大崗山水電站右岸壩肩邊坡深層加固研究

商開衛(wèi) 張公平

摘要：大崗山水電站右岸壩肩邊坡具有高地應(yīng)力、高地震烈度、卻荷風(fēng)化強(qiáng)烈的顯著特點(diǎn)，受巖脈、卻荷裂隙、斷層切割影響，形成了一系列關(guān)健塊體，而在開挖過程中，這些塊體底部剪出口附近受到開挖卻荷、爆破震動(dòng)和地下水作用等因素的影響，出現(xiàn)了沿邊界結(jié)構(gòu)面的多次變形開裂與錯(cuò)動(dòng)。對(duì)右岸開挖邊坡變形開裂的機(jī)理進(jìn)行深入研究，從邊坡的開挖穩(wěn)定、變形及塑性破壞區(qū)等方面，對(duì)原設(shè)計(jì)擬定的三種深層加固方案進(jìn)行比選分析，選用方案二作為推薦優(yōu)化方案。為了保證深層抗剪結(jié)構(gòu)施工過程的整體穩(wěn)定性，建議先開挖并回填低高程的三層杭剪洞，然后再進(jìn)行高高程的抗剪洞施工。

關(guān)鍵詞：深層混凝土杭剪結(jié)構(gòu)；剛體極限平衡；數(shù)值模擬；施工工序；大崗山水電站

中圖分類號(hào)：P642；TV642.4+5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.033

隨著我國水電建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工程建設(shè)中遇到很多大型復(fù)雜巖質(zhì)高邊坡問題川，而這些巖石高邊坡往往具有斷層、節(jié)理、軟弱發(fā)育的特點(diǎn)，其施工期及運(yùn)行期的穩(wěn)定性是水電站建設(shè)順利實(shí)施的關(guān)鍵。

大崗山水電站位于大渡河中游上段的四川省雅安市石棉縣境內(nèi)，為大渡河干流規(guī)劃的第14個(gè)梯級(jí)電站。工程樞紐建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1135.0m，最大壩高210m，總庫容7.42億m3，水電站裝機(jī)容量2600MW。

壩址區(qū)兩岸邊坡具有“兩高一強(qiáng)烈”（高地應(yīng)力、高地震烈度、卸荷風(fēng)化強(qiáng)烈）的顯著特點(diǎn)，自然坡度一般為40°～65°，相對(duì)高差一般在600m以上?；鶐r主要巖性為澄江期花崗巖類。兩岸1250m高程以上分布有一定厚度的崩坡積層。壩址區(qū)巖脈、擠壓破碎帶、斷層和節(jié)理裂隙發(fā)育。其中，右岸發(fā)育的XL316-1和F231等卸荷裂隙密集帶和斷層，成為影響右岸邊坡穩(wěn)定的控制性因素。此外，由于中、陡傾角的順坡向節(jié)理裂隙較為發(fā)育，加之壩址區(qū)邊坡“兩高一強(qiáng)烈”的顯著特點(diǎn)，因此右岸工程區(qū)在施工開挖過程中形成了上、下游200m范圍內(nèi)高度約300m、體積近500萬m3的一系列不穩(wěn)定塊體，使邊坡的穩(wěn)定問題變得十分突出。

筆者對(duì)右岸邊坡進(jìn)行了系統(tǒng)研究，清晰地揭示了右岸邊坡變形開裂的機(jī)理；首先，從邊坡的開挖穩(wěn)定、變形及塑性破壞區(qū)等方面對(duì)原設(shè)計(jì)擬定的三種深層加固方案進(jìn)行了深入比選，甄選出推薦的加固方案；然后，基于推薦加固方案，開展優(yōu)化設(shè)計(jì)研究；最后，通過研究每層抗剪洞的施工時(shí)序?qū)吰路€(wěn)定性的影響，提出抗剪洞施工程序的建議，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供了科學(xué)依據(jù)。

