石泉水电站陡高边坡崩塌机理分析及加固设计

岩石力学与工程学报 23(7)：1186～1192

2004年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April，2004

石泉水电站陡高边坡崩塌机理分析及加固设计

石广斌12 杨经会2 安盛勋2 李 宁1

，

(1西安理工大学岩土工程系 西安 710048) (2西北勘测设计研究院 西安 710065)

摘要 石泉水电站二期工程发电厂房为岸边式，机坑开挖深度约42 m。在机坑开挖过程中，边坡表层发生了2次崩塌性破坏，在厂房和边坡之间形成一个“月牙”形空缺。根据崩塌后揭露的地质构造特性，分析了高边坡的崩塌机理。在此基础上，拟定加固方案，并用极限平衡法优化出合理的锚索锚固力，用二维接触非线性有限元分析边坡岩体与混凝土框架之间的相互作用；根据数值仿真计算结果，作出了在“月牙”形空缺处修建混凝土框架结构的边坡综合治理加固方案，其目的是利用混凝土框架结构的适度变形所产生的弹性抗力来增加边坡坡脚的稳定性；实践已证明，此方案的实施，不仅提高了边坡岩体的安全度，而且获得了良好的经济效益。 关键词 岩土工程，陡高边坡，崩塌，机理分析，接触分析，加固设计，弹性抗力 分类号 TU 457 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)07-1186-07

COLLAPSE MECHANISM ANALYSIS OF STEEP-HIGH ROCK SLOPE OF SHIQUAN HYDROPOWER STATION AND REINFORCEMENT DESIGN

Shi Guangbin 12，Yang Jinghui2，An Shengxun2，Li Ning1

，

(1Department of Geotechnical Engineering，Xi′an University of Technology， Xi′an 710048 China)

(2Northwest Investigation Design and Research Institute， Xi′an 710065 China)

Abstruct The powerhouse of the Shiquan hydropower station is located near the river bank. The turbine pit excavation depth is about 42 m. During excavation，collapse of surface layers of the rock slope happened twice，and a crescent open space was formed between the powerhouse and the rock slope. According to geological structure characteristics of the collapse exposure，the collapse mechanism of the high slope was analyzed. On this basis，a reinforcement scheme was designed. Required force for the pre-stressed cable bolt was optimized by the limit equilibrium computation. Interactions between the slope and concrete frame were analyzed by a 2D contact-nonlinear FEM. Based on the numerical simulation results，a comprehensive treatment and reinforcement scheme of building concrete frame in the crescent open space was worked out. The idea is to utilize the elastic resistance generated from the moderate distortion of the concrete frame to increase the stability of the slope foot. The practical cases show that this scheme not only increases the safety degree of the slope，but also provides favorable economical benefit.

Key words geotechnical engineering，steep-high rock slope，collapse，mechanism analysis，contact analysis，reinforcement design，elastic resistance

1 工程概况

石泉水电站二期工程发电厂房后山坡位于坝后左岸，离大坝约200 m，坡高100余米，为一个三面临空凸起的山梁，南临汉江，东西两侧有冲沟切割。山坡自然坡度43°～55°，上缓下陡。山坡上

1.1 地形地貌

2002年11月4日收到初稿，2003年1月4日收到修改稿。

作者 石广斌 简介：男，34岁，硕士，1994年毕业于西安建筑科技大学采矿工程专业，现为西北勘测设计研究院工程师、在职博士，主要从事水工结构和岩土工程方面的设计与研究工作。

第23卷 第7期 石广斌等. 石泉水电站陡高边坡崩塌机理分析及加固设计 • 1187 •

有3条公路，高程分别为369，386和421 m。顶部421 m高程以上和421～386 m高程均为自然边坡，坡度分别为43°～55°和55°～60°；高程386～369 m和369 m以下为人工开挖边坡，坡度分别为73°和90°，采用浆砌石或混凝土护坡。二期工程机坑边坡开挖方案为83°和90°，高程388 m以下为直立坡，421 m以上仍为自然坡，如图1(图中，S1，S1，S3为裂隙组，F13为断层)。

