緬甸滾弄水電站左岸廠房高邊坡穩(wěn)定性研究

曾曉波， 彭森良

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司， 云南 昆明 650000)

1 工程地質(zhì)條件概況

滾弄水電站位于緬甸撣邦境內(nèi)，項目裝機1 400 MW，最大壩高104 m，采用混凝土重力壩型，初擬正常蓄水位高程519 m。

該電站采用壩后式廠房方案，廠房部位開挖將在左岸壩肩部位形成高邊坡。由圖1可知，左岸廠房主要開挖邊坡在高程404.5 m以上，開挖邊坡高度約175 m。

圖1 左岸廠房邊坡典型地質(zhì)剖面

廠房左岸岸坡地質(zhì)條件較復(fù)雜，表部覆蓋層較厚，一般10～15 m，成分多為黏土夾塊石。其中在高程480～560 m范圍分布有B4崩塌堆積體，厚度一般20～40 m，方量約50×104m3，組成成分為塊石、礫石夾黏土。廠房區(qū)域受背斜的影響，邊坡部位的地層巖性分布差異性也比較大。邊坡下部下伏基巖為厚層狀巖屑角礫巖(P1S3-1(a))，巖層走向與邊坡斜交，總體為縱向坡，完整性較好，總體穩(wěn)定性較好；邊坡中上部下伏基巖為鈣質(zhì)細砂巖(P1S3-1(b))，巖層層面多順坡分布，且順層泥化夾層的存在對邊坡穩(wěn)定影響較大，為邊坡開挖所面臨的主要地層單元。此外，該部位還發(fā)育Ⅲ級結(jié)構(gòu)面F15，該斷層主要由斷層泥、碎裂巖及方解石等組成，根據(jù)平洞資料顯示，構(gòu)造帶附近的鈣質(zhì)砂巖泥化現(xiàn)象較為嚴重，對邊坡巖體的穩(wěn)定性影響較大。

P1S3-1(b)砂巖地層層間泥化夾層或泥化現(xiàn)象多在弱上風(fēng)化帶及強風(fēng)化帶內(nèi)較為明顯，弱下及微新砂巖內(nèi)此類現(xiàn)象呈減少趨勢。左岸廠房邊坡開挖后，在高程480 m以上邊坡多為弱上風(fēng)化帶，此類泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，對邊坡穩(wěn)定影響較大；高程480 m以下開挖邊坡的巖體多為弱下及微新的砂巖，此類軟弱結(jié)構(gòu)面較少，總體對開挖邊坡穩(wěn)定影響較小。

根據(jù)廠房左岸山坡完成的3個平硐資料(即PD121、PD141和PD123)統(tǒng)計，廠房左岸邊坡巖體節(jié)理分布規(guī)律性強，主要發(fā)育有兩組節(jié)理(見圖2)，組(Ⅰ)N5°～35°E，NW∠30°～60°；組(Ⅱ)N65°～85°W，SW∠20°～40°。根據(jù)開挖邊坡與節(jié)理組的空間分布，兩組節(jié)理走向均與開挖邊坡走向交角較小，中緩傾上游或下游偏坡外，視傾角具有順坡向的趨勢。因此，該兩組節(jié)理對邊坡穩(wěn)定影響較大。

圖2 左岸廠房邊坡節(jié)理赤平面法線極點投影分布

2 邊坡失穩(wěn)變形判斷

通過上述的開挖邊坡工程地質(zhì)特性和節(jié)理空間發(fā)育特征定性分析，廠房左岸開挖邊坡的穩(wěn)定性較為突出。根據(jù)組成邊坡巖、土體特性，結(jié)構(gòu)面發(fā)育及其組合關(guān)系，對邊坡可能形成失穩(wěn)變形做出如下判斷。

2.1 B4崩塌堆積體松散介質(zhì)邊坡

B4崩塌堆積體厚約20～40 m，上部碎石質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)密實，下部大塊石、孤石松散架空，邊坡開挖后殘余部分穩(wěn)定性極差。松散體內(nèi)部存在產(chǎn)生圓弧形破壞或沿堆積體與基巖面產(chǎn)生滑動破壞的可能。

2.2 P1S3-1(b)紫紅色鈣質(zhì)細砂巖邊坡

該層砂巖順坡分布，緩傾坡外，層間小斷層、擠壓面發(fā)育，泥化現(xiàn)象較為普遍，抗剪強度低，對邊坡穩(wěn)定較為不利，在其他結(jié)構(gòu)面組合切割下，邊坡沿其產(chǎn)生擠壓變形或失穩(wěn)的可能性較大，應(yīng)及時加強支護。

