王小江，李 沖，張孟七

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410014；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014)

0 引 言

楊房溝水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，壩型為混凝土雙曲拱壩，正常蓄水位2 094 m，相應(yīng)庫(kù)容4.558億m3，最大壩高155 m。裝機(jī)容量1 500 MW，多年平均發(fā)電量68.74億kW·h[1]。壩址區(qū)河谷深切、山高坡陡、地應(yīng)力水平相對(duì)較高。河谷斜坡由于巖體節(jié)理、斷層切割及風(fēng)化卸荷等地質(zhì)作用的影響，壩址區(qū)天然邊坡在一定程度上存在穩(wěn)定性問(wèn)題。

本文在地質(zhì)勘探成果以及掌握的壩址河谷邊坡及河床部位巖體地質(zhì)條件和特征(主要包括河谷演化、河谷形態(tài)、邊坡巖體應(yīng)力場(chǎng)基本規(guī)律、邊坡卸荷情況及變形破壞規(guī)律等)的基礎(chǔ)上，參考已有研究成果[2- 8]，建立河谷邊坡演化發(fā)展的數(shù)值計(jì)算模型，確定合理的初始地應(yīng)力條件，采用可反映邊坡演化進(jìn)程的巖石力學(xué)本構(gòu)模型模擬河谷的演化發(fā)展，通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)點(diǎn)計(jì)算應(yīng)力值與實(shí)測(cè)值來(lái)檢驗(yàn)?zāi)M的合理性，并在此基礎(chǔ)上分析現(xiàn)今河谷應(yīng)力場(chǎng)的基本規(guī)律，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)，分析河谷邊坡的穩(wěn)定性。

1 壩址區(qū)地質(zhì)條件

楊房溝壩址區(qū)兩岸山頂海拔4 000～4 500 m，河谷深切呈 “V”形，左岸為萬(wàn)年雪山山脈，右岸為太陽(yáng)山山脈，山脈走向呈近南北向，地勢(shì)北西高南東低，兩岸地形陡峭，基巖裸露，地形坡度多在50°以上，局部呈懸崖?tīng)?。楊房溝長(zhǎng)約 8.3 km，流域面積約 14.25 km2，深切逾百米，溝口寬30～40 m，溝口有少量的泥石流堆積物。工程場(chǎng)地位于松潘-甘孜地槽褶皺系雅江褶皺帶(印支期)，庫(kù)區(qū)位于川滇菱形塊體內(nèi)。近壩區(qū)西北部主要斷裂有三巖龍斷裂及前波斷層。上壩址花崗閃長(zhǎng)巖節(jié)理以NNE、NWW及NNE向?yàn)橹?，NE、NW向較少，變質(zhì)粉砂巖內(nèi)主要發(fā)育NW、NE、NWW向的優(yōu)勢(shì)節(jié)理。

壩址區(qū)主要出露三疊系上統(tǒng)新都橋組變質(zhì)粉砂巖(T3xd)、三疊系上統(tǒng)雜谷腦組中薄層灰色板巖夾砂巖(T3z)、燕山期花崗閃長(zhǎng)巖巖體及第四系松散堆積物(Q4)等。巖體全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化分布及發(fā)育深度有限，主要分布在相對(duì)緩坡及植被發(fā)育區(qū)，水平發(fā)育深度約3 m。邊坡巖體的卸荷變形主要受花崗閃長(zhǎng)巖中發(fā)育的NNW和NNE向裂隙控制，在坡面一定深度形成了強(qiáng)卸荷帶和弱卸荷帶。壩址區(qū)勘II工程地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1。

