曾金華，張 丹

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120；2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072)

?

長(zhǎng)河壩水電站壩肩邊坡穩(wěn)定分析及加固

曾金華1，張 丹2

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120；2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072)

長(zhǎng)河壩水電站兩岸壩肩邊坡最大開(kāi)挖高度達(dá)306m，高邊坡穩(wěn)定問(wèn)題是本工程主要的工程地質(zhì)問(wèn)題。采用赤平投影法對(duì)兩岸壩肩邊坡可能存在的滑動(dòng)楔形體進(jìn)行穩(wěn)定分析，采用三維有限元法(Flac)、邊坡塊體理論(DDA)對(duì)邊坡進(jìn)行數(shù)字計(jì)算，并據(jù)此對(duì)兩岸壩肩邊坡采用錨索、錨桿及掛網(wǎng)錨噴等加固措施，達(dá)到了穩(wěn)定邊坡的目的。

壩肩；高邊坡；穩(wěn)定分析；加固；長(zhǎng)河壩水電站

0 引 言

長(zhǎng)河壩水電站是大渡河干流“3庫(kù)22級(jí)”開(kāi)發(fā)的第10級(jí)電站，裝機(jī)容量2 600 MW，正常蓄水位1 690 m，總庫(kù)容10.75億m3。樞紐建筑物主要由礫石土心墻堆石壩、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)、右岸泄洪放空系統(tǒng)組成。攔河礫石土心墻堆石壩建基于深厚覆蓋層上，最大壩高240 m，是當(dāng)前世界防滲體位于深厚覆蓋層上的最高土石壩。根據(jù)地形地質(zhì)條件，兩岸壩肩邊坡開(kāi)挖坡比為1∶0.5～1∶0.95，左岸邊坡高267 m、右岸306 m，高邊坡穩(wěn)定問(wèn)題是本工程主要的工程地質(zhì)問(wèn)題[1- 3]。

1 工程地質(zhì)條件

長(zhǎng)河壩水電站工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。壩址區(qū)為高山峽谷地貌，相對(duì)高差約700 m，河谷呈較寬的“V”形，兩岸邊坡陡峻，坡度一般60°～65°，基巖裸露。巖性主要為晉寧期～澄江期的花崗巖、石英閃長(zhǎng)巖，巖體多呈塊狀結(jié)構(gòu)，完整性好，巖石致密堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，風(fēng)化作用主要沿裂隙進(jìn)行。河谷深切，天然地應(yīng)力較高，兩岸邊坡巖體卸荷較強(qiáng)烈。右岸邊坡弱風(fēng)化上段、強(qiáng)卸荷水平深度14～36 m，左岸24～38 m；右岸邊坡弱風(fēng)化下段、弱卸荷水平深度52～70 m，左岸35～72 m，局部風(fēng)化、卸荷較深。

壩址區(qū)無(wú)區(qū)域性斷裂通過(guò)，地質(zhì)構(gòu)造以小斷層、層間擠壓帶為主，其展布優(yōu)勢(shì)方位為NNE、NNW向和近EW向。對(duì)壩肩邊坡穩(wěn)定存在安全影響的斷層主要為右岸的f0、f9等，左岸的f21、f24等，斷層規(guī)模小、延伸短。壩址區(qū)裂隙主要發(fā)育有9組，具體產(chǎn)狀分別為：J1為N10°～40°E/SE∠20°～40°、J2為N15°～50°E/SE∠45°～65°、J3為N15°～50°E/NW∠45°～65°、J4為N60°～85°W/NE(SW)∠70°～85°、J5為 N60°～80°E/NW(SE)∠70°～85°、J6為 N20°～50°W/NE∠15°～40°、J7為N5°～40°E/SE(NW)∠70°～85°、J8為 N10°～40°W/ SW(NE)∠70°～85°、J9為EW/ N(S)∠10°～30°。裂隙延伸較長(zhǎng)，間距較大，且大都張開(kāi)。壩肩邊坡工程區(qū)以滲滴水為主，局部見(jiàn)線狀流水。

2 邊坡穩(wěn)定分析

2.1 赤平投影

壩肩岸坡總體為SN走向，無(wú)規(guī)模較大的控制性軟弱結(jié)構(gòu)面分布，邊坡整體穩(wěn)定，但節(jié)理裂隙的不利組合控制邊坡的局部穩(wěn)定性。右岸壩肩邊坡主要發(fā)育J1、J2、J4、J9組裂隙。其中，J1組裂隙對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起重要控制作用。左岸壩肩邊坡主要發(fā)育J3、J1、J5組裂隙。其中，J5組裂隙對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起重要控制作用，易沿J2組裂隙形成傾倒變形。壩肩邊坡赤平投影見(jiàn)圖1。從圖1分析，邊坡局部塊體穩(wěn)定性差[4]。