1 右岸邊坡變形開裂的機(jī)理研究

順坡向、中傾坡外的F231斷層貫通右岸邊坡，總體產(chǎn)狀SN/E∠40°～50°，斷層破碎帶寬7～30cm，由碎裂巖、角礫巖、碎粉巖組成，自F231斷層至開挖坡面的水平距離從下游往上游逐步增大。隨著拱肩槽邊坡的開挖，卸荷裂隙密集帶XL316-1和斷層F231剪出口的阻滑巖體被逐步挖除，右岸邊坡的穩(wěn)定條件逐步惡化，加之開挖爆破震動(dòng)和地下水作用等因素的影響，邊坡在2009年5月3日、8月16日、9月1日相繼出現(xiàn)裂縫（見圖1）。

第1次和第2次裂縫主要分布在破碎帶βj601和β62附近，說明潛在不穩(wěn)定塊體的后緣出現(xiàn)拉裂變形現(xiàn)象；第3次裂縫主要沿β219輝綠巖脈分布，說明潛在不穩(wěn)定塊體的上游側(cè)裂面出現(xiàn)開裂變形現(xiàn)象。由此清晰地揭示了右岸邊坡潛在滑塊的邊界條件和其變形開裂的機(jī)理。

（1）潛在滑塊是以傾向坡里的βj601、β62、β85和β4等巖脈破碎帶為后緣切割面，以β219、β223等NWW向巖脈破碎帶、近EW向的第④組裂隙為上游側(cè)切割面，以卸荷裂隙密集帶XL316-1和F231斷層為控制性底滑面，組合形成一系列潛在不穩(wěn)定塊體。

（2）邊坡的變形開裂主要由于XL316-1和F231剪出口的阻滑巖體被逐步挖除，潛在滑塊沿底滑面XL316-1和F231產(chǎn)生滑移變形，因此引起塊體后緣面和側(cè)裂面附近產(chǎn)生張開變形。該潛在的滑動(dòng)模式總體上是一種受右岸邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)面控制、伴隨開挖引起的滑移一拉裂變形，呈現(xiàn)由下游往上游、從低到高發(fā)展的牽引漸進(jìn)式破壞。

針對(duì)右岸邊坡特定的滑移一牽引一拉裂式的破壞機(jī)理，對(duì)滑坡體下部特別是控制性底滑面卸荷裂隙密集帶XL316-1和斷層F231采取必要的加固處理措施，對(duì)維持邊坡的整體穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用。

2 邊坡的深層加固方案比選

2.1 比選方案的擬定

大崗山水電站右岸壩肩邊坡穩(wěn)定的控制性因素是不利軟弱結(jié)構(gòu)面的切割、組合作用而形成的大范圍不穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)滑體。其治理深度超過傳統(tǒng)邊坡治理深度，因此推薦采用以抗剪洞和錨固洞為基礎(chǔ)的治理措施，以提高巖體的強(qiáng)度和傳力能力[2]?？辜舳春湾^固洞處理措施的針對(duì)性強(qiáng)，實(shí)施難度相對(duì)較小，有利于對(duì)邊坡治理的施工工期進(jìn)行控制[3]。

大崗山水電站右岸邊坡的治理包括淺層和深層兩種加固措施，其中淺層加固措施為錨索支護(hù)、深層加固措施為抗剪洞和錨固洞。為給方案比選提供技術(shù)支持，擬定了3種不同的深層加固方案，見表1。方案二的布置見圖2。

2.2 三維極限平衡分析結(jié)果比較

采用三維邊坡穩(wěn)定分析可視化軟件SLOPE3D[4]對(duì)右岸邊坡兩個(gè)潛在塊體（各塊體的空間分布及滑裂面展布情況見圖3、圖4）的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。表2給出了采用不同加固措施后邊坡的安全系數(shù)。從表2可以看出：

（1）由于塊體①的邊界條件較為模糊，F(xiàn)208和F231斷層在LPV-LPV剖面之間高程存在一定落差，目前的加固方案對(duì)該塊體起加固作用的只有1270m、1240m以及1210m這三個(gè)高程的抗剪洞，因此方案二的加固效果比方案一差，但仍滿足邊坡加固規(guī)范規(guī)定的下限值。

