水利枢纽工程边坡稳定性分析与设计研究李凯

1、水利枢纽工程边坡稳定性分析与设计研究贵阳市水利交通发展投资（集团）有限公司 李 凯（贵州 贵阳 550081）摘要：边坡包括自然边坡和人工边坡，是岩石表面的天然地质和工程地质的作用范围内具有露天侧向临空面的地质体，它们是广泛分布于地表的一种地貌形态。边坡是人类的工程活动的最普遍也是极为重要的地质环境，与人类的各种活动密切相关。评价边坡稳定性的目的是合理设计人工边坡，使之既能稳定安全，又不致浪费开挖工程量，而且工程活动对天然边坡的稳定性影响也应予以评价。本文主要探讨水利枢纽工程边坡稳定性分析与设计。关键词：水利枢纽工程；边坡稳定性；设计水利枢纽工程边坡稳定性分析与评价的目的：一是对与工程有关的天

2、然边坡的稳定性作出定性和定量评价；二是要为合理地设计人工边坡和边坡变形破坏的防治措施提供依据。边坡稳定性分析评价的方法主要有地质分析法(历史成因分析法)、力学计算法、工程地质类比法、过程机制分析法、理论计算方法等。工程地质评价的步骤是：首先全面考虑影响边坡稳定性的因素及其边界条件，进行定性评价，在此基础上再进行定量力学计算，然后综合评价其稳定性1。1水利枢纽工程的边坡稳定性随着社会进步及经济发展，越来越多地在工程活动中涉及边坡工程问题，通过长期的工程实践，工程地质工作者已对边坡工程形成了比较完善的理论体系，并通过理论对人类工程活动，进行有效的指导。近年来，随着环境保护意识的增加及国际减轻自然灾

3、害工作的开展，人类已认识到：边坡产生不仅仅是其本身的历史发展，而是与人类活动密切相关；人类在进行生产建设的同时，必须顾及到边坡的环境效应，并且把人类的发展置于环境之中，因而相继开展了工程活动与地质环境相互作用研究领域，在这些领域中，边坡作为地质工程的分支之一，一直是人们研究的重点课题之一。岩坡不同于一般土质边坡，其特点是岩体结构复杂，断层、节理、裂隙互相切割，块体极不规则，因此岩坡稳定有其独特的性质。它同岩体的结构、块体密度和强度、边坡坡度、高度、岩坡表面和顶部所受荷载、边坡的渗水性能、地下水位的高低等有关。边坡稳定性的工程地质评价常用的方法有工程地质类比法、图解法、图表法、力学计算法、模拟实

4、验等。近年来，有限元方法在边坡的稳定分析评价中得到了广泛应用2。2影响边坡稳定性的因素 影响边坡稳定性的因素主要有内在因素和外部因素两方面。内在因素包括组成边坡的地貌特征、岩土体的性质、地质构造、岩土体结构、岩体初始应力等。外部因素包括水的作用、地震、岩体风化程度、工程荷载条件及人为因素。内在因素对边坡的稳定性起控制作用，外部因素起诱发破坏作用。以下就岩土类型和性质、地质构造和岩体结构、水的作用、地震作用、工程荷载作用等分别阐述。2.1 岩土类型和性质的影响不同的岩层组成的边坡，其变形破坏也有所不同。在黄土地区，边坡的变形破坏形式以滑坡为主；在花岗岩、厚层石灰岩、砂岩地区则以崩塌为主；在片岩、

5、板岩、千枚岩地区则往往产生表层挠曲和倾倒等蠕动变形；在碎屑岩及松散土层地区，则产生碎屑流或泥石流等。 岩性对边坡的稳定及其边坡的坡高和坡角也起重要的控制作用。坚硬完整的块状或厚层状岩石如花岗岩、石灰岩、砾岩等可以形成数百米的陡坡，如长江三峡峡谷。而在淤泥或淤泥质软土地段，由于淤泥的塑性流动，几乎难以开挖渠道，边坡随挖随塌，难以成形。黄土边坡在干旱时，可以直立陡峻，但一经水浸土则强度大减，变形急剧，滑动速度快，规模和动能巨大，破坏力强且具有崩塌性。松散地层边坡的坡度较缓3。2.2 地质构造和岩体结构的影响在区域构造比较复杂、褶皱比较强烈、新构造运动比较活动的地区，边坡稳定性差。断层带岩石破碎，风

