周華 王占軍 曹去修 胡清義

摘要：烏東德水電站泄洪洞出口左側(cè)邊坡開挖過程中，坡面發(fā)生較大變形?；谶吰麻_挖揭露工程地質(zhì)條件，通過裂縫調(diào)查、監(jiān)測資料分析邊坡變形趨勢，建立三維數(shù)值模型研究邊坡變形機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出并實施了“系統(tǒng)錨固、坡面灌漿、坡比調(diào)整”的系統(tǒng)加固處理方案。后期邊坡開挖監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，左側(cè)邊坡已經(jīng)穩(wěn)定，加固處理措施有效，可為同類工程邊坡變形加固處理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：邊坡變形，變形控制，監(jiān)測資料分析，裂縫調(diào)查，鳥東德水電站

中圖法分類號：TV651文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/i.cnki.slsdkb.2020.02.006

巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性是大型水電工程建設(shè)的重要工程地質(zhì)問題，也是影響工程建設(shè)成敗的重要因素之一。巖質(zhì)高邊坡開挖期間，往往會出現(xiàn)一定程度的卸荷松弛變形，變形超過一定范圍即可能失穩(wěn)。因此，巖質(zhì)高邊坡變形穩(wěn)定及加固方案研究一直是近年來的研究熱點。

漆祖芳等采用有限元強(qiáng)度折減法分析開挖邊坡在施工期的穩(wěn)定性，合理評價了錦屏一級拱壩壩肩邊坡施工期的整體穩(wěn)定性與安全性;曾金華等采用三維有限元法等對邊坡進(jìn)行數(shù)值計算，并據(jù)此對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。陳本龍對西藏如美水電站天然高邊坡開挖后出現(xiàn)的卸荷變形和變形破壞模式等問題進(jìn)行深入研究，為保證邊坡長期穩(wěn)定提供了科學(xué)的依據(jù)。何忠明等用FLAC軟件建立軟巖邊坡應(yīng)變軟化特性，并分析了軟巖邊坡在開挖過程中鉛直位移和水平位移的變化趨勢。

本文以金沙江烏東德水電站泄洪洞出口左側(cè)邊坡為研究對象，在開挖揭露工程地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，通過裂縫調(diào)查、監(jiān)測資料分析邊坡變形趨勢，建立三維數(shù)值模型研究邊坡變形機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出有針對性的系統(tǒng)加固處理方案，保證泄洪洞出口左側(cè)邊坡后期順利開挖支護(hù)等施工。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

烏東德水電站位于四川省會東縣和云南省祿勸縣交界的金沙江下游河段，是下游河段烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4個梯級中的第一個梯級電站。水庫正常蓄水位975m，總庫容74.08億m³。電站總裝機(jī)容量10200MW，年發(fā)電量389.1億kW·h。樞紐工程由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物、左右岸引水發(fā)電系統(tǒng)及導(dǎo)流建筑物等組成，電站采用壩身表中孔與岸邊泄洪洞聯(lián)合泄洪。

左岸靠山側(cè)平行布置3條泄洪洞，出口挑流鼻坎下游設(shè)人工水墊塘消能。水墊塘在小花山臺地開挖形成，該部位巖體破碎，抗沖能力較差。水墊塘采用封閉抽排結(jié)構(gòu)型式，四周設(shè)置基礎(chǔ)廊道，塘末設(shè)置頂高程為825m的尾坎，尾坎下游開挖尾渠引導(dǎo)泄洪水流歸槽。

1.2左側(cè)邊坡地質(zhì)條件

泄洪洞出口左側(cè)邊坡位于人工水墊塘左側(cè)、花山泥石流溝出口下游側(cè)，見圖1。邊坡開挖前出露地層為第四系覆蓋層（O）、褶皺基底落雪組（Pt₂₁）、沉積蓋層觀音崖組（Z_zg）和燈影組（Z_zd）等。

