錦屏水電站料場(chǎng)邊坡變形特征與破壞機(jī)制分析

黃志鵬，唐輝明，董志宏，尹健民，郭喜峰，

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢 430074)

1 工程背景

我國(guó)在長(zhǎng)江、金沙江、雅礱江、黃河、大渡河、南滄江、怒江等干流上已建和在建的一批大型骨干水電站，如三峽、龍灘、李家峽、小灣、拉西瓦等工程都存在著嚴(yán)重的高邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。其中三峽工程庫(kù)區(qū)中存在10多處近億m3的滑坡體，拉西瓦水電站下游左岸存在著高達(dá)700 m的巨型潛在不穩(wěn)定山體，龍灘水電站左岸存在總方量1 000萬(wàn)m3傾倒蠕變體等。這些邊坡通過(guò)治理加固，已經(jīng)穩(wěn)定。為治理這些邊坡不但耗去了大量的資金，還拖延了工期，成為我國(guó)水利水電工程施工中一個(gè)比較嚴(yán)峻的問(wèn)題，有的邊坡工程甚至已成為制約工程進(jìn)度和成敗的關(guān)鍵。這些工程的規(guī)模和所包含的技術(shù)難度都是空前的。邊坡穩(wěn)定問(wèn)題是水利水電工程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。邊坡的穩(wěn)定性直接決定著工程修建的可行性，影響著工程的建設(shè)投資和安全運(yùn)行。

錦屏一級(jí)水電站位于四川省涼山州鹽源縣雅礱江普斯羅溝峽谷內(nèi)，是雅礱江干流上的重要梯級(jí)電站工程。該電站大壩為混凝土雙曲拱壩，壩高305 m，是目前世界上最高拱壩。大壩混凝土骨料約450萬(wàn)m3。由于壩區(qū)上、下游河段內(nèi)缺乏天然砂礫石料，大壩混凝土骨料采用大奔流料場(chǎng)提供的人工骨料。大奔流溝料場(chǎng)邊坡為樞紐工程區(qū)Ⅱ級(jí)邊坡，開挖高度接近500 m，屬于特高邊坡，如圖1所示。邊坡巖層近平行于邊坡，坡體內(nèi)層間錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育，陡傾坡外，岸坡卸荷強(qiáng)烈，巖體結(jié)構(gòu)控制著邊坡的穩(wěn)定。為滿足大壩施工用料及進(jìn)度要求，邊坡開挖卸荷速度快，施工期邊坡的安全穩(wěn)定問(wèn)題突出。

圖1 錦屏一級(jí)水電站大奔流溝料場(chǎng)高邊坡Fig.1 High slope at Dabenliugou quarry of Jinping－ⅠHydropower Station

采用離散元和快速拉格朗日差分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了計(jì)算，分析研究了大奔流高邊坡在開挖支護(hù)后的變形破壞特征、潛在破壞機(jī)制、邊坡開挖后的應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)分布特征，及各種工況下的安全系數(shù)。

2 工程及地質(zhì)分析

2.1 地質(zhì)特性

大奔流料場(chǎng)位于大奔流溝下游長(zhǎng)約750 m的雅礱江左岸臨江斜坡上，下游距錦屏二級(jí)水電站閘壩0.3～1.0 km。該段邊坡走向自南向北為NE21°—NW334°，傾向SE—NE，傾角55°～65°，局部為直立狀陡崖。坡腳河床地面高程1 620 m，自然邊坡最大坡高780 余米，兩岸岸坡高峻陡峭，自然坡角多＞60°［1］。

料場(chǎng)邊坡巖性為大理巖及砂巖，巖層總厚200～350 m，開挖邊坡淺表巖層均為薄層砂巖。巖層總體走向350°～30°，傾向 SE，傾角64°～72°。