6、化严重，且地下水最丰富和活动的地区极易发生滑坡。岩层或结构的产状对边坡稳定也有很大影响，水平岩层的边坡稳定性较好，但如存在陡倾的节理裂隙，则易形成崩塌和剥落。同向缓倾的岩质边坡(结构面倾向和边坡坡面倾向一致，倾角小于坡角)的稳定性比反向倾斜的差，这种情况最易产生顺层滑坡。结构面或岩层倾角愈陡，稳定性愈差。如岩层倾角小于10o15o的边坡，除沿软弱夹层可能产生塑性流动外，一般是稳定的；大于25o的边坡，通常是不稳定的；倾角15o25o的边坡，则根据层面的抗剪强度等因素而定。同向陡倾层状结构的边坡，一般稳定性较好，但如由薄层或软硬岩互层的岩石组成，则可能因蠕变而产生挠曲弯折或倾倒。反向倾斜层状结构

7、的边坡通常较稳定，但如垂直层面或片理面的走向节理发育且顺山坡倾斜，则易产生切层滑坡4。实际对边坡采取削坡减载、反压压脚、固结边坡及护坡处理。2.3水的作用地表水和地下水是影响边坡稳定性的重要因素。不少滑坡的典型实例都与水的作用有关或者水是滑坡的触发因素，处于水下的透水边坡将承受水的浮托力的作用，而不透水的边坡，坡面将承受静水压力；充水的张开裂隙将承受裂隙水静水压力的作用；地下水的渗流将对边坡体产生动水压力。水对边坡岩土体还产生软化或泥化作用，使岩土体的抗剪强度大为降低；地表水的冲刷，地下水的溶蚀和潜蚀也直接对边坡产生破坏作用。不同结构类型的边坡，有其自身特有的水动力模型(水动力模型是指在水的动

8、力作用下，岩土体破坏的模式)。在工程设计中应采取排水措施，在边坡外侧设置截水沟排除地表水。3水利枢纽工程边坡稳定性分析与设计3.1 水利枢纽工程边坡稳定性分析定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式以及失稳的力学机制等内容进行分析，并对已变形地质体的成因及其演化史进行研究，从而对被评价边坡稳定性状态及其未来发展趋势给出定性说明和解释。该方法主要根据边坡发育的地质环境和边坡发育历史中的各种变形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素等的分析，追溯边坡演变的全过程，依此对边坡稳定性的总体情况、趋势和区域性特征做出评价和预测，对已经发生的滑坡，判断其能否复活或转

9、化，该方法主要用于天然斜坡的稳定性评价5。边坡稳定性评价方法中的工程类比判断方法的实质就是利用已经掌握的边坡稳定性状况及其影响因素，结合曾经采用过的理论与计算等方面的经验，并把这些经验用到类似的边坡稳定性分析和设计中去。该方法需要对已有的边坡和目前的研究对象进行广泛的调查与对比分析，对边坡的工程地质因素和水文地质因素进行全面研究，找出它们之间的共同点和不同点，分析影响边坡变形破坏的各主导因素及发展阶段的相似性及其差异性。同时还要考虑到工程的等级、类别等特殊性的要求，综合分析边坡可能的变形与破坏机制，从而对所研究边坡的稳定性进行对比分析，并给出稳定性的评价结论。需要强调的是工程类比方法是通过对已

