古瓦水電站壩區(qū)順層邊坡穩(wěn)定計(jì)算與支護(hù)設(shè)計(jì)

楊 斌， 饒 家 林， 梁 勇， 周 濤， 肖 玉 會(huì)

(1.大唐鄉(xiāng)城水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610072；2.四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

1 壩區(qū)工程地質(zhì)概況

古瓦水電站采用混合式開發(fā)，攔河大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩。壩址區(qū)河谷為縱向谷，河谷斷面為較對稱的“V”型谷。兩岸山體雄厚，基巖大多裸露，臨河坡高大于300 m。左岸谷坡自然坡度一般為35°～40°，臨河為20～50 m高的基巖陡崖。右岸高程3 345～3 385 m以上，為順基巖層面形成的斜坡，坡度約42°，以下為高約20～40 m階坎狀基巖陡崖。壩區(qū)地層為三疊系上統(tǒng)拉納山組下段(T311)變質(zhì)砂巖夾板巖，變質(zhì)砂巖單層厚度一般0.5～2.0 m，板巖厚度一般1～5 cm。壩區(qū)為一短軸向斜，向斜核部大致沿河流展布，左岸巖層產(chǎn)狀主要為N20°～30°E/NW∠35°～42°，右岸巖層產(chǎn)狀主要為N30°～40°W/NE∠40°～45°，巖層走向與河流近于平行或小角度斜交。壩區(qū)主要發(fā)育3組節(jié)理，結(jié)構(gòu)面以Ⅳ、Ⅴ級為主，少量Ⅲ級，主要為剛性結(jié)構(gòu)面，深部發(fā)育少量巖塊巖屑型、巖屑夾泥型軟弱結(jié)構(gòu)面。壩址區(qū)巖石風(fēng)化微弱，兩岸巖體強(qiáng)卸荷水平深度一般10～15 m，弱卸荷水平深度一般30～40 m。

2 壩區(qū)邊坡概況

壩區(qū)水工建筑物主要有攔河大壩、左岸取水口、導(dǎo)流防空洞、泄洪洞和右岸溢洪洞。左岸導(dǎo)流洞和防空洞采用龍?zhí)ь^結(jié)合方式，導(dǎo)流洞、放空洞和泄洪洞三洞結(jié)合共用一個(gè)出口，左岸取水口緊鄰導(dǎo)流洞進(jìn)口，左岸泄洪洞緊鄰左岸趾板，右岸溢洪洞緊鄰右岸趾板，因相鄰部位邊坡工程地質(zhì)條件基本相同，故合并取水口和導(dǎo)流(放空)洞進(jìn)口邊坡、左岸趾板和泄洪洞進(jìn)口邊坡、右岸趾板和溢洪洞進(jìn)口邊坡。

壩區(qū)兩岸均為層狀同向結(jié)構(gòu)邊坡，特別是右岸趾板和溢洪洞進(jìn)口邊坡、左岸取水口及上游側(cè)邊坡巖層層面與坡面一致。采用赤平投影法和邊坡巖體質(zhì)量CSMR分類標(biāo)準(zhǔn)，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行初判，邊坡易產(chǎn)生順層滑動(dòng)，強(qiáng)卸荷帶邊坡穩(wěn)定性差。本文以具典型地質(zhì)特征的取水口邊坡為代表，采用剛體極限平衡法與有限元法，簡述邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。

3 取水口邊坡工程地質(zhì)條件

取水口后坡在高程3 403.2 m為閘門豎井平臺，平臺長74 m，寬30～33 m。平臺內(nèi)側(cè)開挖邊坡高約72 m，開挖坡比1∶0.3。平臺之下為覆蓋層清坡，清坡后邊坡高約98 m。

取水口位于基座階地上，階地臨河高15～20 m，寬70～80 m。階地覆蓋層厚一般30～40 m，為冰水堆積含漂(塊)卵礫石，地表為厚度8～10 m坡積含塊碎礫石土。清理覆蓋層后，后坡為順層巖質(zhì)邊坡，高程約3 360 m以上自然坡度38～43°，以下坡度55～65°。后坡變質(zhì)砂巖單層厚度一般0.5～1.5 m，巖層產(chǎn)狀：N10°～33°E/NW∠35°～44°。巖體中主要發(fā)育3組節(jié)理：①N60°～80°W/NE∠55°～80°，②N50°～70°E/SE∠55°～80°，③近SN～N25°W/NE∠50°～75°，節(jié)理延伸長一般5～10 m，多平直粗糙。