（2）塊體②的邊界條件清晰，邊坡開挖后的計(jì)算結(jié)果表明，采用3種加固方案后潛在滑塊的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求的上限值。

2.3 位移、應(yīng)力及塑性區(qū)對(duì)比分析

針對(duì)大崗山水電站右岸壩肩邊坡的加固治理工程，采用FLAC3D軟件分析加固措施對(duì)右岸邊坡變形及穩(wěn)定性的影響。計(jì)算參數(shù)采用地質(zhì)建議值，邊坡開挖、預(yù)應(yīng)力錨索、抗剪洞等的施工嚴(yán)格按實(shí)際施工時(shí)序考慮。為分析加固措施對(duì)開挖邊坡表觀變形的影響，選取關(guān)鍵點(diǎn)KC5、KC6、KC7、KC8進(jìn)行分析。關(guān)鍵點(diǎn)布置及LPⅥ-LPⅥ剖面位置見圖5，三維數(shù)值模型見圖6。

2.3.1 位移對(duì)比分析

為了分析3種深層加固方案的加固效果，分以下4種工況進(jìn)行模擬：工況一為錨索支護(hù)；工況二為錨索支護(hù)+加固方案一；工況三為錨索支護(hù)+加固方案二；工況四為錨索支護(hù)+加固方案三。表3為不同工況下邊坡開挖至1070m高程時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)橫河向和豎直向位移對(duì)照表。圖7為邊坡開挖至980m高程時(shí)，4種工況下LPⅥ-LPⅥ剖面的橫河向位移云圖。

由表3可知，不同的加固方案對(duì)邊坡關(guān)鍵點(diǎn)的位移影響比較明顯，與工況一比較，工況二、三、四下的橫河向位移均明顯減小，但方案一、方案二的橫河向位移比較接近，方案三的位移最小，說明方案三加固效果最好。但從豎直向回彈變形來看，與工況一比較，工況二、三、四均有所增加，其中工況四的回彈變形最大，但此變形對(duì)邊坡的局部和整體穩(wěn)定性影響較小。

另外，邊坡開挖至980m高程時(shí)，不同工況下邊坡內(nèi)部變形機(jī)制也有所不同。工況一邊坡內(nèi)部巖體的滑動(dòng)位移主要沿X1316-1和F231、X19-15和F208兩組組合滑面滑動(dòng)，但在實(shí)施抗剪洞等加固措施后，滑坡變形不僅在量值上明顯減小，而且范圍也明顯縮小，X1316-1和F231形成的組合滑面基本消失，其中方案一和方案二加固效果相當(dāng)，方案三的加固效果最好。

總的來說，邊坡采用深層加固措施后，坡體內(nèi)部的變形得到有效改善，滑坡變形明顯減小，有利于提高邊坡的穩(wěn)定性。從位移變形上分析，方案三的加固效果最好。

2.3.2 應(yīng)力對(duì)比分析

圖8為右岸邊坡在不同工況下開挖至980m高程時(shí)LPⅥ-LPⅥ剖面的第一主應(yīng)力云圖。分析可知，在不同工況下，當(dāng)邊坡開挖至980m高程并實(shí)施加固后，坡面上的最大壓應(yīng)力約為4.0mPa，坡面基本處于零拉應(yīng)力或雙向受壓狀態(tài)。此外，采用深層加固方案后，邊坡淺表層的應(yīng)力狀態(tài)基本保持不變，坡體內(nèi)部抗剪洞、錨固洞、斜井附近壓應(yīng)力有所增大，但其壓應(yīng)力均小于混凝土的抗壓強(qiáng)度，其中方案二對(duì)坡體內(nèi)部應(yīng)力的調(diào)整范圍最大，說明方案二更能充分發(fā)揮混凝土置換結(jié)構(gòu)的性能，更有利于邊坡的穩(wěn)定。

