黃金坪水電站進水口邊坡變形機制分析

柯善軍，凡 亞，張俊潔

（1.中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，成都 610072；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

黃金坪水電站樞紐建筑物主要由瀝青混凝土心墻堆石壩、1條岸邊溢洪道、1條泄洪（放空）洞、左岸大廠房引水發(fā)電建筑物和右岸小廠房引水發(fā)電建筑物等組成，裝機容量850MW。引水隧洞進口邊坡和泄洪洞進口邊坡采取聯(lián)合開挖方式，以下統(tǒng)稱為進水口邊坡。開口線以上為自然邊坡，開口線以下為工程邊坡，最大坡高205m，沿河長約180m，設(shè)計開挖坡比為1∶0.5。

黃金坪水電站進水口自然邊坡裂縫大約在2011年8月中旬出現(xiàn)，至2011年12月下旬，巡檢發(fā)現(xiàn)該裂縫繼續(xù)加速增長，工程邊坡局部和部分錨索框格粱也出現(xiàn)裂縫。進水口邊坡穩(wěn)定性直接影響樞紐建筑物及施工安全。本文在研究邊坡變形破壞特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)變形監(jiān)測等數(shù)據(jù)分析，提出邊坡變形機制，為治理邊坡提供設(shè)計依據(jù)。

1 邊坡工程地質(zhì)條件

黃金坪水電站進水口邊坡位置如圖1所示。進水口部位除前緣及坡腳部位為泥石流堆積及邊坡崩坡堆積外，大部分部位基巖裸露，巖性為晉寧-澄江期斜長花崗巖（γ02(4)），巖體致密堅硬，風化較弱。工程邊坡淺表層巖體松動，卸荷強烈，較破碎，且結(jié)構(gòu)面不利組合較多，穩(wěn)定性較差，存在滑移拉裂、崩塌等多種破壞形式。自然邊坡坡體分布有一定數(shù)量的危石或孤石，在中、強度地震、暴雨等不利工況易發(fā)生崩塌。

圖1 進水口邊坡位置示意圖

進水口工程邊坡強卸荷水平深度為60～110m，開挖后殘余水平深度為27～100m，弱風化弱卸荷水平深度大于150m。邊坡巖體主要呈塊裂結(jié)構(gòu)，屬Ⅳ類；部分呈散體碎塊狀、碎裂結(jié)構(gòu)，屬Ⅴ類。

進水口自然邊坡為突出山脊，兩側(cè)為小型沖溝，地形坡度35°～40°。地層主要為崩坡積塊碎石土，結(jié)構(gòu)稍密。地下水為第四系松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水，崩坡積塊碎石土和強卸荷巖體均具強透水性，具有地表水和地下水快速下滲的條件。

2 邊坡變形監(jiān)測與支護設(shè)計

2.1 邊坡變形破壞特征

地表調(diào)查發(fā)現(xiàn)進水口自然邊坡有17處裂縫，走向大致順邊坡呈弧狀延伸。巡視后發(fā)現(xiàn)原有裂縫普遍寬度變大，且局部基本貫通。同時發(fā)現(xiàn)新增裂縫9條，進入12月后，裂縫變形進一步加劇，最大寬度達15cm。

巡檢發(fā)現(xiàn)工程邊坡有12處裂縫，探窗顯示巖體沒有明顯變形。調(diào)查表明主要為后期自流混凝土與前期掛網(wǎng)混凝土之間脫落張開，內(nèi)層混凝土沒有明顯裂縫跡象。2011年12月27日巡視時發(fā)現(xiàn)局部混凝土和框格梁出現(xiàn)裂縫。自然邊坡裂縫位置如圖2所示。

圖2 自然邊坡裂縫示意圖

2.2 變形監(jiān)測分析

監(jiān)測儀器及設(shè)施主要有：多點位移計、錨索測力計、錨桿應(yīng)力計和外部變形觀測墩。進水口邊坡監(jiān)測布置情況如圖3所示。

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：進水口自然邊坡變形較為明顯，各測點變形速率、變形量級較為接近。邊坡變形深度較深，范圍較大，呈現(xiàn)出整體變形特征。邊坡變形呈持續(xù)遞增和明顯張開趨勢，張裂區(qū)域集中在山脊部位。

圖3 進水口邊坡監(jiān)測布置示意圖

2.3 前期支護設(shè)計

進水口邊坡支護參數(shù)如下：

1）A類支護，適用于1469.00～1481.00m高程邊坡。噴C25混凝土，厚10cm；掛Φ6.5鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間、排距15cm。設(shè)Φ25、L＝4.5m，Φ28、L＝6m和Φ32、L＝9m三種錨桿進行支護，錨桿間、排距為1.5m，梅花形交替交錯布置。

2）B類支護，適用于1481.50～1540.00m高程邊坡。噴C25混凝土，厚15cm；掛Φ6.5鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間、排距15cm。設(shè)Φ28、L＝6m和Φ32、L＝9m兩種錨桿進行支護，錨桿間、排距1.5m，梅花形交替交錯布置。

