老虎嘴水電站右壩肩邊坡穩(wěn)定性研究

朱彬,魏玉峰,2 ,符文熹

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流保護(hù)國家重點實驗室,水利水電學(xué)院，成都 610065； 2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室(成都理工大學(xué)),成都 610059)

老虎嘴水電站右壩肩邊坡穩(wěn)定性研究

朱彬1,魏玉峰1,2,符文熹1

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流保護(hù)國家重點實驗室,水利水電學(xué)院，成都 610065； 2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室(成都理工大學(xué)),成都 610059)

巖土高邊坡穩(wěn)定性問題一直是水電工程研究的重難點之一。本文以老虎嘴水電站右壩肩邊坡穩(wěn)定性作為研究對象，針對邊坡卸荷顯著、節(jié)理發(fā)育、施工安全穩(wěn)定問題突出的特點，采用數(shù)值分析軟件FLAC3D，結(jié)合點安全系數(shù)法，對天然情況、導(dǎo)流洞泄洪洞開挖工況、邊坡分級開挖分級加固工況以及開挖完成后降雨工況等不同狀況下的相應(yīng)穩(wěn)定性問題進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，老虎嘴水電站右壩肩邊坡在無支護(hù)加固狀況下穩(wěn)定性較低，不能保證施工期的安全，但在嚴(yán)格分級加固后各工況處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下的工程穩(wěn)定要求。

巖土高邊坡；邊坡穩(wěn)定性；數(shù)值分析；點安全系數(shù)

1 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，尤其是西部大開發(fā)的深入推進(jìn)以來，出現(xiàn)了一輪又一輪的工程建設(shè)高潮，各種工程建設(shè)過程中的邊坡穩(wěn)定性問題日益突出，其中巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性問題是邊坡穩(wěn)定性研究的重點和難點之一[1]。就水電工程而言，相應(yīng)的巖石高邊坡既是工程建筑物存在的基本環(huán)境，又是工程設(shè)施的承載體，其重要性不言而喻[2]。影響和控制水電工程邊坡穩(wěn)定的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面成因、性質(zhì)和相應(yīng)的力學(xué)特性均十分復(fù)雜，相應(yīng)邊界條件往往處于劇烈的動態(tài)變化之中，與開挖、蓄泄水、泄洪霧化雨和地震等因素均存在相互影響，且各影響因素作用機理極難分清。正因為如此，水電工程巖石高邊坡穩(wěn)定問題不僅涉及到工程本身的安全，同時也涉及到整體周邊環(huán)境的安全，特別是大壩下游人民生命財產(chǎn)的安全。因此，水電工程巖石高邊坡穩(wěn)定性問題一直是工程地質(zhì)和巖石力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點之一[3-4]。

老虎嘴水電站是西藏自治區(qū)電力發(fā)展規(guī)劃的重點建設(shè)項目之一，是緩解藏中電網(wǎng)缺電的骨干電源工程。該工程位于西藏自治區(qū)東南部林芝地區(qū)工布江達(dá)縣巴河干流，距巴河出口處約5.5 km，距工布江達(dá)縣約44 km，距拉薩市約320 km，電站施工區(qū)平均海拔3 300多米[5]。該水電站工程所在區(qū)域地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，受河流右側(cè)下切影響，河谷兩側(cè)形成左右不對稱“V”型壩肩，其中右壩肩的工程地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜。受老公路、導(dǎo)流洞、泄洪洞開挖等因素的影響，施工中右岸邊坡出現(xiàn)應(yīng)力重新分布問題，再加上降雨等自然作用，邊坡穩(wěn)定性問題日顯突出。

本文探究老虎嘴水電站右岸邊坡穩(wěn)定性問題，結(jié)合水電站右壩肩邊坡工程地質(zhì)條件，分析其變形破壞因素，通過數(shù)值分析軟件FLAC3D結(jié)合點安全系數(shù)法[5]對右壩肩邊坡在天然情況下、導(dǎo)流洞泄洪洞開挖、邊坡分級開挖分級加固和開挖完成后降雨等工況下的穩(wěn)定性問題進(jìn)行分析研究。

2 工程地質(zhì)條件

老虎嘴水電站樞紐工程區(qū)古河床為典型的“U”字型冰蝕谷地貌，河流總體位于古河床右岸，平面呈“S”形彎曲。水電站壩址區(qū)河谷呈不對稱“V”型特征，微地形地貌總體呈“雞爪子”特征。