(1)左壩肩邊坡。①沿J2組陡傾坡內(nèi)的結(jié)構(gòu)面發(fā)生傾倒；②以J3組裂隙為滑移面、J2組裂隙為后緣拉裂面、J4組裂隙構(gòu)成側(cè)向切割面，產(chǎn)生傾倒滑移變形；③以J1組裂隙為頂部割裂面、J3組裂隙為滑移面及J4組裂隙為側(cè)裂面的滑落型破壞。

(2)右壩肩邊坡。①以J1組裂隙為底滑面、J2組中陡傾角順坡裂隙為后緣切割面、EW向的J4、J5組裂隙為側(cè)向切割面的滑移變形；②在局部(主要在上游側(cè)陡坡部位)形成滑落和滑移壓致拉裂破壞，滑落體主要由J5、J9、J4等3組裂隙切割構(gòu)成。其中，J9組裂隙構(gòu)成滑落體的頂部割裂面，J2組裂隙構(gòu)成滑落滑移面，J4組裂隙構(gòu)成側(cè)向割裂面。

圖1 壩肩邊坡赤平投影

2.2 三維有限元法(Flac)計(jì)算分析

三維計(jì)算模型建立在局部坐標(biāo)系(X，Y，Z)下，X軸正方向指向NW82°(即壩軸線指向坡外)，Z軸正方向指向NE8°(垂直壩軸線指向上游)，Y軸正方向鉛直向上。地質(zhì)概化模型主要考慮的地層包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類巖體及河床覆蓋層；主要考慮的結(jié)構(gòu)面為f21、f0、f9斷層及J1、J2組裂隙。采用彈塑性本構(gòu)模型，Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[5- 6]。分以下3步計(jì)算：

(1)所有材料均采用線彈性本構(gòu)模型。在模型左側(cè)及底部施加法向位移約束；在模型右側(cè)施加梯度分布的法向應(yīng)力。調(diào)整法向應(yīng)力的大小并結(jié)合實(shí)測(cè)地應(yīng)力值，進(jìn)行初始地應(yīng)力場(chǎng)擬和分析。

(2)將(1)的位移清零，右側(cè)邊界條件由應(yīng)力邊界條件改為法向約束，同時(shí)將材料屬性變?yōu)閺椝苄?，?jì)算邊坡的變形及應(yīng)力分布，作為開(kāi)挖初始條件。

(3)將(2)的位移清零，對(duì)模型進(jìn)行分步開(kāi)挖，模擬開(kāi)挖條件下邊坡的變形及破壞趨勢(shì)。壩軸剖面開(kāi)挖過(guò)程中關(guān)鍵點(diǎn)總位移見(jiàn)表1。從表1可知，邊坡在坡面淺部存在小范圍不連續(xù)的拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力約0.8 MPa，在巖體的抗拉強(qiáng)度范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定構(gòu)成威脅，但可能引起邊坡淺表局部滑塌。巖體深部的應(yīng)力受地形的影響較小，地應(yīng)力基本呈水平層狀分布。邊坡開(kāi)挖引起的變形以卸荷回彈為主，最大回彈變形量隨著開(kāi)挖逐級(jí)遞增，各級(jí)開(kāi)挖完成時(shí)最大變形均發(fā)生在壩軸線附近相應(yīng)開(kāi)挖形成的平臺(tái)中心部位。坡腳處的巖體變形較大，開(kāi)挖完畢引起的最大回彈變形量約36 mm，發(fā)生在關(guān)鍵點(diǎn)8(高程約1 523 m)位置。各級(jí)邊坡開(kāi)挖對(duì)鄰級(jí)邊坡變形的影響最為顯著，對(duì)較遠(yuǎn)坡段的影響逐步減弱，后繼邊坡開(kāi)挖使開(kāi)挖邊坡變形逐步增大(局部點(diǎn)可能有波動(dòng))，最終趨于平穩(wěn)。開(kāi)挖引起的回彈變形范圍隨開(kāi)挖逐級(jí)增大。

