烏東德水電站右岸拱肩槽邊坡穩(wěn)定性研究

李會(huì)中，王吉亮，黃孝泉，楊 靜，劉沖平，白 偉，馮 龍

(1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010;2.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002;3.上海交通大學(xué)，上海 200240)

我國西南地區(qū)一系列在建或擬建的大型水電樞紐工程多居高山峽谷地區(qū)，巖石高邊坡極其復(fù)雜，其穩(wěn)定性對(duì)工程安全具有重要影響。對(duì)此，眾多學(xué)者采用包括現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件的系統(tǒng)調(diào)研及室內(nèi)綜合分析［1－2］、變形機(jī)制的理論研究［3－4］、大型三維數(shù)值計(jì)算［5－6］、以及人工智能方法［7－8］等研究手段，針對(duì)高邊坡穩(wěn)定問題開展了一系列深入的研究，并取得了豐富的成果，眾多的研究無疑推動(dòng)了人們對(duì)該地區(qū)巖石高邊坡變形及穩(wěn)定性的本質(zhì)認(rèn)識(shí)。

本文以金沙江烏東德水電站右岸拱肩槽人工邊坡為工程背景，以現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件的系統(tǒng)調(diào)研為基礎(chǔ)，將宏觀地質(zhì)分析與數(shù)值模擬相結(jié)合，分層次對(duì)人工邊坡整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

1 工程概況

擬建烏東德水電站是金沙江下游河段4個(gè)水電梯級(jí)中的最上游梯級(jí)，以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運(yùn)、攔沙等綜合利用效益，是西電東送骨干電源點(diǎn)之一，大壩采用拋物線混凝土雙曲拱壩，壩高265 m，設(shè)計(jì)正常蓄水位975 m，相應(yīng)庫容58.63億 m3，裝機(jī)容量10 200 MW。

壩址河谷呈狹窄“V”型，兩岸地形基本對(duì)稱(見圖1)。右岸自然邊坡高約1 630 m，高程1 100 m以下平均坡度65°，坡高約300 m;高程1 100～1 300 m平均坡度約32°，高程1 300 m以上平均坡度50°。

圖1 烏東德水電站壩址區(qū)三維影像圖Fig.1 Three-dimensional diagram of the dam site of Wudongde hydropower station

根據(jù)邊坡走向，將右岸拱肩槽人工邊坡分為4個(gè)坡段，分別為上游橫河向坡、上游側(cè)向坡、正面坡和下游邊坡，如圖2。邊坡巖體由前震旦系會(huì)理群褶皺基底地層組成，地層近橫河向展布，陡傾下游偏右岸。斷層不發(fā)育，地表僅見6條斷層，其中僅f42可能于正面坡和上游側(cè)向坡高程1 110 m附近出露;平洞內(nèi)揭露的斷層僅有f62－1可能于上游側(cè)邊坡高程990 m附近出露。主要發(fā)育2組優(yōu)勢(shì)裂隙，其中:優(yōu)勢(shì)裂隙1產(chǎn)狀為260°～280°∠40°～60°，即順河向、傾坡內(nèi)、中傾角裂隙;優(yōu)勢(shì)裂隙2產(chǎn)狀為60°～80°∠50°，即順河向、傾坡外、中傾角裂隙。主要結(jié)構(gòu)面特征見表1。

圖2 右岸拱肩槽邊坡工程地質(zhì)平面圖Fig.2 Plan view of the engineering geology of slope at the right abutment

表1 主要的結(jié)構(gòu)面特征表Table 1 Characteristics of major structural planes

2 物理力學(xué)參數(shù)與設(shè)計(jì)開挖坡比

2.1 物理力學(xué)參數(shù)

以巖體與結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)特征為基礎(chǔ)，以現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)成果為依據(jù)，以規(guī)程規(guī)范及類似工程為參考，綜合確定巖體與結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)(如表2、表 3)。