圖1 壩址區(qū)勘II工程地質(zhì)剖面

2 河谷演化模擬計(jì)算

2.1 模擬概化

2.2 模型建立

計(jì)算剖面的選擇主要考慮坡體的地質(zhì)代表性和分析成果的對(duì)比性。此次計(jì)算選擇勘II線剖面作為模擬計(jì)算剖面。模型建立在局部坐標(biāo)系X、Y下，X軸正方向指向右岸(即SW62°)，Y軸正方向鉛直向上?？傮w范圍為：上部高程3 000 m、下部高程1 400 m，橫河向長(zhǎng)1 333 m。求解規(guī)模為：塊體數(shù)1 836個(gè)，可變形三角形單元 17 802個(gè)，網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)16 326個(gè)，接觸數(shù)12 279個(gè)。模型中考慮4組優(yōu)勢(shì)節(jié)理： N15°E /NW∠40°、N80°E /NW∠40°、N20°E /SE∠50°和N60°W /SE∠80°。二維離散元模型見(jiàn)圖2。河谷坡面附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)地應(yīng)力見(jiàn)表1。

圖2 二維離散元模型

2.3 計(jì)算參數(shù)與邊界條件

首先采用GSI方法獲得巖體基本力學(xué)參數(shù)初始值，進(jìn)行初始地應(yīng)力場(chǎng)的模擬計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果揭示的基本特征與現(xiàn)實(shí)條件的差別，分析出可能不合理的某個(gè)或幾個(gè)巖體參數(shù)，對(duì)其取值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到滿足要求，再作為初始條件進(jìn)行計(jì)算。巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)地應(yīng)力

表2 巖體力學(xué)參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)

模型左、右邊界及底部均采用速度約束條件，對(duì)所有可變形塊體及結(jié)構(gòu)面給定線性變化的初應(yīng)力條件。根據(jù)部分應(yīng)力實(shí)測(cè)資料及河谷實(shí)際條件確定計(jì)算中初始地應(yīng)力條件為：σxx=-0.017H、σyy=-0.026H、σzz=-0.017H。式中，σxx、σyy、σzz分別為X、Y、Z方向初始應(yīng)力；H為埋深。

3 模擬結(jié)果

3.1 應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)表4。從表4可知，兩者最大誤差不超過(guò)10%。表明所采用的模擬方法是合理的，模擬結(jié)果對(duì)工程有參考價(jià)值。

圖3為勘II線剖面的主應(yīng)力矢量。從圖3可以看出，由于侵蝕切割作用導(dǎo)致巖體的應(yīng)力重分布，使得河谷巖體應(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)岸坡深部的原巖應(yīng)力區(qū)、岸坡淺表層卸荷帶的應(yīng)力松弛區(qū)、河谷底部應(yīng)力集中區(qū)、以及連接應(yīng)力松弛區(qū)和集中區(qū)的應(yīng)力過(guò)渡區(qū)[9-10]。其中，應(yīng)力松弛區(qū)主要位于岸坡淺表層的弱風(fēng)化帶，由于巖體初始應(yīng)力的釋放，谷坡表面應(yīng)力降低，形成松弛區(qū)，此處巖體由于表生改造作用，卸荷裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)松弛，變形模量較小，σ1=0～3.5 MPa，方向與坡面近于平行；應(yīng)力過(guò)渡區(qū)水平分布深度在40～100 m范圍內(nèi)，σ1=10.5～14 MPa；河谷應(yīng)力集中區(qū)是由于河谷臨空面形成后產(chǎn)生的應(yīng)力重分布而形成的，位于河床垂直深度15～90 m范圍內(nèi)，σ1=24.5～28 MPa，最大值出現(xiàn)在河床垂直深度65 m左右，此處應(yīng)力集中程度較高，主要是由于谷坡地形和橫向水平地質(zhì)構(gòu)造作用疊加所致，勘II線鉆孔136在孔深69～85 m局部產(chǎn)生較多餅狀巖芯，這與應(yīng)力集中區(qū)信息相符；原巖應(yīng)力區(qū)位于左、右岸水平深度150 m，以及河床垂直深度大于200 m范圍內(nèi)，此處的應(yīng)力不受岸坡地形的影響，應(yīng)力變化梯度較緩，主應(yīng)力方向穩(wěn)定。