表1 壩軸剖面開(kāi)挖過(guò)程中關(guān)鍵點(diǎn)總位移 mm

注：1號(hào)點(diǎn)高程1 731.7 m；2號(hào)點(diǎn)1 704.5 m；3號(hào)點(diǎn)1 673.0 m；4號(hào)點(diǎn)1 644.6 m，5號(hào)點(diǎn)1 604.2 m；6號(hào)點(diǎn)1 580.0 m；7號(hào)點(diǎn)1 558.8 m；8號(hào)點(diǎn)1 523.0 m；9號(hào)點(diǎn)1 496.0 m。

2.3 邊坡塊體理論(DDA)計(jì)算分析

左岸壩肩邊坡的節(jié)理裂隙主要包括J1、J2、J3、J4和J6組裂隙；右岸壩肩邊坡的節(jié)理裂隙主要包括J1、J2、J4、J5和J9組裂隙和斷層f0、f9。裂隙組摩擦角按剛性摩擦角取20O，斷層破碎帶取16O。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 塊體破壞計(jì)算結(jié)果

從圖2可知，左岸壩肩邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中，在坡腳和開(kāi)口線邊坡表部附近沒(méi)有明顯的塊體間的開(kāi)裂或者滑動(dòng)趨勢(shì)，雖然邊坡存在一定的變形，但是沒(méi)有發(fā)生大的位移。右岸壩肩邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中，在坡腳和開(kāi)口線邊坡表部附近有明顯的塊體開(kāi)裂滑動(dòng)趨勢(shì)。另外，由于斷層弱面的存在，在斷層附近，坡面表部也存在少量塊體的開(kāi)裂滑動(dòng)，但這些不穩(wěn)定塊體僅限于邊坡表層一定范圍內(nèi)，未遷移至深部巖體，對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定不會(huì)造成太大的威脅。

2.4 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)以上分析，壩肩邊坡整體穩(wěn)定性較好，淺表層穩(wěn)定問(wèn)題主要為卸荷松弛和裂隙組合、切割形成的楔形體，具體分析如下：

(1)左岸邊坡最大楔形體體積約68 m3，右岸邊坡約115.1 m3，平均深度3.4～4.3 m，小于錨桿的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度6～8 m。邊坡施工時(shí)，按設(shè)計(jì)及時(shí)進(jìn)行錨桿加固能夠滿足穩(wěn)定要求。

(2)坡體的最大、最小主應(yīng)力分布特征和量值變化較小，開(kāi)挖僅引起開(kāi)挖面附近局部范圍的應(yīng)力調(diào)整。開(kāi)挖過(guò)程中，邊坡開(kāi)挖僅對(duì)開(kāi)挖區(qū)的位移影響很大，而一定深度范圍內(nèi)巖體變形很小，基本不受邊坡開(kāi)挖的影響。

(3)開(kāi)挖結(jié)束后，邊坡變形的總體趨勢(shì)為水平向坡外位移，開(kāi)挖到邊坡下部時(shí)，邊坡整體變形加速，這是由于坡體底部初始應(yīng)力較大，應(yīng)力釋放較為劇烈的結(jié)果。相應(yīng)地，坡底局部塑性區(qū)有所發(fā)展，左岸邊坡塑性區(qū)主要集中在坡腳和斷層f21局部范圍內(nèi)，坡體整體處于彈性狀態(tài)，即邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)考慮地下水作用時(shí)邊坡開(kāi)挖后各關(guān)鍵點(diǎn)總位移與不考慮地下水作用時(shí)基本相等。但在開(kāi)挖初期，各關(guān)鍵點(diǎn)的總位移明顯要大于不考慮地下水作用時(shí)，主要是因?yàn)殚_(kāi)挖邊坡使附近巖體孔隙水壓力突然釋放，打破了原有的平衡狀態(tài)；隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，孔隙水壓力逐漸調(diào)整、轉(zhuǎn)移直至消散，從而在后續(xù)開(kāi)挖位移和未考慮地下水作用時(shí)基本接近，但總體上要稍大于未考慮地下水作用的工況，尤其是向邊坡臨空面的變形(X方向)，總體上要大于未考慮地下水作用的工況。

(5)考慮地震作用下邊坡的位移稍大于持久和短暫設(shè)計(jì)工況，但量級(jí)相等，主要變形為向邊坡臨空面的變形(X方向)。地震作用下，壩肩邊坡整體是穩(wěn)定的。