邊坡內(nèi)層間剪切軟弱夾層發(fā)育，共有23條。根據(jù)成因條件、物質(zhì)成分和性狀，將層間軟弱夾層分為2個(gè)類型:Ⅰ類夾層(層間剪切破碎夾泥層)，在堅(jiān)硬變質(zhì)砂巖中夾有薄層、極薄層炭質(zhì)板巖，經(jīng)后期層間剪切及地下水等的作用，炭質(zhì)板巖發(fā)生泥化;這類夾層，厚度一般為5～30 cm，最厚達(dá)15～55 cm，夾泥厚一般為0.5～1.0 cm，局部可達(dá)3 cm。Ⅱ類夾層(層間剪切破碎夾層)，薄層板巖或薄片狀大理巖，在構(gòu)造作用下產(chǎn)生層間剪切錯(cuò)動(dòng)、擠壓破壞，見斷續(xù)泥膜，部分夾片狀石英細(xì)脈;層間剪切破壞面連續(xù)較差，較平直，面粗糙，起狀差較大。

坡體內(nèi)查明大小斷層32條，剖面出露斷層有5條，分別為F12，F(xiàn)17，F(xiàn)18，F(xiàn)113，F(xiàn)90。斷層參數(shù)及特征見表1。F12，F(xiàn)90，F(xiàn)113斷層傾角較小，與巖層層面近90°相交;F17及F18斷層傾角較陡，與巖層層面夾角分別為53°和32°，形成楔形體，見圖2。置分級(jí)攔石網(wǎng)。邊坡防護(hù)采用表層、深層支護(hù)及邊坡排水、坡頂清理等綜合處理措施。

設(shè)計(jì)坡面支護(hù)在2 030 m高程以上系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)6～8 m，3 m×3 m梅花形布置。每級(jí)邊坡布置有2排預(yù)應(yīng)力錨索，為深30 m/1 000 kN和深60 m/2 000 kN 2種梅花形布置，整個(gè)坡面均采用掛網(wǎng)噴護(hù)處理。2 030 m高程以下系統(tǒng)錨桿改深為4.5 m和6 m梅花形布置，錨索為一排深30 m/1 000 kN和深60 m/1 000 kN 2種梅花形布置，其余處理方式基本相同。此外，對(duì)開挖邊坡局部可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定塊體采取了加強(qiáng)隨機(jī)錨桿處理，對(duì)部分巖體較破碎坡面進(jìn)行了加強(qiáng)錨索支護(hù)處理。大奔流料場(chǎng)邊坡開挖始于2008年12月，截止至2014年1月，Ⅰ區(qū)開挖支護(hù)至高程1 760 m;Ⅱ區(qū)開挖支護(hù)至高程1 775 m;Ⅲ區(qū)開挖支護(hù)至高程1 775 m。

2.2 工程特性

根據(jù)料場(chǎng)地形地質(zhì)情況，料場(chǎng)布置成“L”形，設(shè)計(jì)邊坡頂高程為2 188.5 m，設(shè)計(jì)開采底高程為1 730 m，最大開挖坡高458.5 m。相鄰兩級(jí)馬道高差為15 m，1 835 m高程以上單級(jí)坡比1∶0.3～1∶0.45，1 835 m 高程以下單級(jí)坡比1∶0.45，大部分馬道寬為2～3 m，部分馬道加寬以便于布置錨索和設(shè)

圖2 工程地質(zhì)剖面Fig.2 Engineering geological profile

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters

2.3 工程地質(zhì)分析

大奔流料場(chǎng)高邊坡開挖將傾角為50°～55°自然邊坡開挖形成單級(jí)坡角71°、綜合坡角64°左右的人工邊坡，巖層傾角與開挖邊坡坡角十分接近，屬于陡傾、薄層狀順向邊坡。組成坡體的巖體具有層狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，這種層狀巖體相對(duì)數(shù)百米坡高來(lái)講可視為薄板。當(dāng)邊坡開挖后，層狀巖層一側(cè)臨空，層間摩擦力降低，層狀巖層沿層面滑移，在坡腳受阻，邊坡中、下部可能會(huì)出現(xiàn)彎曲、外鼓和拉裂等，引起潰屈破壞［2－3］。

