旁多水利樞紐泄洪洞出口高邊坡穩(wěn)定性及加固措施研究

范景春，董延超，王 強(qiáng)，陳俊杰

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 工程概況

旁多水利樞紐工程位于西藏自治區(qū)林周縣旁多鄉(xiāng)下游1.5 km處的拉薩河干流上，距下游拉薩市直線距離約63 km，工程規(guī)模為大（1）型，工程等別為Ⅰ等，泄洪洞為1級(jí)建筑物，地震基本烈度為Ⅷ度。工程任務(wù)以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪和供水，是西藏在建規(guī)模最大的水利樞紐工程。

泄洪洞出口邊坡位于壩下約300 m處，原始地形高程為 4030～4300 m，自然坡度 20°～30°，土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡開挖坡比分別為 1∶1.3和 1∶0.8，坡底高程 4026.5 m，坡頂高程4285 m，邊坡總高達(dá)258.5 m，平均開挖寬度370 m，形成輪廓復(fù)雜的高邊坡。

從現(xiàn)場(chǎng)開挖披露的地質(zhì)情況來(lái)看，邊坡體由基巖破碎區(qū)和碎（塊）石混合土組成，邊坡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地質(zhì)條件較差。由于泄洪洞出口邊坡屬于高邊坡，是樞紐泄洪系統(tǒng)的重要組成部分，它的安全和穩(wěn)定對(duì)整個(gè)樞紐的安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。因此，分析泄洪洞出口高邊坡的變形破壞機(jī)制，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，提出并采取邊坡加固措施是非常重要的。

2 工程地質(zhì)概況

泄洪洞出口邊坡覆蓋層厚度5～22 m，主要為碎（塊）石混合土、混合土碎（塊）石等。邊坡體高程4030～4230 m分布基巖破碎區(qū)，基巖破碎區(qū)總體走向約N28°E，長(zhǎng)約350 m，寬約360 m，高程4145～4200 m范圍一較大面積的基巖破碎區(qū)出露。邊坡基巖為閃長(zhǎng)玢巖，強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，局部中等風(fēng)化狀態(tài)，節(jié)理發(fā)育～極發(fā)育，多見(jiàn)銹面，夾泥等，部分節(jié)理張開寬度幾十厘米，夾泥、巖塊等，巖體破碎，完整性差。泄洪洞出口地下水主要為基巖裂隙水，埋深30～110 m，對(duì)邊坡的影響主要表現(xiàn)為降水入滲過(guò)程中對(duì)邊坡穩(wěn)定的不利影響。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算模型及條件

采用ABAQUS軟件對(duì)邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析。有限元模型：計(jì)算以剖面方向?yàn)閤軸，正向指向坡里，以鉛直方向?yàn)閥軸，正向鉛直向上，計(jì)算模型的左右邊界采用法向約束，模型底邊界采用水平、豎直方向約束。

3.2 計(jì)算參數(shù)及工況

計(jì)算采用物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，計(jì)算工況和運(yùn)用條件見(jiàn)表2。

表1 邊坡物理力學(xué)參數(shù)

表2 計(jì)算工況和運(yùn)用條件

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

1）有限元數(shù)值模擬邊坡變形破壞機(jī)制分析

采用二維彈塑性有限元法分析研究泄洪洞出口邊坡變形和塑性區(qū)的發(fā)生、變化、發(fā)展過(guò)程。正常運(yùn)用+地震工況塑性區(qū)和位移分布見(jiàn)圖1。

圖1 正常運(yùn)用+地震工況塑性分布和位移云圖

經(jīng)分析，正常運(yùn)用工況邊坡的坡角局部及深層基巖破碎區(qū)邊界部位處于剪切屈服狀態(tài)，但其塑性應(yīng)變值很小，邊坡位移較小，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。正常運(yùn)用+地震工況坡體內(nèi)的塑性區(qū)范圍和塑性應(yīng)變值明顯增大，邊坡表面及深部出現(xiàn)較大范圍的拉剪破壞區(qū)，基巖破碎區(qū)部位拉剪破壞區(qū)尤為突出，并向邊坡表面延伸形成貫穿的滑移帶，邊坡基巖破碎區(qū)變形量超過(guò)其他區(qū)域，向坡外水平位移較為明顯，公路上部最大位移量達(dá)8.68 cm。