2.3.3 塑性區(qū)對(duì)比分析

4種工況下邊坡開挖至1070m高程時(shí)X1316-1滑面的塑性區(qū)分布見圖9，圖中的藍(lán)色部分為未屈服狀態(tài)。由圖9可知，當(dāng)考慮加固方案時(shí)，工況一出現(xiàn)的沿X1316-1和F231形成的貫通的塑性區(qū)已經(jīng)完全被打斷并且沿其他結(jié)構(gòu)面分布的塑性區(qū)范圍也有所減小。從3種深層加固方案對(duì)塑性區(qū)打斷的效果來看，方案二的加固效果最突出。

以上兩種計(jì)算方法對(duì)3種深層加固方案的分析結(jié)果表明，相比單純的淺層加固措施，實(shí)施深層和淺層的綜合加固治理措施后，邊坡的安全系數(shù)明顯提高，邊坡的穩(wěn)定性與安全性得到進(jìn)一步保證。由于在進(jìn)行右岸邊坡深層加固措施研究之前，1315m高程以上已完成了系統(tǒng)錨索的支護(hù)，如若再對(duì)1315m高程以上進(jìn)行削坡處理，勢(shì)必會(huì)造成資源的浪費(fèi)，因此方案三缺乏可操作性。相比于方案一和方案三，方案二在確保邊坡滿足規(guī)范允許最小安全系數(shù)的前提下，對(duì)坡體內(nèi)部應(yīng)力的調(diào)整范圍和塑性區(qū)的打斷范圍上是最顯著的，因此選用方案二作為推薦方案開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 深層加固方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化后的深層加固方案

綜合右岸邊坡的開挖變形、穩(wěn)定分析以及錨固洞受力特征分析結(jié)果，針對(duì)擬定的三種加固方案，推薦方案二作為實(shí)施加固方案，并基于以下兩點(diǎn)對(duì)方案二進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化的右岸邊坡深層加固支護(hù)方案見圖10。

（1）LPⅣ-LPⅣ剖面的安全系數(shù)較低（正常工況下的安全系數(shù)分別為1.009、1.134、1.204），穩(wěn)定性相對(duì)較差。由于抗剪洞布置在低高程剪出段壓剪破壞區(qū)更能發(fā)揮作用，因此在坡體的LPⅣ-LPⅣ剖面、高程1060m部位增設(shè)一條抗剪洞。該抗剪洞主要是針對(duì)F231斷層進(jìn)行加固，以提高滑面的抗剪能力。

（2）由于XL316-1是卸荷裂隙密集帶，局部發(fā)育寬度達(dá)14m，目前的抗剪洞呈現(xiàn)夾心餅結(jié)構(gòu)，其寬度明顯不足，以至于不能夠有效發(fā)揮其抗剪能力，因此在1240m和1210m高程采用錨固洞和抗剪洞的組合形式對(duì)XL316-1進(jìn)行加固處理，以此對(duì)滑裂面軟弱部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，阻止邊坡下滑。

同時(shí)，由于錨固洞屬于埋人式懸臂結(jié)構(gòu)，如果承受彎矩、剪力過大，可能會(huì)產(chǎn)生破壞，因此需要對(duì)錨固洞加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在優(yōu)化方案中，Ⅱ～Ⅲ2類巖體和Ⅳ類巖體的錨固洞長度分別為10、15m，布置在1240m和1210m高程的錨固洞長度相比于方案二均減小10m。

LPⅣ-LPⅣ剖面中，1210m和1240m高程錨固洞優(yōu)化后的內(nèi)力變化見表4；原設(shè)計(jì)方案二和優(yōu)化方案下，1240m高程錨固洞的彎矩分布、剪力分布與滑裂面的相互關(guān)系見圖11、圖12。

（1）優(yōu)化后的1240m高程錨固洞，由于前端沒有延伸進(jìn)入到巖脈β202內(nèi)部，錨固洞的彎矩和剪力只是受開挖邊坡潛在滑體下滑力作用，因此原方案二中錨固洞受力突變現(xiàn)象消失，優(yōu)化后的錨固洞承受的最大彎矩和剪力明顯減小，錨固洞受力更為合理，可以安全正常地發(fā)揮作用。