左側(cè)高程925m以上工程邊坡及其上方自然邊坡由Z_2g、Z_2d、P_2y、P_3em、T_3bg、J_1y、J_2x等沉積蓋層地層構(gòu)成，地層走向340°-10°，傾向E、傾角28°-35°，緩傾左岸偏上游，巖層走向與邊坡走向夾角3°-37°，傾向坡內(nèi)，構(gòu)成緩傾反向坡。

高程925m以下工程邊坡由Pt₂₁褶皺基底地層構(gòu)成，地層走向近EW向（250°-290°），傾向S，傾角70°-85°，近橫河向展布，陡傾下游偏右岸。左側(cè)邊坡走向193°，巖層走向與左側(cè)邊坡走向交角57°-83°，構(gòu)成陡傾橫向坡，見圖2。

左側(cè)邊坡發(fā)育F₆、F₇、F₉等3條斷層，其中規(guī)模較大的1條斷層為花山溝斷層F₆。

2 泄洪洞出口左側(cè)邊坡開挖及變形情況

2.1 邊坡開挖施工過程

泄洪洞出口左側(cè)邊坡分兩期施工：

（1）一期工程于2014年3月完成，主要挖除全部覆蓋層，上游側(cè)開挖至高程895m，下游側(cè)開挖至高程850m，形成混凝土系統(tǒng)平臺，外側(cè)尾水塔基礎(chǔ)、尾水渠及導(dǎo)墻基礎(chǔ)開挖完成。

（2）二期工程自2015年3月開始，主要為水墊塘剩余部分、高程850m以下尾渠及排導(dǎo)槽下游段開挖支護(hù)。2017年6月汛前，左側(cè)邊坡總體開挖至高程806m，局部開挖至高程796m?；映渌妊春螅髠?cè)邊坡開挖支護(hù)全面停止。

左側(cè)邊坡先挖除上部覆蓋層，再開挖形成人工邊坡，覆蓋層剝離線最高高程約1070m。人工邊坡結(jié)構(gòu)為橫向坡，以尾坎為界分為兩段，上游段為水墊塘左側(cè)邊坡，最高開口高程約970m，底部至水墊塘基礎(chǔ)廊道開挖高程786.5m，人工邊坡最大高度183.5m;尾坎下游段為尾渠左側(cè)邊坡，最高開口高程約945m，尾渠底板開挖高程819.5m，邊坡最大高度約125m。水墊塘左側(cè)邊坡以高程850m為界，上部、下部單級開挖坡比分別為1：0.2、1：0.3，尾渠左側(cè)邊坡單級開挖坡比均為1：0.2。

覆蓋層及人工邊坡開挖后，坡面進(jìn)行了系統(tǒng)噴錨支護(hù)，中上部設(shè)系統(tǒng)錨索，高程850m以下水墊塘邊坡系統(tǒng)支護(hù)與邊墻結(jié)構(gòu)錨固措施相結(jié)合布置。對于開挖過程中出露的塊體，采用錨索、錨樁及錨桿進(jìn)行隨機(jī)支護(hù)。

2.2邊坡變形情況

2016年11月，左側(cè)邊坡啟動高程850m以下開挖施工后，坡面部分表觀監(jiān)測數(shù)據(jù)突然增大。2017年3月，高程806m以上邊坡開挖完成，表觀監(jiān)測數(shù)據(jù)揭示邊坡變形速率仍較快，恢復(fù)監(jiān)測的內(nèi)觀監(jiān)測變形較大，最大變形量達(dá)到83.73mm（見圖3），監(jiān)測錨索和錨桿受力也有所增大。

2017年4月，左側(cè)邊坡開挖全面暫停，僅開展開挖坡面系統(tǒng)支護(hù)施工，隨后邊坡變形速率趨緩?；映渌妊春蟮?月底，內(nèi)觀位移監(jiān)測最大變形量91.96mm，表觀監(jiān)測Y軸累計最大值為227.98mm，監(jiān)測錨索最大錨固力2740.9kN。