表4 初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖3 勘II剖面河谷 σ1矢量

3.2 塑性區(qū)規(guī)律

河谷剝蝕結(jié)束后勘II剖面的塑性區(qū)見(jiàn)圖4。從圖4可知，高邊坡巖體的表生改造會(huì)導(dǎo)致邊坡在距離地表一定范圍內(nèi)形成類似隧道圍巖松動(dòng)圈的卸荷帶(實(shí)測(cè)顯示，卸荷水平深度20 m左右，上壩址區(qū)左岸水平發(fā)育深度較右岸略深)。模擬所得塑性區(qū)水平發(fā)展深度在10～30 m之間，左岸發(fā)育水平深度較右岸略深，發(fā)育特征與實(shí)際卸荷帶相符；邊坡的地貌形態(tài)是影響塑性區(qū)發(fā)育深度的重要因素，地形越陡，山體越高，塑性區(qū)越發(fā)育；由于邊坡下部受到谷底的約束作用，應(yīng)力釋放及調(diào)整較困難，塑性區(qū)發(fā)育深度較淺，隨著邊坡高程的增加塑性區(qū)發(fā)育深度增加。

圖4 勘II剖面塑性區(qū)

4 邊坡穩(wěn)定性分析

極限狀態(tài)下勘II剖面塑性區(qū)見(jiàn)圖5。從圖5可知，左岸河谷塑性區(qū)水平深度較右岸大，左岸高高程岸坡淺部與河床底部存在較大范圍的拉裂破壞區(qū)，對(duì)邊坡的局部穩(wěn)定性有較大影響，具體表現(xiàn)為局部落塊，崩落等，在暴雨和地震等不利工況下會(huì)更加嚴(yán)重，應(yīng)予以重視。極限狀態(tài)下勘II剖面位移矢量和剪切位移見(jiàn)圖6。從圖6可知，位移矢量總體表現(xiàn)為近垂直坡面的回彈變形，左岸河谷低高程部位位移較大，河谷岸坡右岸有塊體松動(dòng)，此處有較大的剪切位移和橫河向位移，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利，對(duì)相應(yīng)部位應(yīng)采取工程措施加固。采用強(qiáng)度折減法計(jì)算得河谷邊坡的總體安全穩(wěn)定系數(shù)為1.89。

圖5 勘II剖面塑性區(qū)

圖6 勘II剖面位移矢量與剪切位移

5 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合楊房溝水電站壩址河谷邊坡巖體地質(zhì)條件及地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料，采用離散元模擬方法，研究了勘II剖面處河谷演化以及現(xiàn)今邊坡應(yīng)力和塑性區(qū)基本規(guī)律，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算得出邊坡總體安全穩(wěn)定系數(shù)，得出以下結(jié)論：

(1)應(yīng)力場(chǎng)模擬值與實(shí)測(cè)值相比最大誤差不超過(guò)10%，表明模擬方法合理。侵蝕切割作用導(dǎo)致邊坡巖體的應(yīng)力重分布，使其應(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)為原巖應(yīng)力區(qū)、岸坡淺表層的應(yīng)力松弛區(qū)、河谷應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力過(guò)渡區(qū)。松弛區(qū)卸荷裂隙發(fā)育，巖體質(zhì)量差；集中區(qū)應(yīng)力集中程度較高，局部產(chǎn)生較多餅狀巖芯。

(2)塑性區(qū)的發(fā)育特征與邊坡地貌形態(tài)和地形約束作用有關(guān)，模擬水平發(fā)育深度在10～30 m之間，發(fā)育特征與實(shí)際卸荷帶相符。

(3)強(qiáng)度折減法計(jì)算得河谷邊坡總體安全穩(wěn)定系數(shù)為1.89。河谷左岸高高程岸坡淺部與河床底部存在較大范圍的拉裂破壞區(qū)，右岸有塊體松動(dòng)，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。

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