緩傾錯動帶對白鶴灘水電站右岸出線場邊坡穩(wěn)定的影響分析

邵 兵， 方 丹， 萬 祥 兵

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概述

白鶴灘水電站右岸出線場布置于金沙江右岸谷肩下紅巖堆積體A區(qū)邵家斜坡前部高程1 130～1 203 m，邵家斜坡總體地形起伏變化不大，坡面走向約N50°E，傾向SE，坡度約15°。出線場寬49 m，長180 m，長軸走向N2.4°W，建基面高程為1 145 m，右岸出線場西側(cè)為右岸壩肩開挖邊坡，南側(cè)為排風豎井出口平臺，北側(cè)為出線場開挖工程邊坡，邊坡坡面走向N87.6°E，傾向SE，頂部為一級土坡，按1∶1.5 開挖，坡高小于10 m，下部基巖坡按1∶0.75 開挖，坡高10 m 或15 m 一級，開挖邊坡最大高度為58 m，上下級邊坡間設(shè)置2～8 m 寬的馬道，出線場附近開挖地形情況見圖1。

圖1 出線場邊坡開挖圖

2 工程地質(zhì)條件

白鶴灘水電站右岸出線場邊坡地層巖性由砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖組成，砂巖和粉砂巖呈互層狀，粉砂質(zhì)泥巖呈夾層狀，為緩傾向南東的單斜地質(zhì)構(gòu)造，地層產(chǎn)狀為N45°～50°E，SE∠15°～20°，出線場北側(cè)坡巖層視傾角為9°～13°，右岸壩頂以上邊坡巖層視傾角為10°～12°，出線場開挖邊坡區(qū)域發(fā)育RS3004、RS3003、RS3002、RS3001、C11、C10等多條緩傾角錯動帶，局部發(fā)育裂隙，層間錯動帶的力學性質(zhì)差，延伸性較好，可成為潛在底滑面。

右岸出線場北側(cè)邊坡坡面與右岸壩肩壩頂以上邊坡坡面相交處兩側(cè)臨空，邊坡中發(fā)育粉砂質(zhì)泥巖和緩傾角錯動帶(如RS3004、RS3003)，力學性質(zhì)差，受不同產(chǎn)狀的長大裂隙切割容易形成小規(guī)模穩(wěn)定性較差的塊體，可能發(fā)生指向右岸出線場方向的順緩傾軟弱層內(nèi)帶的滑移，在邊坡開挖過程中，受錯動帶影響區(qū)域坡面出現(xiàn)4 條豎向裂縫，均順坡面發(fā)育殘留爆破孔，裂縫兩側(cè)巖面新鮮，最寬裂縫達10 cm，長度約2.5 m，深度大于50 cm，裂縫集中分布在右岸壩頂以上邊坡高程1 182.5～1 185 m 靠右岸出線場側(cè)(南側(cè))，且錯動帶部位殘留炮孔存在明顯錯動跡象，具體情況見圖2。

圖2 巖體裂縫和緩傾錯動帶分布圖

3 數(shù)值分析方法與所取得的巖體參數(shù)

3.1 數(shù)值分析方法

筆者采用離散元法[1]～[3]，運用3DEC[4]程序計算解決工程實際問題。與連續(xù)力學方法相比，離散元能同時描述連續(xù)體的連續(xù)力學行為和接觸的非連續(xù)力學行為，可將巖體處理成巖塊(連續(xù)體)和結(jié)構(gòu)面(接觸)兩個基本對象，其中的接觸(結(jié)構(gòu)面)是連續(xù)體(巖塊)的邊界，在對每個連續(xù)體在力學求解過程中可以被處理成獨立對象(即離散的概念)，而連續(xù)體之間的力學關(guān)系通過邊界(接觸)的非力學行為實現(xiàn)。

對邊坡巖塊采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，即巖塊屈服以后不考慮其強度衰減。描述其峰值強度特征的準則采用傳統(tǒng)的摩爾-庫倫準則，其常見式為：

π=c+σmtanφ

式中c和φ為巖體強度參數(shù)，即內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。上式還可以改寫為：

式中σ1為最大主應(yīng)力，σ3為最小主應(yīng)力。

對于結(jié)構(gòu)面采用3DEC中無厚度的結(jié)構(gòu)面單元模擬，結(jié)構(gòu)面單元由兩個面貼合而成，面與面的相對變形(變形參數(shù))和粘合特征(強度特征)由參數(shù)控制。由于無需模擬軟弱充填結(jié)構(gòu)面的厚度(幾何形態(tài))，避免出現(xiàn)計算單元的“奇異”造成的不利影響，同時，結(jié)構(gòu)面的工程響應(yīng)，如張開、壓縮、剪切滑移乃至它們之間的任何組合都可以得到直觀模擬，故結(jié)構(gòu)面的參數(shù)確定根據(jù)巖石力學基礎(chǔ)理論由結(jié)構(gòu)面的厚度和結(jié)構(gòu)面填充物質(zhì)進行等效換算。