3 高邊坡數(shù)值仿真分析

3.1 離散元計(jì)算方法及模型

根據(jù)邊坡的工程及地質(zhì)特征，選取計(jì)算剖面如圖2，該剖面位于北西正面坡。模型計(jì)算范圍寬度630 m，高度850 m。按實(shí)際開挖與支護(hù)順序模擬了26級(jí)馬道開挖及錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)。模擬了邊坡的斷層 F12，F(xiàn)17，F(xiàn)18，F(xiàn)113，F(xiàn)90，J301，J302，J303 等23條層間錯(cuò)動(dòng)帶。巖體材料劃分為厚層大理巖、中厚層大理巖、薄層砂板巖、中厚層砂板巖、及厚層砂板巖，見圖2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)成果，計(jì)算分析采用巖體及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)見表1。由于山體陡峻、卸荷充分，因此僅考慮自重應(yīng)力。計(jì)算采用離散元法［4］(UDEC)，巖塊的力學(xué)模型為摩爾－庫(kù)倫模型，結(jié)構(gòu)面力學(xué)模型為庫(kù)倫滑移模型。

開挖支護(hù)完成后，邊坡變形矢量分布如圖3所示。受陡傾斷層水平擠出作用影響，1 925 m高程以下坡面巖體變形較大，1 925 m高程以上坡面巖體變形較小。受下部開挖影響，1 925 m高程以上巖體鉛直變形方向向下。受上部開挖卸荷影響，1 925 m至1 685 m高程坡面巖體鉛直變形以向上為主。

圖3 邊坡總變形分布Fig.3 Total deformation distribution

在邊坡開挖過(guò)程中，各級(jí)馬道巖體均首先表現(xiàn)出卸荷回彈變形。隨著向下開挖，卸荷回彈變形逐漸減小，直至為0。隨著開挖高程逐漸降低，馬道巖體變形方向發(fā)生改變，并隨著下部開挖產(chǎn)生向下變形增量。

邊坡開挖位移以卸荷回彈變形為主，且位移矢量的方向受控于結(jié)構(gòu)面。在1 925 m高程以上，邊坡水平向的位移值明顯小于豎向位移。在1 925 m高程以下，邊坡水平向的位移值明顯大于豎向位移。坡體淺表薄層砂板巖變形較大，其它巖層變形較小。邊坡變形較大的部位出現(xiàn)在1 925 m高程至1 745 m高程坡面，為陡傾角斷層F18及緩傾角斷層F113在坡面出露部位。由于陡傾斷層和開挖臨空面形成的楔形體向下位移，對(duì)斷層下盤形成向外擠出作用，位移較大，最大位移達(dá)到11.29 cm，以水平位移為主。

在1 730 m高程以上坡體內(nèi)，層間錯(cuò)動(dòng)帶處于不連續(xù)張開狀態(tài)。邊坡多數(shù)層間錯(cuò)動(dòng)帶及F17，F(xiàn)18斷層多處于剪切極限狀態(tài)。其中層間錯(cuò)動(dòng)帶J203，J307，F(xiàn)18斷層、F17 斷層剪切變形較大，其中F17的剪切錯(cuò)動(dòng)變形達(dá)到9.2 cm，如圖 4。由此可見，邊坡的變形主要為結(jié)構(gòu)面變形，巖體變形較小。

開挖邊坡破壞區(qū)如圖5所示，主要為拉伸破壞，主要分布于結(jié)構(gòu)面交匯區(qū)域，零星分布于坡體表面，剪切破壞區(qū)較少。破壞區(qū)不連續(xù)，開挖邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

為了驗(yàn)證和模擬大奔流料場(chǎng)高邊坡的破壞機(jī)制，采用離散元強(qiáng)度折減法［5］進(jìn)行計(jì)算。不考慮支護(hù)加固，將巖體和結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度分別折減25%，30%，35%，計(jì)算結(jié)果如圖6。