通過(guò)邊坡體內(nèi)變形和塑性區(qū)分布特征分析可知，泄洪洞出口邊坡基巖破碎區(qū)范圍大、強(qiáng)度較低，是導(dǎo)致邊坡變形的主要因素。在地震荷載影響下，邊坡基巖破碎區(qū)部位變形破壞加劇，基巖破碎區(qū)出現(xiàn)貫通的滑移帶，易形成從公路下坡腳處剪出的危險(xiǎn)滑動(dòng)模式。

2）二維極限平衡法邊坡穩(wěn)定分析

利用彈塑性分析給出的最不利滑裂面，采用二維極限平衡法計(jì)算各工況典型剖面的穩(wěn)定性。圖2為滑裂面位置圖，邊坡穩(wěn)定分析成果見(jiàn)表3。

表3 邊坡穩(wěn)定分析成果

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，邊坡尚未達(dá)到極限平衡狀態(tài)，邊坡整體穩(wěn)定。正常運(yùn)用+地震工況為控制工況，邊坡形成從基巖破碎區(qū)邊界區(qū)域剪出滑動(dòng)模式，穩(wěn)定安全系數(shù)為1.13，其值偏小。

4 邊坡加固措施研究

圖2 滑裂面位置圖

考慮出口邊坡的重要性，邊坡地質(zhì)條件的復(fù)雜性，地震工況下穩(wěn)定安全系數(shù)偏小等因素，對(duì)邊坡局部范圍采取加固處理，以增加邊坡穩(wěn)定的安全儲(chǔ)備。經(jīng)綜合分析提出邊坡加固方案如下：在泄洪洞出口公路上一級(jí)馬道樁號(hào)K0+680～K0+388 m范圍內(nèi)和公路下洞臉處各布置4排壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索，錨索間距6 m，平均長(zhǎng)度35 m，單束錨索提供1000 kN的錨固力。

采用二維彈塑性有限元法和二維極限平衡法分別對(duì)壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索的加固效果進(jìn)行分析，采用預(yù)應(yīng)力分散型錨索加固后，最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)由1.13提高至1.17。邊坡塑性區(qū)和變形計(jì)算分析表明，邊坡體內(nèi)的塑性區(qū)范圍大大減少，邊坡表面水平變形量明顯降低，最大位移值從8.68 cm降至2.59 cm?？梢?jiàn)針對(duì)邊坡采用的加固增穩(wěn)措施效果明顯，加固措施有效改善了邊坡的應(yīng)力狀態(tài)，提高了邊坡巖體的抗變形能力，對(duì)提高邊坡的穩(wěn)定性有顯著作用。

5 結(jié)語(yǔ)

1）采用二維彈塑性有限元法分析邊坡變形破壞機(jī)制，結(jié)果表明基巖破碎區(qū)是影響邊坡整體穩(wěn)定的主要因素。地震荷載影響下，基巖破碎區(qū)部位變形破壞加劇，出現(xiàn)貫通的滑移帶。

2）邊坡二維極限穩(wěn)定分析表明，邊坡尚未達(dá)到極限平衡狀態(tài)，邊坡整體穩(wěn)定，正常運(yùn)用+地震工況安全穩(wěn)定系數(shù)偏小，地震作用影響明顯。

3）針對(duì)松散基巖破碎區(qū)邊坡，采用壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索加固措施，改善了邊坡的應(yīng)力狀態(tài)，提高了邊坡巖體的抗變形能力，增加了邊坡穩(wěn)定的安全儲(chǔ)備。

[1]SL386-2007，水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]周鐘，饒宏玲.錦屏深切河谷高邊坡穩(wěn)定性分析及加固措施[J]，人民長(zhǎng)江，2009，40（18）：31-33.

[3]周海慧，奉偉清，戴謙訓(xùn).預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)在龍灘水電站高邊坡工程中的應(yīng)用[J].紅水河，2003，22（4）：24-27.

[4]王志宏，黃輝，江義蘭，陳尚法.構(gòu)皮灘水電站右岸水墊塘峽谷出口區(qū)邊坡彈塑性有限元分析[J].貴州水力發(fā)電，2004，16（4）：56-59.