前自然边坡，模式6 安全系数最小，为1.556（见图4）；开挖后工程边坡，模式4安全系数最小，为1.211（见图5）。

图4 模式6开挖前计算云图

图5 模式4开挖后计算云图

然后，按支护前后暴雨工况及支护后汛期工况（含正常水位和设计洪水位）分别对模式2、模式4、模式6边坡进行稳定性计算，计算结果见图6～图17。

图6 模式2正常水位计算云图

图8 模式2支护前暴雨工况计算云图

图9 模式2支护后暴雨工况计算云图

图11 模式4设计洪水位计算云图

图12 模式4支护前暴雨工况计算云图

图13 模式4支护后暴雨工况计算云图

图14 模式6正常水位计算云图

图15 模式6设计洪水位计算云图

图16 模式6支护前暴雨工况计算云图

图17 模式6支护后暴雨工况计算云图

经计算，模式2、模式4、模式6在不同工况下边坡抗滑稳定安全系数见表3。由表3 可知，支护后边坡在不同工况下抗滑稳定安全系数均满足《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2007）的要求，说明上述支护措施满足要求。

表3 模式2、模式4、模式6不同工况下边坡抗滑稳定安全系数

综上所述，二维极限平衡法进一步验证了赤平投影评价结果，同时得出暴雨工况对边坡稳定性影响最大，其次为水位涨落。当潜在滑动面位于坡脚时，因水对坡脚的支撑作用使得模式4 中汛期工况下安全系数高于常水位工况。

由上述可知，节理J2为控制型结构面。为综合分析节理J1、J2、J3和层面S0组合结构面对边坡的影响，下面进行三维极限平衡进一步分析。

2.2.2 三维极限平衡计算

为进一步分析支护后控制型结构面J1、J2、J3和层面S0边坡稳定性的影响，本文通过切分滑动块体，利用3D slope 程序采用简化简布法进行三维极限平衡计算。

滑动块体按照实际的支护设计方案考虑了锚索支护措施。对于锚索的加固主要通过对滑动块体沿锚索的延伸方向施加预应力，每根锚索设定相应的预应力。正常运用条件下应考虑的荷载组合为基本组合，荷载包括：自重、边坡地下水压力（取孔隙水压力为0.1）、加固力。非常运用条件为施工期的荷载组合，荷载包括：自重、施工期边坡地下水压力。计算参数见表1。经3D slope 三维建模后块体位置及滑动方向见图18，侧视图及底滑面示意图见图19。经计算，控制结构面组合模式边坡支护后，正常工况和暴雨工况边坡抗滑稳定安全系数分别为1.492、1.304，均大于《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2007）的要求。验证了支护措施的有效性。

图18 三维建模块体位置及滑动示意图

图19 块体侧视图及底滑面示意图

3 结论

本文采用赤平投影技术及极限平衡法对洋溪水利枢纽船闸下引航道高边坡稳定性进行综合评估，结果表明：洋溪水利枢纽船闸下引航道高边坡优势结构面主要发育5 组，其中节理J2为控制型结构面；下引航道高边坡在暴雨工况下处于不稳定状态。对该边坡采取相应支护措施，经二维、三维极限平衡计算，抗滑稳定安全系数满足规范要求，验证了该支护措施安全有效。