3 左側(cè)邊坡變形特征及安全監(jiān)測分析

3.1 地表裂縫調(diào)查情況

截至2017年5月，左側(cè)邊坡共發(fā)現(xiàn)33條裂縫，其中僅6條為巖體變形裂縫，皆位于斷層F₆下游開口線上方局部脊?fàn)钔怀龅匦尾课?。裂面起伏粗糙狀，延伸長度約10m，張開寬度均小于4cm，深度小于0.4m，均延伸至下伏巖體中，成因主要與邊坡松弛變形有關(guān)。其余27條均為坡面噴護(hù)混凝土裂縫，未延伸至巖體中，成因主要與混凝土收縮、溫度變化等因素有關(guān)。

3.2 安全監(jiān)測成果分析

左側(cè)邊坡共布置6個變形監(jiān)測斷面，共計17套多點位移計、14個表觀監(jiān)測墩、21個錨索測力計、26個錨桿應(yīng)力計，不同種類監(jiān)測儀器揭示的邊坡變形特征吻合程度良好。此處僅選取多點位移計監(jiān)測成果進(jìn)行分析。

坡面多點位移計監(jiān)測深度30-40m，首測時間不一。受現(xiàn)場施工損毀等影響，部分儀器在2015年3月至2017年3月間無監(jiān)測數(shù)據(jù)，僅M13、M14、M16捕捉到了相對較完整的變形過程（見圖4）。

從圖4可以看出：

（1）孔口累計變形量多數(shù)小于25mm，M11點變形量最大達(dá)92.15mm，位于凸出脊?fàn)畹匦慰拷_口線頂部，邊坡中部區(qū)域次之，850混凝土系統(tǒng)后方邊坡及坡面其他區(qū)域累計變形量小。

（2）左側(cè)邊坡巖體變形深度基本在20-30m之間。

（3）左側(cè)邊坡變形總體可分3個階段，即變形加劇、變形趨緩、變形收斂或趨于收斂階段。2016年12月至2017年3月，為左側(cè)邊坡高程830m以下高強(qiáng)度爆破開挖期，邊坡變形量和變形速率較大，其后邊坡變形逐漸收斂或明顯趨于收斂階段。

4 左側(cè)邊坡變形機(jī)理分析

基于左側(cè)邊坡開挖揭露工程地質(zhì)條件，選取出口左側(cè)邊坡、出口正面邊坡建立整體三維數(shù)值分析模型，采用FLAC軟件對邊坡巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演，并分析研究左側(cè)邊坡在開挖卸荷條件下的力學(xué)響應(yīng)、邊坡變形破壞機(jī)制和潛在失穩(wěn)模式，為邊坡加固處理措施擬定提供依據(jù)。

計算域內(nèi)模擬了邊坡不同地層、花山溝F₆斷層等，考慮了邊坡主要地層不同巖體分級和開挖擾動卸荷松弛等。計算模擬了各級邊坡開挖、支護(hù)，層狀巖體采用遍布節(jié)理彈塑性層面模型。

研究表明：泄洪洞出口左側(cè)邊坡的開挖力學(xué)響應(yīng)模式主要受控于邊坡的巖性、巖體結(jié)構(gòu)、開挖坡形、開挖卸荷規(guī)模以及施工擾動效應(yīng)等內(nèi)外因素。左側(cè)邊坡高陡，下部工程邊坡的開挖切腳對邊坡產(chǎn)生了較大擾動;邊坡巖體質(zhì)量總體為差一較差，以IV₁-IV₂級為主，合計占比達(dá)92.2%。在大規(guī)模開挖卸荷條件下巖體產(chǎn)生較大的變形和松弛，無論是邊坡巖體的變形量、卸荷松弛深度以及錨索荷載增量均明顯大于一般的巖質(zhì)邊坡，邊坡出現(xiàn)上述現(xiàn)象與構(gòu)成邊坡的巖體總體質(zhì)量較差密切相關(guān)，巖體質(zhì)量較差是引起局部凸起地形的坡體出現(xiàn)較大變形的主要原因，F(xiàn)₆斷層碎裂巖一碎粉巖和蓋層觀音崖組Z_2g完整性差一破碎巖體也對邊坡的變形有一定影響。邊坡高程830m以下IV₂級巖體的開挖削弱了邊坡底座、坡腳的支撐作用，進(jìn)一步加劇了上部巖體的卸荷松弛，使得邊坡巖體的變形持續(xù)增大，松弛深度不斷向深部延伸。