发育有5组，其特征分别见表1和2。由于后山坡岩体受多组结构面的相互交切，岩体多呈层状碎裂结构，见图2。岩体局部因多组结构面密集发育，呈镶嵌碎裂结构，完整性较差。岩体风化主要表现为沿断裂结构面及裂隙密集带的构造风化，其风化深度随结构面发育规模及与其他结构面交汇切割程度而异，一般为20～30 m，其裂隙面多由岩块、岩屑(粉)及泥质物充填，呈带状或囊状分布，结构松散。边坡滑移面力学参数采用综合指标参数，摩擦系数f = 0.55～0.65，粘聚力c = 0.10～0.15 MPa[1]。岩体的变形模量为0.5×104 MPa，泊松比为0.25。边坡岩体结构面力学参数参照充填物特征，摩擦系数f = 0.65～0.75，粘聚力c = 0.15～0.30 MPa。

2 厂房后山坡崩塌过程描述

1998年8月18日，厂房机坑开始开挖。11月12日，在厂房后山坡顶部(EL421 m)上坝公路上，大致沿路面中部出现了断断续续的裂缝，长50 m，缝宽3～5 mm，但未发现错动现象。11月13日，对裂缝进行了常规监测，直到12月1日，裂缝宽度

单位：m

已达到10～14 mm，有的甚至达到20 mm，顶部围岩明显开裂，并偶尔有岩块滑落。12月2日上午7时，施工队撤离现场，暂停开挖；8时10分，后山坡岩体突然发生倾倒崩塌，崩塌部位在掌子面中部和上部。由于下部表层岩体被上午倾倒破坏的岩体拉动，于15时10分左右又坍塌下来。崩塌后堆积体后缘高达EL390.0 m，其倾倒坍塌坡度陡峻，为80°～83°。总塌方量为1.7×104 m3。无人员伤亡和设备损坏。

图1 边坡开挖剖面示意图 Fig.1 Sketch of slope excavation

1.2 地质构造

厂房后山坡及厂房地基均呈单斜构造，岩层产状NW330°～340°NE∠30°～40°。边坡表层崩塌暴露出岩体结构较发育，现场编录断层有4条，裂隙

表1 断层及特征

Table 1 Fault characteristics

编号 性质

产状

宽度/cm 4～5

充填物特征

碎裂岩、岩屑、岩粉，胶结一般，断面弯曲 碎裂岩、岩屑、岩粉，胶结一般，断面弯曲 碎裂岩、角砾岩、泥质胶结，断面弯曲 碎裂岩、岩屑、岩粉，胶结较好，断面弯曲

分布范围

高程420 m以上，崩塌体上部外侧冲沟偏下游 高程420 m以上，崩塌体后缘 崩塌体中部偏上部 崩塌体下部外侧冲沟

F11 逆断层 NW342°SW∠80° 30 F13 正断层 NE70°NW∠66°

F21 正断层 NW298°SW∠75° 5～15 F23 逆断层 NW280°SW∠61° 2～4

表2 裂隙分组及特征

Table 2 Crack group characteristics

组别 1 2 3 4 5

产状

NW330～340°NW∠30～40° NE60～75°SE∠80～85° NW280～300°SW∠50～70° NW330～340°SW∠50～60° NE10～15°SW∠50～65°

裂隙特征

表面平直光滑，少量泥膜，间距10～20 cm

表面弧形粗糙，充黄褐色泥，间距60～150 cm，连通率50%

岩屑、角砾、黄褐色泥厚2～5 mm，连续分布，间距40～80，连通率80% 岩屑、黄褐色泥膜，间距40～80 mm，连通率40% 表面平直光滑，间距大于3 m，连通率20%