右岸壩肩基巖裸露，山體雄厚，地形完整，山頂植被茂密，右壩肩邊坡整體地形地貌特征如圖1所示。右壩肩不同高程邊坡坡度存在一定變化，河水面至高程3 278 m處岸坡坡度為55°～65°，高程3 278～3 298 m處坡度為60°～75°，高程3 298 m以上坡度為45°～55°。同時邊坡走向存在較大變化，高程3 280～3 278 m以下為SE172°～168°，高程3 280～3 278 m以上因公路修建而形成了人工開挖邊坡，走向為SE173°～145°，坡高25～28 m，局部最高處35 m。邊坡區(qū)域地下水埋深37～94 m，坡降18‰～83‰，整體呈現(xiàn)上陡下緩的特點。

圖1 右壩肩全貌

右岸壩肩巖層為中厚層狀變質(zhì)石英砂巖夾條帶分布薄層狀砂質(zhì)板巖，板巖出露厚度0.6～3.35 m，最厚處達(dá)6.2 m，占巖層厚度的13%～28%，整個巖層整體呈層狀結(jié)構(gòu)，較完整，巖體結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。巖層產(chǎn)狀為走向NW310°～320°、傾向SW(或NE)、傾角75°～80°，巖層走向與自然斜坡總體走向約40°～50°，總體構(gòu)成斜向坡。

圖2 右壩肩邊坡坡體結(jié)構(gòu)特征

邊坡巖體陡傾角斷裂發(fā)育，傾角大多在80°以上，多為層間擠壓帶，破碎帶寬度一般為0.1～0.6 m，最大1 m，延伸長度在100～150 m之間，破碎帶組成物多為片狀巖、碎裂巖、塊狀巖，夾泥較少，局部有灰黑或棕紅色泥質(zhì)物。裂隙以走向NWW～NNW、NNE～NE向的陡傾角裂隙為主，一般寬度為0.3～1.0 cm，延伸長度一般在30～70 m之間，裂面平直、光滑，多數(shù)無充填及鈣質(zhì)薄膜，少數(shù)充填巖粉。走向NW、NE向緩傾角裂隙不發(fā)育，延伸長度一般在3～5 m(個別延伸長度超過10 m)，空間連續(xù)性差。

天然狀態(tài)，右壩肩邊坡巖體的變形破壞特征主要表現(xiàn)在老公路開挖面局部有掉塊、表部巖體有卸荷拉裂以及開挖坡頂以上的斜坡淺表部范圍的卸荷松弛松動。這主要與長期的斜坡形成演化過程中的風(fēng)化、卸荷、反復(fù)凍脹、降雨淋濾和水的楔入作用以及地震作用等有關(guān)。另外，泄洪洞貫通階段及交通洞出口貫通階段兩次大爆破振動作用對右壩肩邊坡淺表部巖體也有一定的擾動。

3 壩肩邊坡穩(wěn)定性分析

老虎嘴水電站右壩肩工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，根據(jù)其破壞特征，下面采用點安全系數(shù)法結(jié)合FLAC3D有限差分軟件來分析評價老虎嘴水電站右壩肩邊坡穩(wěn)定性。

3.1 點安全系數(shù)法

點安全系數(shù)考慮滑動面上的實際應(yīng)力分布和上覆巖土體對抗滑穩(wěn)定的影響。從理論上來講，只要整個滑動面上每個點(或局部)K≥1，則可推斷整個滑動面處于穩(wěn)定狀態(tài)。但實際計算中往往存在個別破壞點，根據(jù)潘氏原理，滑坡失穩(wěn)時，它將沿抵抗力最小的一個滑面破壞，當(dāng)滑坡體的滑面穩(wěn)定時，則滑面上的反力(以及滑坡體內(nèi)的內(nèi)力)能自行調(diào)整，以發(fā)揮最大的抗滑力，因此個別點的破壞不代表邊坡整體失穩(wěn)，只有出現(xiàn)貫通破壞區(qū)時，才可定義出破壞面[7]。點安全系數(shù)表達(dá)式為：

(1)

其中

(2)

式中,Fs為抗剪安全系數(shù)；c為內(nèi)聚力；σ1為空間巖體任一點的最大主應(yīng)力；σ3為空間巖體任一點的最小主應(yīng)力。

(3)

式中,Ft為抗拉安全系數(shù)；σt為抗拉強度，規(guī)定為負(fù)值。

3.2 FLAC3D數(shù)值計算分析

右壩肩邊坡剖面計算模型見圖3。計算工況包括：①天然情況；②導(dǎo)流洞泄洪洞開挖；③壩肩邊坡分級開挖分級加固；④開挖完成后降雨工況。各工況分析如下(由于本文篇幅限制，僅列出壩肩邊坡分級開挖分級加固的FLAC3D數(shù)值計算分析結(jié)果圖)：