2.2 設(shè)計(jì)開挖坡比

參考類似水電工程人工邊坡設(shè)計(jì)坡比［9－11］、《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》［12］建議的巖石邊坡開挖坡比，依據(jù)烏東德壩址區(qū)自然邊坡穩(wěn)定坡比調(diào)查結(jié)果，確定右岸拱肩槽邊坡開挖坡比(見表4)。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of rock mass

表3 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table 3 Shear strength parameters of structural planes

表4 設(shè)計(jì)開挖坡比Table 4 Designed magnitudes of slope excavation

3 整體穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

3.1 工程地質(zhì)分析與評(píng)價(jià)

拱肩槽人工邊坡巖質(zhì)堅(jiān)硬;上游橫河向坡、上游側(cè)向坡、正面坡和下游邊坡分別為斜向坡、橫向坡、反向坡、斜向坡結(jié)構(gòu);斷層與裂隙總體不發(fā)育，多短小;邊坡主要為非卸荷與弱卸荷巖體，局部即頂部或淺表部存在強(qiáng)卸荷巖體(圖3中黃色區(qū)域);巖體質(zhì)量主要為Ⅱ1～Ⅲ1級(jí)，少量Ⅲ2級(jí)，如圖3。人工邊坡結(jié)構(gòu)有利、卸荷不發(fā)育、巖體質(zhì)量?jī)?yōu)良，整體穩(wěn)定性較好。

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算

采用三維離散元程序(3DEC)對(duì)拱肩槽邊坡進(jìn)行模擬計(jì)算［13］，計(jì)算模型如圖4，由于拱肩槽與引水洞進(jìn)口邊坡聯(lián)合開挖，故將引水洞進(jìn)口邊坡一并建模。模型中開挖步設(shè)置與設(shè)計(jì)馬道一致，共分24個(gè)開挖步。在計(jì)算模型中考慮了結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，主要結(jié)構(gòu)面(見圖5)包括:①層面:產(chǎn)狀為180°∠85°;②確定性結(jié)構(gòu)面:主要包括模型范圍內(nèi)的斷層及主要長大裂隙，如f42等。

圖3 各坡段巖體質(zhì)量分級(jí)立視圖Fig.3 Elevation view of the rock mass quality classification of each slope segment

圖4 邊坡計(jì)算模型Fig.4 Slope model for calculation

計(jì)算成果如圖5，從中可以看出:邊坡巖體變形量較小，呈現(xiàn)較好的穩(wěn)定狀態(tài)。從巖體變形隨強(qiáng)度折減系數(shù)間的突變規(guī)律來看，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)為1.7時(shí)，變形總量和變形范圍較為明顯，經(jīng)驗(yàn)判斷邊坡穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)在1.6～1.7之間。

4 局部穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

4.1 塊體模式分析

拱肩槽邊坡主要結(jié)構(gòu)面特征見表1，邊坡傾向及坡角見表5。

圖5 邊坡計(jì)算成果(變形狀態(tài))Fig.5 Calculated deformation condition of artificial slope

表5 邊坡傾向及坡角Table 5 Dip direction and dip of artificial slope

拱肩槽邊坡處，斷層等定位結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，由表1分析可知，不具備組合定位塊體的邊界條件，只能組合半定位和隨機(jī)塊體。

上游橫河向坡，以優(yōu)勢(shì)裂隙2與層面為底滑面，以優(yōu)勢(shì)裂隙1為頂部切割面，組合可形成雙滑面型塊體(塊體1)。

上游側(cè)向坡，以f62－1為下游切割面，優(yōu)勢(shì)裂隙1為頂部切割面，優(yōu)勢(shì)裂隙2為底滑面，組合可形成平面滑動(dòng)型塊體(塊體2);以f42為頂部切割面，優(yōu)勢(shì)裂隙2為底滑面，層面為下游切割面，組合可形成平面滑動(dòng)型塊體(塊體3);以優(yōu)勢(shì)裂隙1為頂部切割面，優(yōu)勢(shì)裂隙2為底滑面，層面為下游切割面，組合可形成平面滑動(dòng)型塊體(塊體4)。