分布范围

不稳定块体底面 不稳定块体后缘 不稳定块体侧向滑移面 不稳定块体侧向滑移面 局部不稳定块体侧向滑移面

• 1188 • 岩石力学与工程学报 2004年

图2 边坡立面素描图 Fig.2 Sketch of slope surface

3 厂房后山坡破坏机理分析

根据崩塌后揭露的地质构造特性，厂房后山坡岩体在开挖过程中发生表层崩塌性破坏的主要因素有以下3个：

(1) 岩体内固有的各类软弱结构面及其相互交切作用，致使岩体结构面破碎，整体强度降低，这是岩坡变形破坏的内在因素。厂房后山坡岩体中结构面NW组、NNW组和NEE组较发育，并构成局部不稳定块体，其组合交线产状一般为：倾向SE123°～170°，倾角23°～39°。此外，局部发育NNE组结构面与以上3组结构面亦可组成局部不稳定块体，其交线产状为：倾向SE156°，倾角49°，属于岩坡中的最不利组合，在临空且无约束条件下会率先破坏。12月2日，首先崩塌的小型块体即为该组合的具体反映。各类结构面的组合，尽管可构成局部不稳定块体，但除NW及NEE组结构面延伸较长(20～30 m)外，其余延伸较短，不易组合成较大的中深层滑移型块体。因此，对边坡稳定起制约因素的是：结构面交切作用破坏了岩体的完整性，沿断裂交汇带或裂隙密集带产生的构造型囊状风化或裂隙型风化，致使岩体结构破碎，局部岩体整体强度降低。

(2) 人工开挖形成的高陡边坡工程体(滑移面以上部分岩体)是边坡产生变形及局部失稳的关键性因素。厂房后山坡自405～386 m高边坡为8∶1，386 m以下为直立坡，设计开挖边坡高达40～45 m。随着开挖高程的降低，坡高逐渐增大，在初始地应

力的作用下，坡体产生卸荷回弹，表层岩体松弛，岩体结构面可能由闭合变为张开(地面裂缝张开度的增大，就是很好的证明)，坡脚剪应力集中，岩体发生剪切鼓胀，最终导致坍塌。另外，在开挖过程中，局部超挖所增加的上层岩块临空面或欠挖所造成小范围的倒坡，也是加速边坡工程体蠕变直至破坏的一个重要因素。

(3) 爆破振动效应是促进边坡工程体变形破坏的诱发因素。在进行基坑岩体开挖中，每次爆破振动都会对边坡岩体结构面产生损伤，从而加速边坡岩体的蠕变(这一点在后来的边坡变形监测[2]中可以明显看出，每次开挖爆破前后，多点位移计值存在跳跃变化)，诱发临界稳定块体相继失稳。

4 加固设计

4.1 加固设计方案[2

～4]

厂房后山坡发生崩塌后，加固设计时，及时分析了后山坡破坏机理，并对边坡工程体进行了稳定性计算分析，提出了经济而安全的加固治理措施[1]。

为了减少施工干扰，保证工程进度，加固治理工程分两期实施。一期工程为清坡锚固治理，即以预应力锚索(386 m高程以上，间排距为4 m×6 m)和锚筋桩(386 m高程以下)治理为主，以系统注浆锚杆、挂网喷护混凝土、防渗与排水和局部贴坡衬砌混凝土、深孔固结灌浆等为辅的综合治理措施，以此来增强岩体的整体性，保证施工期和运行期的安全。一期治理工程已于1999年3月完成(图3)，并经受了施工期的实践检验。二期工程对崩塌后形成

第23卷 第7期 石广斌等. 石泉水电站陡高边坡崩塌机理分析及加固设计 • 1189 •

厂房和边坡之间的“月牙”形空缺及农灌洞上游部分山体进行加固治理，主要措施为：空缺底部回填C20混凝土至高程370 m，在370 m高程沿山脚设置排水沟，经布置在厂0 + 08.35、厂0 + 26.35处临山体侧预埋的2根φ 150排水管与厂房集水井连通；370 m以上为混凝土框架结构(下文所提到的框架结构即指该框架结构)，主要承力结构为垂直主厂房上游边墙布置的4堵90 cm厚混凝土墙，如图3，各混凝土墙与主厂房上游墙之间预留了25 mm的结构缝；墙顶与厂顶同高并沿山体封闭浇筑。因此，在二期工程完成以后，边坡工程体实际高度就会降低18 m，边坡脚也受到了一定程度上的压重作用，这对边坡的稳定是非常有利的(这一点在数值计算中可以看出)；另外，如果边坡工程体发生变形，那么混凝土框架结构也必然跟随发生变形，如此，边坡工程体必然受到混凝土框架结构的弹性抗力的作用，这样，边坡工程体的坡脚强度也就大大加强，