3）C類支護，適用于1540.00m高程以上邊坡。噴C25混凝土，厚15cm；掛Φ6.5鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間、排距15cm。設(shè)Φ28、L＝6m和Φ32、L＝9m兩種錨桿進行支護，錨桿間、排距1.5m，梅花形交替交錯布置。

4）D類支護，適用于1469.50m高程以下邊坡。噴C25混凝土，厚10cm；掛Φ6.5鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間、排距15cm。設(shè)Φ25、L＝4.5m，Φ28、L＝6m和Φ32、L＝9m三種錨桿進行支護，錨桿間、排距1.5m，梅花形交替交錯布置。

5）E類支護，適用于覆蓋層邊坡。噴C25混凝土，厚10cm。掛Φ6.5鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間、排距15cm。設(shè)Φ27、L＝6m自進式錨桿進行支護，錨桿間、排距1.5m，梅花形交錯布置。

6）1469.50m高程以上邊坡設(shè)置排水孔，孔徑Φ50，孔深4m，仰角5°，間、排距3m，梅花形布置。

7）為了防止天然邊坡的落石等對引水隧洞進口邊坡和建筑物的破壞，根據(jù)實際情況在截水溝外側(cè)設(shè)置柔性防護網(wǎng)。

8）邊坡開口線外側(cè)根據(jù)實際情況設(shè)置鎖口錨桿束，各馬道外側(cè)設(shè)置鎖口錨桿束。

進水口邊坡錨索、框格梁布置情況如圖4所示。

圖4 進水口工程邊坡錨索、框格梁布置示意圖

3 變形機制分析

3.1 邊界條件

1）主滑面。開挖揭示工程邊坡規(guī)模相對較大且對邊坡整體穩(wěn)定具不利影響的主要為fy-3斷層和f01-1-1斷層。fy-3斷層可見長度約52m，寬0.3～1.2m，巖屑夾泥型，緩傾坡外，但其上、下游側(cè)受fy-1與fy-2斷層限制，主要影響邊坡局部穩(wěn)定。f01-1-1斷層主要出露于進水口部位，緩傾坡外，傾角5°～15°，為泥夾巖屑型—巖屑夾泥型。工程邊坡大面積開挖卸荷、削腳，加之支護滯后，其應(yīng)力狀態(tài)改變明顯，不利于邊坡整體穩(wěn)定。

2）側(cè)向切割面。開挖揭示工程邊坡無貫穿性長大側(cè)向切割面，與邊坡大角度相交、規(guī)模相對較大的為fy-2、fy-31斷層及數(shù)條輝綠巖脈破碎帶，均分布在工程邊坡上游側(cè)及中部，但延伸長度有限，一般均在25～40m，不能構(gòu)成控制性邊界。邊坡地處山脊，三面臨空。

3）后緣切割面。前期地表調(diào)查表明，f10斷層位于開口線附近，與邊坡走向夾角不大，斜切山脊，寬度1.0m左右，延伸長度大于50m,傾角70°～80°，但f10斷層在泄洪洞邊坡中沒有出露，其僅能構(gòu)成部分后緣切面。

3.2 變形機制

邊坡局部具備后緣切割面、平緩的底滑面、無控制性的側(cè)向切割面，但由于邊坡地處山脊，三面臨空，在大面積開挖、削腳后，底滑面f01-1-1斷層出露于坡腳，加之山體內(nèi)黃金坪隧洞、泄洪洞及其施工支洞的開挖，對邊坡應(yīng)力狀態(tài)改變較大，邊坡存在沿f01-1-1斷層滑動變形調(diào)整的可能。

結(jié)合地質(zhì)、監(jiān)測資料分析，進水口邊坡大面積開挖、削腳后，沒有及時支護，加之山體內(nèi)黃金坪隧洞、泄洪洞及其施工支洞的開挖，對邊坡應(yīng)力狀態(tài)改變較大，邊坡內(nèi)部松動、破碎巖體產(chǎn)生塑性變形，表現(xiàn)為向臨空方向蠕變；自然邊坡上的覆蓋層則因下部松動、破碎巖體壓縮、蠕變而發(fā)生不均勻沉降，形成張裂縫。以上表明，進水口邊坡正處于開挖卸荷后的整體變形階段。

綜上所述，進水口邊坡天然狀態(tài)下整體基本穩(wěn)定，工程邊坡開挖后，巖體卸荷，應(yīng)力重新調(diào)整，由于支護滯后，強卸荷帶內(nèi)一定范圍的松動破碎巖體因應(yīng)力調(diào)整產(chǎn)生壓縮、蠕變，導(dǎo)致邊坡向臨空方向變形，該變形會持續(xù)一段時間，若不能采取及時有效的支護，將會導(dǎo)致邊坡整體破壞。

4 結(jié)語

黃金坪水電站進水口工程邊坡為A類Ⅰ級邊坡，地質(zhì)條件復(fù)雜，卸荷作用強烈，開挖對邊坡穩(wěn)定性有一定影響。建議邊坡支護設(shè)計應(yīng)考慮卸荷松動破碎巖帶及斷層破碎帶對穩(wěn)定性的影響，并在施工開挖過程采取及時有效的加固處理措施。

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