正面坡邊坡結(jié)構(gòu)為反向坡，斷層、裂隙、層面組合無法形成塊體，層面反傾，主要破壞模式為傾倒型。

下游邊坡以優(yōu)勢(shì)裂隙1與層面為底滑面，優(yōu)勢(shì)裂隙2為頂部切割面，組合可形成雙滑面型塊體(塊體5)。

各坡段可能形成的塊體模式見表6。

4.2 塊體規(guī)模與埋深分析

壩址右岸坡面裂隙長度統(tǒng)計(jì)分析表明，裂隙長度分布區(qū)間大體可分為30～60 m，10～30 m，5～10 m，所占比例分別為5.4%，23.7%，70.9%，可見以5～30 m裂隙為主，累計(jì)占94.6%。因此，塊體邊界面延伸長度中，出于工程安全考慮，優(yōu)勢(shì)裂隙長度按30 m計(jì)，而斷層和層間剪切帶按坡面調(diào)查實(shí)際長度計(jì)，以空間幾何方法可計(jì)算出各塊體規(guī)模與埋深，計(jì)算結(jié)果見表7。

表6 塊體模式表Table 6 Modes of blocks

表7 塊體規(guī)模與埋深Table 7 Block scales and depths

4.3 塊體穩(wěn)定性宏觀地質(zhì)分析

塊體的穩(wěn)定性主要取決于三方面因素:①組成塊體的結(jié)構(gòu)面幾何特征，如產(chǎn)狀和連通性等;②組成塊體的結(jié)構(gòu)面性狀，如粗糙起伏程度、張開度、充填物等;③組成塊體的結(jié)構(gòu)面卸荷松弛張開特征。

依據(jù)塊體穩(wěn)定性控制因素，結(jié)合烏東德水電站壩址區(qū)右岸拱肩槽邊坡實(shí)際情況，塊體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表8。

表8 塊體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 8 Evaluation standard of block stability

依據(jù)上述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)拱肩槽邊坡可能組合塊體進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，如表9。從表可知，塊體滑面或交棱線傾向與坡面傾向夾角均較小，結(jié)合表1中結(jié)構(gòu)面性狀，可以判定:除上游側(cè)向坡處塊體2，3穩(wěn)定性稍差外，其它坡段塊體均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

表9 塊體穩(wěn)定性宏觀評(píng)價(jià)表Table 9 Result of block stability evaluation

5 結(jié)論

(1)烏東德水電站右岸拱肩槽邊坡結(jié)構(gòu)有利、卸荷不發(fā)育、巖體質(zhì)量?jī)?yōu)良，整體穩(wěn)定性較好;數(shù)值模擬結(jié)果顯示邊坡開挖過程中坡體變形場(chǎng)穩(wěn)定，穩(wěn)定系數(shù)在1.6～1.7之間。宏觀地質(zhì)評(píng)價(jià)及數(shù)值模擬皆表明右岸拱肩槽邊坡整體穩(wěn)定性較好。

(2)通過塊體分析，確定了各坡段可能形成的塊體模式、方量、埋深等特征。依據(jù)控制塊體穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)面幾何特征、工程性狀和卸荷特征3個(gè)因素，建立了塊體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并依此對(duì)拱肩槽邊坡可能構(gòu)成的塊體穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明除上游側(cè)向坡可能形成的塊體穩(wěn)定性稍差外，其它坡段可能形成的塊體均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)鑒于上述穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與認(rèn)識(shí)，建議以系統(tǒng)噴錨加固、地表(下)排(截)水、變形監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，并輔以針對(duì)塊體的錨固或清除等措施。施工程序上，建議單級(jí)邊坡開挖支護(hù)完成后方可下一級(jí)邊坡開挖。

(4)施工過程中拱肩槽邊坡可能出現(xiàn)塊體的具體位置及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)需以全面、系統(tǒng)的施工地質(zhì)工作為基礎(chǔ)進(jìn)一步明確，并據(jù)此調(diào)整優(yōu)化相應(yīng)工程措施。

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