(a) 2-2

剖面

(b) 1-1剖面

图3 边坡工程体加固示意图(单位：m)

Fig.3 Reinforcement sketch of slope engineering(unit：m)

稳定性也随之增加。至于在“月牙”形空缺中修建混凝土框架结构式副厂房的可行性，事前，作者进行了详细分析和大量的数值仿真计算，本文中的4.2.2就是其中的一个计算方案。 4.2 稳定性分析 4.2.1 稳定性分析方案[5

～10]

根据加固设计方案，稳定性分析采用极限平衡法和数值仿真分析法。极限平衡法采用萨尔玛法和传递系数法，由于极限平衡法很难反映边坡工程体与混凝土框架之间的相互作用，并且本工程施工期是边坡工程体稳定性的最不利工况。所以，在进行边坡工程体加固施工阶段，用极限平衡法进行稳定性分析时不考虑混凝土框架的弹性抗力，这样也偏于安全。数值仿真软件为大型有限元软件ANSYS，分析方法采用二维接触非线性有限元法；根据地质概化结果，在模型单元离散化时，主要结构面和滑移面用ANSYS单元库里的TARGE169和CONTA 172两种单元成对来模拟[11

，12]

，实体均用6节点三

角形单元PLANE2来模拟，计算采用的屈服函数为Mohr-Columb和D-P准则。数值仿真分析过程从边坡开挖到混凝土框架建成。另外，在数值模拟过程中，为了适应平面有限元分析，对混凝土墙的弹性摸量按一定原则进行了折减[13]。 4.2.2 稳定性分析结果

为了保证边坡工程体在施工期的安全，在进行加固设计时，一期加固设计优化的方法主要采用极限平衡法计算结果，后来，为了验证“月牙”形空缺中混凝土框架结构对边坡工程体的稳定作用或边

坡变形对主厂房稳定性的影响，又进行了数值分析，把数值分析得出的弹性抗力代入极限平蘅法。结果表明，边坡工程体的安全系数得到了较大的提高。

(1) 极限平衡法计算结果

为了合理优化边坡工程体加固设计方案，作者把滑移面摩擦系数f = 0.55，0.65和粘聚力c = 100和150 kPa与锚索锚固力T = 500，1 000和1 500 kN/根组合成12种计算工况，并用萨尔玛法和传递系数法计算出每种工况的安全性[1]。根据计算结果，预应力锚索锚固力为1 000 kN级、间排距为4 m×6 m较为合适。

(2) 数值分析结果

① 结构面接触状态分析

在数值分析中，根据实测资料[2]，锚索锚固力按800 kN/根计算，计算工况见表3。

由数值仿真结果可知，各种工况下，岩体结构

• 1190 • 岩石力学与工程学报 2004年

面均处于闭合状态，节点基本无滑动；边坡工程体滑移面的节点也均处于闭合状态，但部分节点存在滑动。表4是滑移面接触状态情况。由表4可知，在“月牙”形空缺中修建混凝土框架结构对边坡工程体滑移面接触状态有明显的改善，尤其是在滑移面力学参数较低的情况下。从几何变形图上可以看出，边坡工程体存在变形，但其值很小，有混凝土框架结构，即意味着边坡工程体发生变形，其下部必然受到混凝土框架结构弹性抗力的作用，滑移面最大滑动位移为0.263 mm；无混凝土框架结构，滑移面最大滑动位移为1.386 mm。

表3 计算工况和边坡工程体安全系数 Table 3 Load cases and safety coefficients

工况 无框架结构 有框架结构编号 计算工况

安全系数 安全系数

1 T = 800 kN/根，c = 100 kPa，f = 0.55 1.78 2.58 2 T = 800 kN/根，c = 150 kPa，f = 0.55 2.54 3.53 3 T = 800 kN/根，c = 100 kPa，f = 0.65 1.81 2.50 4