圖3 壩肩邊坡計算模型圖

(1) 天然情況

天然情況計算成果表明，邊坡開挖前的主應(yīng)力總體隨深度遞增，由于變形模量大小不一，因而在覆蓋層和風(fēng)化卸荷、基巖的分界線處，主應(yīng)力的分布較為不連續(xù)。同時，天然狀況下，邊坡主應(yīng)力處于壓應(yīng)力狀態(tài)，而表面部位的最小主應(yīng)力也很小，坡頂、老公路平臺外側(cè)等淺表部有較小量值的拉應(yīng)力(最大值約0.002 MPa)，天然情況下邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 導(dǎo)流洞泄洪洞開挖

邊坡的爆破開挖等產(chǎn)生的荷載對邊坡穩(wěn)定性的影響是十分顯著的，歷史研究表明，采用數(shù)值模擬方法分析邊坡巖體在相應(yīng)荷載下的穩(wěn)定性分析是可行的[8-9]。

老虎嘴水電站右壩肩邊坡導(dǎo)流洞、泄洪洞開挖后，彈塑性計算獲得最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力成果。成果表明：由于導(dǎo)流洞、泄洪洞開挖產(chǎn)生的應(yīng)力釋放在導(dǎo)流洞、泄洪洞附近存在應(yīng)力集中，受上部坡體地形的影響，導(dǎo)流洞、泄洪洞附近應(yīng)力有偏壓效應(yīng)，尤其是導(dǎo)流洞，這可以從導(dǎo)流洞、泄洪洞開挖后的位移特征看出。導(dǎo)流洞、泄洪洞距坡面較遠(yuǎn)，開挖后對右壩肩邊坡整體穩(wěn)定性基本沒有影響，對應(yīng)的破壞分布特征和點安全系數(shù)等值線表明，除各斷層附近有破壞(點安全系數(shù)接近1.0)外，邊坡其它部位均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 邊坡分級開挖分級加固

右壩肩邊坡采取的主要開挖加固措施如下：壩肩分4個臺階開挖，在高程3 303～3 318 m之間，交錯布置4排100 T預(yù)應(yīng)力錨索，錨索分別長50 m、40 m，間距為4 m，排距6 m，垂直坡面；在高程3 282～3 298 m之間，交錯布置4排100 T預(yù)應(yīng)力錨索，錨索分別長30 m、40 m，間距為4 m，排距6 m，垂直坡面；在高程3 261～3 277 m之間，交錯布置4排100 T預(yù)應(yīng)力錨索，錨索分別長40 m、30 m，間距為4 m，排距6 m，垂直坡面；在高程3 236～3 258 m之間，交錯布置4排100 T預(yù)應(yīng)力錨索，錨索分別長30 m、20 m，間距為4 m，排距6 m，垂直坡面。壩肩邊坡在預(yù)應(yīng)力錨索之間作掛網(wǎng)噴混凝土處理，高程范圍3 268～3 318 m內(nèi)(壩肩開挖面除外)，布置Φ22系統(tǒng)錨桿，深度4.5 m，間排距3 m×3 m，外露10 cm，錨桿數(shù)量150根；并掛網(wǎng)噴混凝土，鋼筋網(wǎng)采用φ6@20，噴混凝土厚度為10 cm，噴護(hù)面積為1 300 m2。

圖4 壩肩開挖完成后最大主應(yīng)力圖

圖5 壩肩開挖完成后最小主應(yīng)力

嚴(yán)格模擬上述分級開挖及時支護(hù)加固過程，計算獲得邊坡開挖完成的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力成果如圖4～6所示，成果表明：嚴(yán)格控制一層開挖高程并及時施加錨固措施，開挖面附近應(yīng)力松弛不顯著，各級臺階坡腳側(cè)的剪應(yīng)力集中也不顯著。開挖面附近的位移量值不大(如圖7所示)，主要表現(xiàn)為卸荷回彈，需要注意的是在坡體上部由于陡傾坡內(nèi)斷層不在預(yù)應(yīng)力錨索加固范圍內(nèi)，邊坡開挖后，該斷層有所拉張，使得該斷層上盤巖體發(fā)生顯著的垂直變形，其余陡傾斷層由于錨索荷載效應(yīng)，對應(yīng)附近的位移較小且無明顯的相對錯動特征。為避免該陡傾斷層持續(xù)拉張對工程的影響，建議除在壩肩灌漿廊道對揭露的各斷層實施加固處理外，有必要對坡體上部的該斷層進(jìn)行鎖口加固處理(深度穿過完整性較好的基巖即可)。破壞分布特征如圖8所示，邊坡除各斷層錨索加固范圍之外、基坑坡腳有零星的破壞分布外，邊坡其它部位均處于彈性，點安全系數(shù)等值線也具有類似特征，如圖9所示。總體來講，在目前制定的加固措施和嚴(yán)格控制一層開挖高度下(包括控制爆破方法和爆破參數(shù))，右壩肩邊坡整體穩(wěn)定。