2.3 P1S3-1(a)巖屑角礫巖邊坡

該層巖屑角礫巖呈厚層～巨厚層狀，巖體完整、塊度大，無大的不利組合結(jié)構(gòu)面分布，總體穩(wěn)定性良好。局部存在節(jié)理的相互切割，可能存在小規(guī)模的楔形滑塊。

3 邊坡穩(wěn)定性分析評價

為進一步對開挖邊坡的穩(wěn)定性進行驗算，根據(jù)滾弄水電站左岸廠房邊坡開挖設(shè)計方案(見圖1)，結(jié)合野外工程地質(zhì)平面測繪及勘探資料的收集整理，對不同工程部位采用差別化分析，建立合理工況模型，考慮不良地質(zhì)體B4、巖層分布、順層砂巖泥化夾層、斷層、卸荷等在邊坡開挖卸荷過程中的應(yīng)力應(yīng)變變化情況，并應(yīng)用強度折減法計算出邊坡開挖卸荷的安全系數(shù)，從而對邊坡開挖卸荷過程中的穩(wěn)定性做出定量評價。地質(zhì)單元計算本構(gòu)模型采用修正的彈塑性Mohr-Coulomb模型(簡稱為M-C模型) ，同時考慮了兩組優(yōu)勢節(jié)理對邊坡穩(wěn)定的影響。

3.1 計算模型的建立

結(jié)合邊坡開挖設(shè)計方案，建立二維有限元計算模型，考慮到邊界條件對計算結(jié)果的影響，計算模型如圖3所示。

3.2 地質(zhì)參數(shù)取值

根據(jù)滾弄壩址區(qū)現(xiàn)場巖體力學(xué)實驗結(jié)構(gòu)及野外工程地質(zhì)測繪、勘探成果，擬選定計算參數(shù)如表1所示。

圖3 廠房開挖邊坡有限元計算模型

表1 廠房邊坡開挖穩(wěn)定計算各地質(zhì)單元計算參數(shù)

3.3 順坡向節(jié)理及軟弱結(jié)構(gòu)面的考慮

假定節(jié)理組a，其主要節(jié)理面的法向量和切向量分別為naα、taα，其中α=1，2，作為兩個相互垂直的坐標軸。局部壓應(yīng)力及圍繞著節(jié)理面的剪應(yīng)力可表示為：

Pa=-na·σ·na

τaα=na·σ·taα

假定剪應(yīng)力的數(shù)值為：

節(jié)理面上的法向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

εan=na·ε·na

則節(jié)理面上的切向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

γaα=naεtaα+taαεna

采用線性應(yīng)變進行彈塑性分解：

dε=dεel+dεpl

若存在多個節(jié)理面，則假定該節(jié)理面序號為i，其中i=a代表節(jié)理面，i=b代表巖體材料。則：

當所有節(jié)理面在某一點閉合，且?guī)r體材料的彈性行為為線性及各項同性。不同于基于應(yīng)變狀態(tài)判定在每一步迭代過程中節(jié)理面是否閉合，本計算中采用基于平面應(yīng)力問題的一種方法判定節(jié)理是否張開。當節(jié)理面上的壓應(yīng)力不大于0時，該節(jié)理面為張開。即：

pa≤0

在這種情況下巖體材料就不存在產(chǎn)生節(jié)理面上的正應(yīng)變彈性剛度，也可能不存在產(chǎn)生沿著節(jié)理面的剪應(yīng)變彈性剛度。因此，節(jié)理面的張開在該點將會產(chǎn)生一種各項異性的彈性響應(yīng)，當滿足下式時，則節(jié)理面為張開狀態(tài)。

εan(ps)el≤εanel

式中εanel——為節(jié)理面上的法向彈性應(yīng)變；

εan(ps)el——為節(jié)理面上的切向應(yīng)變。

根據(jù)平面應(yīng)力問題方法計算可得：

式中E——為巖體材料的楊氏模量；

ν——為巖體材料的泊松比。

則有：

σaα=taα·σ·taα

式中σaα——為節(jié)理面上的法向應(yīng)力。

節(jié)理組a的滑動破壞面上有：

fa=τa-Pa·tanβa-da=0

式中da——為節(jié)理組a的粘聚力；

βa——為節(jié)理組a的內(nèi)摩擦角。

當fa<0時，則節(jié)理面不發(fā)生滑動，當fa=0時，節(jié)理面發(fā)生滑動，此時，節(jié)理組上的非線性應(yīng)變?yōu)椋?/p>