T = 800 kN/根，c = 150 kPa，f = 0.65

2.58 3.51

表4 滑移面接触状态

Table 4 Contact status of slide surface

有混凝土框架结构 无混凝土框架结构

工况

滑移面接触状态 滑移面接触状态 编号

节点最大 接触状态

滑面

节点最大 接触状态

滑面

滑移距离 滑动 粘连

滑移距离 滑面 粘连

/mm 接触 接触 间隙

/mm 接触 接触间隙

/% /%

/mm/% /%/mm1 0.263 18.18 81.82 0.01.386 58.18 41.820.02 0.262 1.82 98.18 0.00.595 9.09 90.910.03 0.263 14.55 85.45 0.01.253 52.73 47.230.04 0.262 1.82 98.18 0.0

0.590 9.09 90.91

0.0

② 边坡工程体应力状态分析

上述4种工况，有混凝土框架结构，边坡工程体最大主应力σ1 = 0.0149～－0.445 MPa，σ3 = 0.061～－1.322 MPa，最大剪应力τ = 0.459 MPa；无混凝土框架结构，边坡工程体最大主应力σ1 = 0.0434～－0.279 MPa，σ3 = 0.0～－0.725 MPa，最大剪应力τ = 0.233 MPa。图4和5分别是有无混凝土框架结构下，T = 800 kN/根，c = 0.10 MPa，f = 0.55(最不利工况)时，边坡工程体主应力灰度图。从图中可以看出，有无混凝土框架结构，边坡体的第一主应力相差不大，但边坡体下部第三主应力明显表现为前者大于后者，其最大剪应力也是如此。若按下式计算抗剪安全系数K，则K会明显表现为前

者大于后者。

－

24.509 －18.392 －12.275 －6.158 －0.040 9346.076

min max

(a) 最大主应力σ1

max

－

132.21 －105.796－79.381 －52.966 －26.551 －0.136 655

min

(b) 最小主应力σ3

图4 有混凝土框架结构边坡工程体主应力灰度图(单

位：10－

2 MPa)

Fig.4 Grey contour map of principal stress for the slope with

frame (unit：10－2 MPa)

ccosϕ−1

(σK=21+σ3)sinϕ1 2

(σ1−σ3)

第23卷 第7期 石广斌等. 石泉水电站陡高边坡崩塌机理分析及加固设计 • 1191 •

－

25.277 －19.355 －13.432 －7.509 －1.586 4.377

min max

(a) 最大主应力σ1

－

57.2 max

－45.784

－34.368 －22.952 －11.536 0.120 355 min

(b) 最小主应力σ3

图5 无混凝土框架结构边坡工程体主应力灰度图(单

位：10－2

MPa)

Fig.5 Grey contour map of principal stress for the slope

without frame (unit：10－2 MPa)

式中：σ1，σ3分别为单元的第一和第三主应力；c，

ϕ分别为岩体的粘聚力和内摩擦角。

另外，为了直观地反映混凝土框架结构对边坡

工程体稳定性的作用，笔者把由计算得到的混凝土框架结构弹性抗力代入萨氏极限平衡法，计算所得的安全系数见表3。由表3可以清楚地看出，计入混凝土框架结构弹性抗力后，边坡工程体的安全系数提高了36.1%～44.9%。最小安全系数为2.50，大于1.2，即边坡工程体整体是稳定的，并且从整个计算结果来看，边坡微小的变形，不会影响混凝土框架结构的稳定[13]。

上述数值分析结果充分证明了，在“月牙”形空缺中，紧靠边坡工程体修建混凝土框架结构作为厂区工作间是正确的。不仅改善了工作人员的办公条件，而且增加了边坡工程体的安全富裕度。也正是在这些详实的计算和分析的基础上，笔者作出了清坡处理、喷锚加固和修建混凝土框架结构的边坡综合治理方案。