鑒于邊坡變形已逐漸趨于收斂，且坡體內(nèi)不存在傾向坡外的規(guī)模較大的斷層等結(jié)構(gòu)面，邊坡尚不存在整體穩(wěn)定問題。

5 左側(cè)邊坡變形加固方案

5.1 加固方案

結(jié)合左側(cè)邊坡變形機(jī)理，針對性地開展了變形加固措施研究，形成了“系統(tǒng)錨固、坡面灌漿、坡比調(diào)整”的加固處理方案，并輔以變形監(jiān)測及開挖施工措施。

（1）左側(cè)邊坡增設(shè)錨索。高程830m以下坡面結(jié)合現(xiàn)場施工情況，總體增加2排1500kN級、L=45-50m預(yù)應(yīng)力錨索;左側(cè)邊坡中上部、靠近泥石流排導(dǎo)槽上方的變形較大區(qū)域，增設(shè)69束2000kN級、L=55-65m預(yù)應(yīng)力錨索;新增錨索錨墩適當(dāng)加大，內(nèi)錨段適當(dāng)增長。

（2）高程830m以下坡面固結(jié)灌漿。左側(cè)邊坡巖體質(zhì)量總體較差，多為IV級巖體。物探測試表明，高程830m以下邊坡巖體卸荷松弛深度超過20m。為加強(qiáng)左側(cè)邊坡巖體整體性，坡面IV2級及以下巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿孔孔深25m，間排距3m×3m，垂直坡面、矩形布置。

（3）高程806m以下開挖坡比放緩。為減小左側(cè)邊坡坡腳開挖對邊坡穩(wěn)定性影響，將高程806m以下邊坡開挖坡比由1：0.3調(diào)整至1：0.6，開挖坡比調(diào)整后，坡面系統(tǒng)支護(hù)原則維持不變，水墊塘部分邊墻結(jié)構(gòu)型式、底部基礎(chǔ)廊道平面位置、順流向結(jié)構(gòu)縫位置等作相應(yīng)調(diào)整。

（4）坡面增設(shè)內(nèi)、外觀監(jiān)測儀器。為確定邊坡變形范圍及發(fā)展趨勢，在一期、二期邊坡監(jiān)測斷面上增設(shè)8個固定棱鏡觀測邊坡表面位移，在泥石流排導(dǎo)槽上方工程邊坡新增錨索上布設(shè)5臺錨索測力計，同時增設(shè)4支多點位移計。

（5）邊坡開挖施工控制。2017年汛后水墊塘底板全部挖至高程792m后，左側(cè)邊坡坡腳齒槽開挖宜采用一次爆破、分段出渣、齒墻混凝土跳倉澆筑等方式進(jìn)行施工，盡量減小切腳開挖對邊坡的影響。

5.2處理效果

2017年汛期，左側(cè)邊坡部分加固措施開始實施，汛后全面啟動邊坡開挖支護(hù)施工。圖5為典型測點M13XHDS多點位移計變形過程線。從圖5可以看出，后期施工過程中該點位移測值基本不變，左側(cè)邊坡變形已基本穩(wěn)定。同時，隨著水墊塘邊墻等混凝土結(jié)構(gòu)形成，邊坡穩(wěn)定性得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

6 結(jié)論

（1）泄洪洞出口左側(cè)邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，工程邊坡高陡，巖體質(zhì)量差，快速開挖卸荷松弛對邊坡變形穩(wěn)定產(chǎn)生較大不利影響。

（2）經(jīng)邊坡裂縫調(diào)查、監(jiān)測資料和變形機(jī)理分析后，形成了“系統(tǒng)錨固、坡面灌漿、坡比調(diào)整”的加固處理方案，并輔以變形監(jiān)測及開挖施工措施。

（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：左側(cè)邊坡變形已經(jīng)穩(wěn)定，已實施的加固處理措施是有效的。可為同類工程邊坡變形控制加固處理提供借鑒。