（2）對(duì)于1210m高程錨固洞，優(yōu)化后錨固洞承受的最大彎矩為26MN·m，最大剪力為8MN，同方案二比較，錨固洞受力仍較合理，可保證錨固洞安全正常地發(fā)揮作用。因此，把錨固洞長度縮短10m是合理的。

3.2 優(yōu)化方案邊坡的穩(wěn)定性復(fù)核

根據(jù)三維極限平衡分析結(jié)果（表5）可知，采用優(yōu)化加固方案后，塊體①和塊體②的安全系數(shù)均能夠滿足邊坡在施工期和運(yùn)行期的穩(wěn)定性要求。

4 混凝土深層抗剪結(jié)構(gòu)施工程序設(shè)計(jì)

為了分析抗剪洞的施工時(shí)序?qū)吰路€(wěn)定性的影響，假定塊體②為右岸邊坡深層滑動(dòng)的控制性破壞模式。圖13為6層抗剪洞和斜井與塊體②的空間關(guān)系。表6為抗剪洞逐層開挖及回填混凝土后邊坡在正常工況下安全系數(shù)的變化。

由表6可知，開挖①、②、③層抗剪洞后，塊體②的安全系數(shù)降低了0.087。回填混凝土后，安全系數(shù)提高了0.175。而④、⑤、⑥這三層抗剪洞開挖后，塊體②的安全系數(shù)降低了0.025，回填混凝土后，安全系數(shù)提高了0.096。因此，為了保證抗剪洞施工過程中邊坡的整體穩(wěn)定性，建議的施工時(shí)序和塊體②的安全系數(shù)變化見表7。計(jì)算結(jié)果表明，建議的施工工序基本滿足邊坡施工期的穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)語

通過對(duì)大崗山水電站右岸壩肩邊坡變形開裂機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，該邊坡的潛在滑動(dòng)模式是一種滑移一牽引一拉裂式破壞，由于其控制范圍廣、控制性結(jié)構(gòu)面埋深較大，因此傳統(tǒng)的邊坡治理方式不適用。為此提出一套以抗剪洞和錨固洞為主的深層治理方案，輔以系統(tǒng)的淺層治理措施，并在加固治理中得到成功運(yùn)用。

（1）右岸壩肩邊坡的潛在滑塊是以傾向坡里的β62、β85等巖脈破碎帶為后緣切割面，以β219、β223等NWW向巖脈破碎帶、近EW向的第④組裂隙為上游側(cè)切割面，以卸荷裂隙密集帶XL316-1和斷層F231為控制性底滑面組合形成的一系列潛在不穩(wěn)定塊體。該變形模式呈現(xiàn)出由下而上、從低到高發(fā)展的牽引漸進(jìn)式破壞。

（2）針對(duì)右岸邊坡的變形開裂機(jī)理，設(shè)計(jì)提出了以抗剪洞為主的深層治理方案。從邊坡的開挖穩(wěn)定、變形及塑性破壞區(qū)等方面，對(duì)設(shè)計(jì)擬定的3種深層加固方案進(jìn)行了深入的比選分析。選用方案二作為推薦方案并開展相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

（3）優(yōu)化方案中，增設(shè)1060m高程抗剪洞，并在1240m和1210m高程采用錨固洞和抗剪洞的組合形式對(duì)XL316-1裂隙密集帶進(jìn)行加固處理，同時(shí)對(duì)錨固洞的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，Ⅱ～Ⅲ2類巖體和Ⅳ類巖體的錨固洞長度分別取10、15m。

（4）通過研究每層抗剪洞開挖及回填混凝土后邊坡安全系數(shù)的變化，在保證深層抗剪結(jié)構(gòu)施工過程中邊坡整體穩(wěn)定的前提下，建議先進(jìn)行低高程的3層抗剪洞施工，然后再進(jìn)行高高程的3層抗剪洞施工。

（5）大崗山水電站右岸壩肩邊坡治理措施的有效性是整個(gè)工程成敗的關(guān)鍵因素之一。目前的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，邊坡加固處理效果良好，變形收斂、變形穩(wěn)定滿足設(shè)計(jì)控制要求。

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