圖4 邊坡結(jié)構(gòu)面剪切變形Fig.4 Shear deformation of structural plane

圖5 開挖邊坡塑性區(qū)分布Fig.5 Plastic zone distribution

當(dāng)強(qiáng)度降低到25%和30%，結(jié)構(gòu)面及斷層剪切錯(cuò)動(dòng)變形不大，巖層彎曲不明顯。當(dāng)強(qiáng)度降低到35%時(shí)，陡傾斷層F17和F18發(fā)生強(qiáng)烈的剪切錯(cuò)動(dòng)，坡體內(nèi)厚層大理巖、中厚層大理巖和薄層砂板巖沿?cái)鄬渝e(cuò)動(dòng)，邊坡淺表的中厚層大理巖和薄層砂板巖產(chǎn)生強(qiáng)烈的彎曲變形。層間錯(cuò)動(dòng)帶與陡傾斷層形成的楔形體向下滑移，斷層錯(cuò)動(dòng)，下盤巖體被擠出，向坡外變形，向內(nèi)彎曲，見圖6。

邊坡變形同時(shí)受順坡向?qū)娱g錯(cuò)動(dòng)帶和反傾斷層控制，除了順層滑移和彎曲變形外，還有沿陡傾結(jié)構(gòu)面的錯(cuò)動(dòng)變形。按中國(guó)水利水電工程地質(zhì)規(guī)范［6－7］，這種含有反傾結(jié)構(gòu)面的順坡向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)邊坡的變形破壞屬潰屈破壞。

圖6 不同強(qiáng)度折減系數(shù)邊坡的變形及破壞Fig.6 Deformation and failure of slope with different strength reduction factors

3.2 FLAC3D方法分析

基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法［8］(FLAC3D)建立了數(shù)值分析模型，計(jì)算表明:全部開挖完成后，邊坡淺部巖體卸荷松弛，松弛范圍大致沿著層間錯(cuò)動(dòng)帶呈折線型分布，層面和錯(cuò)動(dòng)帶消耗了大量的卸荷釋放能量，松弛深度一般為20～35 m。邊坡開挖后，在坡腳部位存在一定程度的壓應(yīng)力集中，為3～5 MPa，如圖7所示。開挖完成后，邊坡內(nèi)有小范圍的拉應(yīng)力區(qū)。最大拉應(yīng)力值為0.73 MPa，出現(xiàn)在高程1 835 m馬道、高程1 730 m平臺(tái)。邊坡開挖過(guò)程中，總體上，各級(jí)馬道坡腳部位的應(yīng)力值隨上覆巖層的開挖而逐步降低。但本級(jí)馬道開挖時(shí)，存在一定的應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力經(jīng)歷了原巖應(yīng)力場(chǎng)—上覆巖體卸載—本級(jí)馬道開挖加載—下部開挖再卸載的復(fù)雜力學(xué)過(guò)程。

邊坡巖體的塑性區(qū)隨開挖逐漸增加，在開挖坡面上主要分布在各級(jí)馬道。薄層砂板巖塑性區(qū)，在坡表出露部位。在邊坡內(nèi)部，塑性區(qū)主要位于中下部薄層砂板巖以及弱卸荷帶范圍內(nèi)。邊坡內(nèi)塑性屈服程度較大部位主要發(fā)生在錯(cuò)動(dòng)帶內(nèi)部以及中下部特別是泥夾碎屑型結(jié)構(gòu)面內(nèi)塑性應(yīng)變較大。如圖8。

邊坡加固的重點(diǎn)應(yīng)對(duì)下部抗力體加以合理的保護(hù)和加固，及時(shí)提供圍壓，預(yù)應(yīng)力錨索、鋼筋混凝土格構(gòu)以及系統(tǒng)錨桿等措施均可以起到良好的加固作用;邊坡放緩坡比，留寬平臺(tái)，并使邊坡坡面出露在厚層砂巖中以及采用每級(jí)馬道多排錨索支護(hù)方案對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性效果明顯。

邊坡安全系數(shù)隨開挖坡高的增大而逐漸降低。由于邊坡在1 895 m高程以下坡比放緩，邊坡坡面避開了薄層砂板巖，在中～ 厚層砂巖出露，下部安全系數(shù)有較明顯的提高，且隨開挖高程降低安全系數(shù)降低幅度變小，正常工況、短暫工況(暴雨作用)及偶然工況(地震作用)邊坡安全系數(shù)見表2。