5 结 语

(1) 从本边坡岩体崩塌到成功治理，可以得出如下启示：假如在机坑开挖过程中，边坡表层1.7×104 m3岩体不崩塌下来，那么，通过锚固措施使其稳定，初步估算所需费可达200多万元，而现在所崩塌下来的1.7×104 m3岩体所需运费约35万元，经济上是明显合算的；由此是否可以这样认为，在高边坡的开挖过程中，根据边坡岩体的变形和开挖所揭露的地质情况，如果地表出现异常现象，如地裂发展较快，此时，在条件允许的情况下，应该人为使之失稳。这样做存在3方面的好处：① 增加边坡的安全度。② 防止在工程运行期间边坡工程体变形过大而影响相邻建筑物的稳定。③ 减少边坡工程体的治理加固费用。

(2) 岩体的地质情况一般很难勘探准确，因此，在陡高边坡的开挖过程中，要做好地表观测，并根据开挖揭露的地质情况，及时做好边坡的系统维护，以防止安全事故的发生。

(3) 从数值计算结果来看，在边坡工程体治理中，加强边坡坡脚的加固，更有利于边坡工程体的稳定。边坡滑移面本身的力学参数，对边坡的稳定起决定作用，因此，要加强边坡雨水排泄工作。 (4) 在边坡工程体治理优化设计阶段，大量的数值计算和极限平衡计算，为边坡工程体治理方案提供了科学依据，不仅没有延长施工工期，而且节约了工程建设资金。

(5) 根据3年多的边坡位移监测和地裂的观测

• 1192 • 岩石力学与工程学报 2004年

结果，边坡位移没有增加的趋势，处于平稳状态，坡顶(EL421m)地表地裂宽度也没有发展，说明边坡工程体的治理是成功的，边坡工程体是稳定的。

参 考 文 献

1

西北堪测设计研究院厂房室. 石泉二期工程厂房后山坡综合治理报告[R]. 西安：西北勘测设计研究院，1998

2

西北勘测设计研究院科研院. 石泉二期工程高边坡观测分析报告[R]. 西安：西北勘测设计研究院，1999

3

林文亮. 长江三峡水利枢纽永久船闸高边坡设计及加固支护[A].见：中国岩土锚固协会编. 岩土锚固新技术[C]. 北京：人民交通出版社，1998

4

朱维申，张玉军，任伟中. 系统锚杆对三峡船闸高边坡岩体加固作用的块体相似模型试验研究[J]. 岩土力学，1996，17(2)：1～6

5

崔政权，李 宁. 边坡工程[M]. 北京：中国水利水电出版社，1999

6 7

孙玉科. 边坡岩体稳定性分析[M]. 北京：科学出版社，1988 张永兴. 岩石高陡边坡的岩体模型及其参数研究[J]. 岩土工程学报，1995，17(4)：77～84

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9 郑颖人，龚晓南. 岩土塑性力学基础[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1989

10 张佰艳，陈厚群. 用有限元和刚体极限平衡方法分析坝肩抗震稳定[J]. 岩石力学与工程学报，2001，20(5)：665～670

11 王国强. 实用工程数值模拟技术及其在Ansys上的实践[M]. 西安：西北工业大学出版社，1999

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13 石广斌. 石泉二期工程厂房整体稳定性复核报告[R]. 西安： 西北勘测设计研究院，2001

2002年相关学科科技期刊影响因子和被引频次表

排名(影响因子)

29 54 174 228 324 392 400 406 491 546 578 645 686 688 750 766 803 848 867 1009 1099

期刊名 力学进展

岩石力学与工程学报 岩土工程学报 土木工程学报 水利学报 工程力学 力学学报 岩土力学 环境工程 计算力学学报 爆炸与冲击 固体力学学报 煤炭学报 铁道学报 矿冶工程 应用力学学报 地下空间 应用数学与力学 工程勘察 长江科学院院报 力学与实践

影响因子

总被引频次

1.024 423 0.873 758 0.577 914 0.509 442 0.428 819 0.371 253 0.369 474 0.364 238 0.326 295 0.307 302 0.287 188 0.264 180 0.251 317 0.248 262 0.225 124 0.219 190 0.206 71 0.192 325 0.187 191 0.151 85 0.130 193

注：排名是指在中国科学技术信息研究所1534种统计源期刊中的排序。

(摘自《2003年版中国科技期刊引证报告》)