ψa——為節(jié)理組的剪脹角。

其中，當節(jié)理面上為純粹的剪切流動時，取ψa=0；若考慮節(jié)理組滑動過程中發(fā)生剪切張開，則取ψa>0。

某一節(jié)理組在一點上的剪切滑動，將不改變其他節(jié)理組在該點的破壞準則及剪脹角。因此，每組節(jié)理在同一點上的剪切滑動力學(xué)行為是相對獨立的。

3.4 計算工況的模擬及節(jié)理面

根據(jù)滾弄水電站左岸廠房邊坡開挖施工方案設(shè)計，模擬開挖工況分9步進行，在計算中對開挖的模擬采用殺死單元的方法來實現(xiàn)，每一層開挖完成后及時支護，對支護的模擬簡化設(shè)置有一定允許位移的邊界條件。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、勘探成果，本計算主要考慮兩岸有影響的斷層等結(jié)構(gòu)面的組合，兼顧節(jié)理統(tǒng)計結(jié)果。假設(shè)廠房邊坡開挖后節(jié)理閉合，咬合性能良好，取剪脹角為0進行計算。

3.5 邊坡失穩(wěn)的判定

邊坡失穩(wěn)破壞的判定方法為有限元強度折減法，本計算采用計算不收斂方法來判定，并同時給出發(fā)生破壞時的正應(yīng)力、剪應(yīng)力、塑性區(qū)、位移云圖加以說明。

3.6 計算成果分析

結(jié)合上述計算理論及計算步驟，得出了有限元計算成果。圖4給出了邊坡開挖完成后計算模型的正應(yīng)力場、剪應(yīng)力場、塑性區(qū)及位移場分布。

由圖4、5可以看出，由于設(shè)計在開挖過程中及時支護，整體位移不大，開挖“卸荷”對邊坡穩(wěn)定性影響小。開挖過程中左岸廠房邊坡B4崩塌體附近(高程523 m附近)，巖體變形相對較大，局部產(chǎn)生塑性變形，位移約4.7 mm。因此，開挖過程中需及時支護，避免產(chǎn)生較大的位移，造成邊坡失穩(wěn)。

計算過程中，當取安全系數(shù)K=1.27時，有限元計算不收斂，左岸廠房邊坡卸荷產(chǎn)生塑性變形較大，認為邊坡失穩(wěn)。因此，采用強度折減法得出的安全系數(shù)取為1.27。

根據(jù)計算結(jié)果的分析，由有限元強度折減法得出的壩肩邊坡削坡的安全穩(wěn)定系數(shù)為K=1.27，考慮到一定的安全儲備，該值較小，建議邊坡開挖過程中務(wù)必做到及時監(jiān)測、及時支護，盡量避免造成邊坡失穩(wěn)。同時，B4崩塌體部位對邊坡穩(wěn)定影響較大，建議在開挖過程中予以足夠重視，除了全部挖除該堆積體外，應(yīng)對下伏砂巖地層進行強支護處理，在478 m高程以上設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索加固，防止邊坡沿泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面變形失穩(wěn)。

(a)正應(yīng)力場分布(單位：Pa)

圖5 K=1.27時第四級削坡完成后附近位移場分布(單位：m)

4 廠房邊坡開挖及支護處理建議

廠房左岸邊坡復(fù)雜的地質(zhì)條件主要受控于B4崩塌堆積體以及P1S3-1(b)的紫紅色細砂巖的泥化夾層及軟弱結(jié)構(gòu)面的分布。

B4崩塌堆積體在左岸廠房邊坡開挖后已基本挖除。但由于該崩塌堆積體在空間上底界分布存在差異，邊坡開挖時尚有少量殘存，有可能導(dǎo)致滑塌或圓弧形滑動。因此現(xiàn)場開挖過程針對B4崩塌堆積體的空間分布特征應(yīng)全部清除。

P1S3-1(a)的巖屑角礫巖開挖邊坡穩(wěn)定問題不突出。P1S3-1(b)的細砂巖由于存在順坡的泥化夾層或擠壓帶等軟弱結(jié)構(gòu)面，其力學(xué)強度較低，對邊坡穩(wěn)定極為不利。因此，根據(jù)左岸山坡的工程地質(zhì)特性，建議在邊坡開挖設(shè)計時，考慮放緩砂巖地段的開挖坡比，對于底部因開挖體型需垂直開挖的，其開挖臺階不宜過高，建議控制在15 m范圍內(nèi)。在開挖過程中，每臺邊坡開挖到位時，需及時支護，包括錨筋樁、長錨桿以及后續(xù)必要的預(yù)應(yīng)力錨索等。由于砂巖的阻水性能良好，邊坡設(shè)置排水孔時應(yīng)適當加密，確保邊坡地下水的排泄暢通可減輕邊坡變形破壞的風(fēng)險。