3 加固措施

根據(jù)以上分析并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，確定以下支護(hù)措施：

(1)左壩肩邊坡壩頂永久邊坡錨索支護(hù)分為A、B區(qū)，壩軸線上游1 719.5 m高程以上為A區(qū)，以下為B區(qū)；壩軸線下游1 714.5 m高程以上為A區(qū)，以下為B區(qū)。A區(qū)錨索水平排距為5 m，B區(qū)為7 m，錨索共88根，設(shè)計(jì)噸位1 000 kN，下傾角度為5°，孔徑為115 mm。錨索長(zhǎng)度55 m和50 m，分排交錯(cuò)布置。錨索沿高程間距均為5 m。

(2)壩肩邊坡開(kāi)挖后至壩體填筑完成時(shí)間較長(zhǎng)，開(kāi)挖過(guò)程中遇到J3、J4組裂隙及裂隙和斷層的不利組合時(shí)，應(yīng)采用隨機(jī)鋼筋束加固。

(3)右壩肩邊坡全坡面φ25、長(zhǎng)6 m和9 m的系統(tǒng)錨桿，呈梅花形間隔布置，間排距2.5 m×2.5 m，噴厚15 cm的C20混凝土，加掛φ8的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間排距20 cm×20 cm。邊坡排水孔孔徑65 mm，孔深3 m，傾角5°，間排距2.5 m×2.5 m，梅花形布置，孔內(nèi)設(shè)置φ60的透水塑料盲溝。1 697 m高程以上邊坡進(jìn)行分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等4個(gè)區(qū)域支護(hù)，局部采用預(yù)應(yīng)力錨索，設(shè)計(jì)噸位1 000 kN、長(zhǎng)50 m或55 m。1 697 m高程以下邊坡則分3個(gè)區(qū)加強(qiáng)支護(hù)，部分采用3φ28的錨筋束，間排距2.5 m×2.5 m，梅花形間隔布置。

邊坡監(jiān)測(cè)成果表明，壩肩變形及應(yīng)力變化量較小，邊坡應(yīng)力及變形調(diào)整基本結(jié)束，壩肩邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)長(zhǎng)河壩水電站壩肩邊坡整體穩(wěn)定性較好，主要工程地質(zhì)問(wèn)題是施工期表層松動(dòng)與局部塊體失穩(wěn)。

(2)采用系統(tǒng)錨桿加固措施后，可以滿足淺表層、局部塊體的穩(wěn)定要求。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)邊開(kāi)挖邊加固的時(shí)效性，盡可能減小邊坡巖體的松弛、卸荷。

(3)邊坡施工開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇爆破參數(shù)，以減小開(kāi)挖爆破對(duì)巖體的損傷。

(4)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，邊坡變形量級(jí)不大，系統(tǒng)錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索受力正常，且均已收斂，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

[1]霍宇翔， 黃潤(rùn)秋， 巨能攀， 等. 爆破影響下巖質(zhì)高邊坡淺表層塊體穩(wěn)定性研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2009， 17(6)： 796- 801．

[2]張倬元， 王士天， 王蘭生. 工程地質(zhì)分析原理[M]. 北京： 地質(zhì)出版社， 1994．

[3]黃潤(rùn)秋. 高邊坡穩(wěn)定性的系統(tǒng)工程地質(zhì)研究[M]. 成都： 成都科技大學(xué)出版社， 1991．

[4]陳奇珠， 董翌為. 赤平投影法分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的圖解模板[J]. 西北水電， 2013(4)： 13- 16．

[5]DL/T 5395—2007 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[6]蔡智云， 張?jiān)疲?崔淑玲， 等. 水電站邊坡穩(wěn)定性的三維有限元分析[J]. 西北水電， 2011(3)： 16- 20．

(責(zé)任編輯 楊 健)

Stability Analysis and Reinforcement of Dam Abutment Slopes in Changheba Hydropower Station

ZENG Jinhua1, ZHANG Dan2

(1. China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China; 2. PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

The maximum excavation height of dam abutment slopes in Changheba Hydropower Station is 306 m, so the stability of high slope is the main engineering geological problem in the construction of this project. The stereographic projection method is used to analyze the stability of possible sliding wedges in two abutment slopes. The 3D finite element method (Flac) and slope block theory (DDA) are used to carry out numerical calculation. Based on above results, the reinforcement measures of anchorage cable, anchor rod and anchor road-steel mesh-shotcrete are used to achieve the stability of slopes．

abutment; high slope; stability analysis; reinforcement; Changheba Hydropower Station

2016- 07- 22

曾金華(1975—)，男，湖北荊州人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水電工程地質(zhì)工作．

TU457(271)

A

0559- 9342(2016)10- 0033- 03