圖7 開挖完成后的最大主應(yīng)力云圖Fig.7 Maximum principal stress after the excavation

圖8 邊坡開挖完成后的塑性區(qū)分布Fig.8 Plastic zone distribution after the excavation

表2 邊坡安全系數(shù)Table 2 Safety factors of slope

邊坡開挖完成后正常工況對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.35;短暫工況對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.18，偶然工況對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.17。滿足規(guī)范中安全系數(shù)的不同工況的對(duì)應(yīng)要求。

4 結(jié)論

(1)邊坡開挖變形以卸荷回彈為主，豎向變形大于水平變形;層間錯(cuò)動(dòng)帶及陡傾斷層錯(cuò)動(dòng)變形較大，層間錯(cuò)動(dòng)面多處于剪切極限狀態(tài)和不連續(xù)張開狀態(tài)。

(2)邊坡開挖后，在坡腳部位存在一定程度的壓應(yīng)力集中，為3～5 MPa;邊坡內(nèi)有小范圍的拉應(yīng)力區(qū)。

(3)邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但邊坡巖體局部存在塑性破壞區(qū)，主要分布于薄層砂板巖、剪切錯(cuò)動(dòng)帶及坡體淺表，以拉伸破壞為主，少量剪切破壞;邊坡為潰屈破壞模式。

(4)建議及時(shí)對(duì)下部坡腳巖體進(jìn)行錨固，提供側(cè)向壓力，限制邊坡下部巖體的側(cè)向變形，防止因下部巖體側(cè)向變形過(guò)大而引起邊坡的破壞。

［1］孫云志，王 頌，冉隆田，等.錦屏水電站大奔流溝料場(chǎng)高邊坡破壞模式分析［J］.人民長(zhǎng)江，2013，44(6):6－10.(SUN Yun-zhi，WANG Song，RAN Long-tian，et al.Failure Mode of High Slope of Dabenliugou Material Field of Jinping Hydropower Station［J］.Yangtze River，2013，44(6):6－10.(in Chinese))

［2］宋勝武，徐光黎，張世殊.論水電工程邊坡分類［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2012，20(1):123－130.(SONG Shengwu，XU Guang-li，ZHANG Shi-shu.Slope Classification for Hydropower Engineering［J］.Journal of Engineering Geology，2012，20(1):123－130.(in Chinese))

［3］潘家錚，何 瑾，陳祖安，等.中國(guó)水力發(fā)電工程(工程地質(zhì)卷)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2000.(PAN Jia-zheng，HE Jin，CHEN Zu-an，et al.Hydropower Engineering in China(Engineering Geology)［M］.Beijing:China Electric Power Press，2000.(in Chinese))

［4］LEMOS J V，ROGER HART D，CUNDALL P A.A Generalized Distinct Element Program for Modelling Joined Rock Mass［C］∥Proceedings of the International Symposium on Fundamentals of Rock Joins，Bjorkjiden，September 15－20，1985:335－343.

［5］雷遠(yuǎn)見，王水林.基于離散元的強(qiáng)度折減法分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性［J］.巖土力學(xué)，2006，27(10):1693－1698.(LEI Yuan-jian，WANGShui-lin.Stability Analysis of Jointed Rock Slope by Strength Reduction Method Based on UDEC［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27(10):1693－1698.(in Chinese))

［6］DL/T5337—2006，水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.(DL/T5337—2006，Technical Code for Engineering Geological Investigation of Slope for Hydropower and Water Resources Projects［S］.Beijing:China Water Power Press，2006.(in Chinese))

［7］GB5208—2006，水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范 ［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2008.(GB5208—2006，Code for Hydropower Engineering Geological Investigation［S］.Beijing:China Planning Press，2008.(in Chinese))

［8］CUNDALL P A.Explicit Finite Difference Methods in Geomechanics［C］∥Numerical Methods in Engineering:Proceedings of the EF Conference on Numerical Methods in Geomechanics(Volume 1)，Blacksburg，Virginia，June，1976:132－150.