10、有的边坡和待分析的边坡从各个方面进行综合对比和归纳总结，并由此得出边坡稳定性评价结论。但由于受环境工程地质条件、工程规模和等级等条件的约束，两个完全相同的环境工程地质条件是不可能的，所以在进行归纳与对比分析的过程中，要抓住主要影响因素，在主要因素方面必须满足相似性要求才能进行对比和归类，否则会造成不良的后果。但无论是哪一种分析方法，其基本的前提应当是对边坡的工程地质、水文地质以及工程环境进行较详细的调查和勘测，在这一基础上才谈得上边坡稳定分析方法的选择。另外需要特别指出的是，采用分析方法一定要看其适用的条件，并不能盲目的套用，而应根据具体的工程情况去分析。这主要是因为学科之间的渗透，一些其他学

11、科的理论被推广应用到边坡工程之中。3.2 水利枢纽工程边坡稳定性设计力学计算方法是判断边坡稳定性的一种定量分析方法。力学分析方法的可靠性在很大程 度上取决于计算参数的选取和边界条件的确定，特别是对结构面抗剪强度指标的选取，至关 重要。力学分析法必须以正确的地质分析为基础。力学计算方法很多，应根据不同的边界条件和变形破坏的类型采用合适的计算方法。在进行岩坡稳定性分析时，首先应当查明岩坡可能的滑动类型，然后对不同类型采用相应的分析方法。严格而言，岩坡滑动大多属空间滑动类型，然而对只有一个平面构成的滑裂面或者滑裂面由多个平面组成而这些面的走向又大致平行者，且沿着走向长度大于坡高时，则也可按平面滑动进

12、行分析，其结果偏于安全。在平面分析中，常常对滑动面进行稳定验算。经验证明，许多滑坡的发生都与岩体内的渗水作用有关，这是由于岩体内渗水后岩石强度恶化和应力增加的缘故。因此，做好岩坡的排水工作是防止滑坡的手段之一。结构面中如夹有粘土或其他泥质充填物，则就成为软弱结构面。地质构造作用形成的断裂和节理在地壳表层是最多的，这种结构面往往都夹有粘土或泥质充填物，遇水浸泡后，结构面中的软弱充填物就容易软化，强度大大降低，促使岩坡沿着它发生滑动。因此，岩坡分析中，对结构面，特别是软弱结构面的类型、性质、组合形式、分布特征以及由各种软弱面切割后的块体等进行仔细分析是十分重要的。岩坡的滑动过程一般可分为三个阶段。

13、初期是蠕动变形阶段，这一阶段中坡面和坡顶出现拉张裂缝并逐渐加长和加宽，滑坡前缘有时出现挤出现象，地下水位发生变化，有时会发出响声。第二阶段是滑动破坏阶段，此时滑坡后缘迅速下陷，岩体以极大的速度向下滑动，这一阶段往往造成极大的危害。最后是逐渐稳定阶段，这一阶段中，疏松的滑体逐渐压密，滑体上的草木逐渐生长，地下水渗出由浑变清。具有水平地面的半无限土体，无论其水平向是否加筋，都可认为是处于静止状态。由于侧向变形为零，侧向压力等于，是主应力并等于垂向应力。当直立面开挖l临空后，如果没有加筋，土体中侧向应力将发生巨大改变。为了阻止这种改变，必须沿开挖面施加水平方向的静水压力。图1 静止状态和加筋后土体应

14、力状态如果土体进行了水平向加筋，那么因开挖所除去的水平向静水压力，现在则重新已经被传递到筋条中的拉力所补上。然而，要使筋条中产生拉力，唯一的办法是将筋条与土体黏结起来，并且沿筋条上下表面以及土体中有水平向的剪应力存在。很明显，土体受到了一组水平剪应力。因此，由于加筋，侧向应变沿垂向不再改变，但土体将不再处于静水压力状态，即，。如果因筋条表面剪应力足够大，破坏状态仍能达到。图2 水平剪应力效应4结论边坡工程是一个复杂的工程。即使是土质边坡，土层也不是单一的，往往具有多层性，并且层层之间存在着软弱层，如淤泥层等。这就决定了边坡工程的分析不能仅仅依靠单一的分析方法，必须采取综合的分析方法，因此并不能判断哪一种方法优，哪一种方法劣，它们各有优缺