邊坡巖體中地下水作用的模擬主要考慮靜水壓力的作用，通過設(shè)置幾乎任意復(fù)雜形態(tài)的地下水曲面形態(tài)的方式予以實現(xiàn)，三維計算時采用離散元程序3DEC直接模擬地下水位面的位置，程序自動根據(jù)水位面計算有效應(yīng)力。

3.2 巖體物理力學參數(shù)

圖3 右岸出線場自然邊坡和人工邊坡三維模型示意圖

本次計算模型綜合考慮了工程關(guān)心區(qū)域和右岸出線場邊坡形態(tài)及結(jié)構(gòu)面分布情況，巖體的材料分區(qū)以互層巖層線和強、弱卸荷風化線劃分，巖體材料主要考慮砂巖、泥巖、粉砂巖、Ⅲ2類和Ⅲ1類巖體，同時考慮地下水位；結(jié)構(gòu)面主要考慮了緩傾層內(nèi)錯動帶RS3001～RS3004，層間錯動帶C9～C11和長大裂隙T3001及隨機裂隙，計算模型見圖3，主要巖體力學參數(shù)及結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)見表1～2。

表1 材料力學參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)表

4 無支護條件下出線場邊坡局部穩(wěn)定分析

圖4為無支護條件下出線場邊坡開挖至不同高程時坡表巖體的合位移云圖。邊坡開挖至高程1 160 m時，出線場北側(cè)邊坡高程1 180 m處緩傾錯動帶RS3004上盤巖體開始出現(xiàn)顯著變形，開挖至高程1 145 m時，緩傾錯動帶RS3004上盤巖體變形呈持續(xù)增長狀態(tài)，局部量值達100 mm，同時，緩傾錯動帶RS3003上盤巖體變形也開始變得顯著。圖5為無支護條件下出線場邊坡開挖完成時沿緩傾錯動帶RS3004的剪切位移和法向位移云圖，沿緩傾錯動帶RS3004的剪切變形大于9 mm的區(qū)域分布范圍較大，靠近坡面的局部區(qū)域剪切變形達20 mm且法向位移亦較大，巖體受張拉作用明顯。總體上，無支護條件下出線場的邊坡變形主要為沿緩傾錯動帶的剪切變形和坡腳處巖體的卸荷回彈變形；受緩傾錯動帶RS3003影響區(qū)域的變形不如受緩傾錯動帶RS3004影響區(qū)域的變形顯著。

圖4 未支護條件下出線場邊坡開挖過程變形圖

圖5 未支護條件下出線場邊坡沿錯動帶RS3004剪切位移(左)和法向位移(右)圖

采用強度折減法[5]～[11]計算并分析了無支護條件下出線場邊坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)，分析并評價了邊坡變形破壞失穩(wěn)特征。

通過在模型坡面布置變形監(jiān)測點，根據(jù)監(jiān)測點的變形是否收斂來判斷邊坡是否失穩(wěn)。由圖6可知，當折減系數(shù)為1.5時，監(jiān)測點的變形呈現(xiàn)收斂態(tài)勢；當折減系數(shù)達1.6時，監(jiān)測點的變形呈持續(xù)增長趨勢，相對應(yīng)的變形速率亦呈持續(xù)增大趨勢，呈不收斂態(tài)勢，由此可以判斷：無支護條件下出線場邊坡持久工況的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.5。

圖6 邊坡監(jiān)測點變形隨強度折減系數(shù)變化關(guān)系曲線圖

圖7為不同強度折減系數(shù)下出線場邊坡變形增量云圖。當折減系數(shù)為1.2時，出線場北側(cè)邊坡緩傾錯動帶RS3004和RS3003控制的上盤巖體首先發(fā)生較大的變形，最大變形量達150～250 mm，表明這兩個區(qū)域是出線場邊坡率先發(fā)生顯著變形而發(fā)生破壞的區(qū)域；隨著折減系數(shù)增大，這兩個區(qū)域的變形量值和范圍逐步增大，當折減系數(shù)為1.4時，變形較大區(qū)域的最大量值達250～350 mm；當折減系數(shù)為1.6時，變形較大區(qū)域的最大變形量值達300～400 mm，表明無支護條件下出線場北側(cè)邊坡呈受緩傾結(jié)構(gòu)面控制的局部變形破壞特征。