圖6 壩肩開挖完成后最大剪應(yīng)力

圖7 壩肩開挖完成后位移

(4) 開挖完成后降雨

降雨將對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響這一現(xiàn)實已經(jīng)被廣泛認(rèn)可[10-11]。

模擬壩肩邊坡開挖完成后降雨條件下的穩(wěn)定性分析可知，位移較大主要在坡體上部的斷層附近(最大量值約4.1 cm)，且主要受控于中傾坡外的斷層。穩(wěn)定性計算成果表明，破壞分布僅在坡頂淺表部有拉破壞增加，斷層附近、壩基坡腳附近的破壞均沒有明顯發(fā)展加劇特征，點安全系數(shù)整體均在1.05以上。以上表明，壩肩邊坡開挖后在降雨條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 壩肩開挖完成后破壞分布

圖9 壩肩開挖完成后點安全系數(shù)

4 結(jié)論

(1) 天然情況下，老虎嘴水電站右壩肩邊坡開挖前的主應(yīng)力總體隨深度遞增，主應(yīng)力的分布較為不連續(xù)，邊坡主應(yīng)力處于壓應(yīng)力狀態(tài)，表面部位的最小主應(yīng)力也很小，邊坡淺表部位局部有較小量值的拉應(yīng)力，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 導(dǎo)流洞、泄洪洞開挖后，老虎嘴水電站右壩肩相應(yīng)位置存在應(yīng)力集中，存在應(yīng)力偏壓效應(yīng)。導(dǎo)流洞、泄洪洞距坡面較遠(yuǎn)，開挖后對右壩肩邊坡整體穩(wěn)定性基本沒有影響，除各斷層附近有局部破壞外，邊坡其它部位均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 在嚴(yán)格控制邊坡分級開挖分級加固下，老虎嘴水電站右壩肩邊坡開挖面附近應(yīng)力松弛不顯著，各級臺階坡腳側(cè)的剪應(yīng)力集中也不顯著，開挖面附近的位移主要表現(xiàn)為卸荷回彈，坡體上部陡傾坡內(nèi)斷層在邊坡開挖后有所拉張，使得該上盤巖體發(fā)生顯著的垂直變形，其余陡傾斷層無明顯錯動特征?？傮w來講，在目前制定的加固措施和嚴(yán)格控制開挖高度下，右壩肩邊坡整體穩(wěn)定。

(4) 老虎嘴水電站右壩肩在邊坡開挖完成后降雨條件下產(chǎn)生的位移主要在坡體上部的斷層附近且主要受控于中傾坡外的斷層，破壞分布僅在坡頂淺表部有一定的拉伸破壞，壩肩邊坡開挖后在降雨條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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STUDY ON THE STABILITY OF THE RIGHT ABUTMENT SLOPE OF LAOHUZUI HYDROPOWER STATION

ZHU Bin1，WEI Yu-feng1,2，F(xiàn)U Wen-xi1

(1.State Key Lab. of Hydraulics and Mountain River Eng.,College of Water Resource & Hydropower, Sichuan Univ.,Chengdu 610065,China; 2.State Key Lab. of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu Univ of Technol.,Chengdu 610059,China)

The stability problem of high rock slope is one of the most important research projects of hydropower engineering. The stability of right abutment slope in the Laohuzui Hydropower Station is regarded as the research object. According to the characteristics of slope unloading significantly, joint development, construction safety and stability problems, by using the numerical analysis software FLAC3D, combining point safety factor method, to analyze the corresponding stability problem in the natural condition, the diversion tunnel of Hongdong drainage excavation condition and slope excavation hierarchical reinforcement conditions after excavation and rainfall conditions. The results show that the Laohuzui Hydropower Station dam abutment without reinforcement under the condition of low stability, cannot guarantee the safety during construction, but in the condition of strict grading in a stable state after reinforcement, meet the engineering requirements under stable engineering design standards.

high rock slope; slope stability; numerical analysis; point safety factor method

唐兵(1967- )，男，重慶江津人，漢族，本科，中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，工程師，主要從事鐵路、公路、軌道交通地質(zhì)勘察工作。E-mail：173759169@qq.com

1006-4362(2017)01-0049-05

2016-12-22 改回日期： 2017-01-28

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(973 計劃，No. 2015CB057903)；四川省科技計劃專項(No. 2014SS027)；中國博士后科學(xué)基金(No. 2016M590890)。

TV74;TU457

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