綜上所述，無支護條件下出線場邊坡整體穩(wěn)定性較好，但受緩傾結(jié)構(gòu)面及陡傾裂隙面控制的局部區(qū)域變形顯著，邊坡的局部穩(wěn)定問題突出，尤其出線場北側(cè)邊坡受緩傾錯動帶RS3004控制的上盤巖體在一定范圍內(nèi)存在局部失穩(wěn)破壞的可能，應(yīng)引起重點關(guān)注，建議針對圖7所指示的潛在破壞區(qū)域采取局部支護措施。

5 出線場邊坡局部支護措施分析

5.1 局部支護方案設(shè)計

出線場邊坡的局部穩(wěn)定主要受緩傾結(jié)構(gòu)面控制且影響深度較深，筆者建議針對緩傾錯動帶影響區(qū)域的上盤巖體采用“長錨索+框格梁”的支護方案。長錨索可穿過緩傾結(jié)構(gòu)面深入到邊坡內(nèi)部的穩(wěn)定巖體，從而達到錨固緩傾結(jié)構(gòu)面上盤巖體的作用；而框格梁可將各錨索有機聯(lián)系起來、聯(lián)合發(fā)揮作用，從而提高錨索支護的系統(tǒng)性。具體支護方案見圖8。另外，右岸出線場邊坡由于巖體成互層夾泥巖特征，需采用有效的截排水措施防止雨水沿坡面卸荷裂隙滲入造成的巖體和結(jié)構(gòu)面軟化而導致邊坡出現(xiàn)局部失穩(wěn)破壞。

5.2 局部支護方案支護效果評價

圖9為出線場邊坡在未支護和支護條件下開挖完成時的變形云圖。局部支護措施對出線場北側(cè)邊坡的變形總體上有一定的限制，尤其是對緩傾錯動帶RS3004控制的上盤巖體變形限制明顯，有效地改善了出線場北側(cè)邊坡的局部穩(wěn)定性。支護錨索在預(yù)張拉70%的情況下，錨索軸力均小于設(shè)計荷載1 000 kN，最大值為861.7 kN，接近設(shè)計荷載的90%，支護強度滿足工程要求。

圖7 出線場邊坡變形隨強度折減過程合位移增量變化特征圖

圖8 出線場邊坡局部支護方案圖

圖9 出線場邊坡在未支護(左)和支護條件下(右)開挖完成時變形特征對比圖

圖10為當折減系數(shù)為1.6時出線場邊坡在未支護和支護條件下的變形增量云圖。局部支護措施對緩傾錯動帶影響區(qū)域的變形限制效果相比于未折減時更加明顯，變形量值和變形區(qū)域都有明顯的減少，支護效果顯著。錨索荷載普遍超設(shè)計荷載50%，但并未達到錨索的極限荷載。

圖11為出線場邊坡在未支護和支護條件下邊坡變形監(jiān)測點變形隨折減系數(shù)增加的過程曲線圖。局部支護后安全系數(shù)由1.5提高至1.8，邊坡的穩(wěn)定性有較明顯的提高，表明局部支護措施有效改善了邊坡穩(wěn)定性，支護效果較好。

圖10 出線場邊坡在未支護(左)和支護條件下(右)開挖邊坡折減系數(shù)為1.6時的變形特征對比圖

圖11 出線場邊坡在未支護(左)和支護條件下(右)開挖邊坡折減過程曲線對比圖

6 結(jié) 語

(1)由無支護條件下出線場邊坡穩(wěn)定性分析可知：出線場邊坡整體穩(wěn)定性較好，但出線場北側(cè)邊坡受緩傾錯動帶影響的區(qū)域變形較大，尤其是緩傾錯動帶RS3004控制的上盤巖體在一定范圍內(nèi)變形最為顯著，存在局部失穩(wěn)破壞的可能，應(yīng)重點予以關(guān)注。建議采取局部支護措施。

(2)針對由緩傾錯動帶控制的局部穩(wěn)定問題，筆者提出了“長錨索+框格梁”的局部支護方案，同時加強了整個邊坡的截排水工作。局部支護方案有效地限制了出線場北側(cè)邊坡受緩傾錯動帶影響區(qū)域的變形，邊坡持久工況的安全系數(shù)由1.5提高至1.8，表明局部支護措施有效改善了邊坡穩(wěn)定性，支護錨索發(fā)揮了顯著的作用，支護效果好。

(3)右岸出線場邊坡局部支護錨索錨固力達1 000 kN，滿足工程要求。為更好地監(jiān)控邊坡施工期和運行期的穩(wěn)定狀態(tài)，筆者建議：在錨索支護區(qū)域布置一定數(shù)量的錨索測力計并加強日常的監(jiān)測工作，根據(jù)實際施工后錨索的鎖定值和現(xiàn)場錨索測力計監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時反饋分析。