開挖揭示：后坡巖層間主要為硬性結(jié)構(gòu)面，平直粗糙。邊坡巖體風(fēng)化微弱，巖體較完整。強(qiáng)卸荷水平深度約8～12 m，弱卸荷水平深度約40～50 m。

4 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

工程區(qū)兩岸邊坡類型為層狀同向結(jié)構(gòu)邊坡，典型破壞模式為在兩組節(jié)理切割下，與層面組合的塊體發(fā)生順層面的平面滑動(dòng)，破壞模式清晰。采用剛體極限平衡的平面滑動(dòng)法和有限元法對邊坡穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算。

4.1 剛體極限平衡法

4.1.1 邊坡分級

邊坡安全系數(shù)允許值根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5353-2006)中規(guī)定，根據(jù)邊坡與建筑物關(guān)系、邊坡工程規(guī)模、工程地質(zhì)條件復(fù)雜程度以及邊坡穩(wěn)定分析的不確定性等因素綜合分析確定。對于失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)大的邊坡，或穩(wěn)定分析中不確定因素較多的邊坡，安全系數(shù)宜取上限值，反之可取下限值。古瓦電站壩區(qū)兩岸基巖邊坡邊界條件較為清晰，失穩(wěn)模式為順層平面滑動(dòng)，安全系數(shù)可取下限值。古瓦電站取水口邊坡分級及安全系數(shù)允許值見表1。

4.1.2 計(jì)算工況

表1 邊坡分級及安全系數(shù)表

邊坡設(shè)計(jì)工況主要有三種：持久工況、短暫工況、偶然工況，計(jì)算時(shí)按照邊坡在天然狀態(tài)、正常運(yùn)行狀態(tài)、水位驟降、暴雨及地震等各種工況作用下的組合。

4.1.3 巖體物理力學(xué)參數(shù)

施工開挖揭示的壩區(qū)工程地質(zhì)條件與可研報(bào)告基本一致，邊坡穩(wěn)定計(jì)算所需巖體容重、泊松比、變形模量等物理力學(xué)參數(shù)見表2。

4.1.4 結(jié)構(gòu)面參數(shù)確定

可研階段結(jié)構(gòu)面參數(shù)根據(jù)工程類比取值。為準(zhǔn)確了解壩區(qū)層間結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)，施工階段根據(jù)現(xiàn)場大剪試驗(yàn)成果，結(jié)合反演計(jì)算、規(guī)范建議值、相似工程資料類比等綜合分析，確定不同類〗型結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)建議值。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，根據(jù)不同工程部位邊坡級別，結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)條件，在建議值范圍內(nèi)選取。飽水工況及庫區(qū)蓄水時(shí)，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)在計(jì)算時(shí)予以折減。

表2 壩區(qū)巖體物理力學(xué)參數(shù)表

現(xiàn)場大剪試驗(yàn)成果見表3，除少部分試件在剪切試驗(yàn)中未沿結(jié)構(gòu)面破壞，試驗(yàn)成果偏大外，其余試件均沿預(yù)定結(jié)構(gòu)面剪斷。

表3 現(xiàn)場大剪試驗(yàn)成果表

據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(DLT5353-2006)規(guī)定，對變形邊坡和已失穩(wěn)邊坡可以反演確定其滑面力學(xué)參數(shù)，反演時(shí)邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)取值建議：變形邊坡取1.00～1.05，失穩(wěn)邊坡取0.95～0.99。本次反演計(jì)算邊坡安全系數(shù)取值為：垮塌邊坡取0.97，殘留邊坡下部取1.02，上部取1.07。反演計(jì)算底滑面均為厚層狀變質(zhì)砂巖層間無充填硬性結(jié)構(gòu)面，層面傾角41.5°。反演計(jì)算垮塌體抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)f′=0.675，c′=135 kPa；殘留邊坡下部抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)f′=0.675，c′=128.5～135 kPa；上部抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)f′=0.7(35°)，c′=169～175 kPa。

綜合現(xiàn)場試驗(yàn)、反演計(jì)算、規(guī)范建議值、相似工程類比等，結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)建議值見表4。

4.1.5 邊界確定

底滑面：有軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，以軟弱結(jié)構(gòu)面為底滑面，無軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，選取卸荷底界和在坡腳剪出的層面為底滑面。取水口邊坡有剪出條件深度范圍內(nèi)均為硬性結(jié)構(gòu)面，底滑面存在三種可能：(1)強(qiáng)卸荷底界(圖1中②、④)；(2)弱卸荷底界(圖1中①、③)；(3)坡腳剪出的層面(圖1中⑤)。

后緣拉裂縫：(1)后緣為張裂隙或者因地形和開挖形成的后緣切割；(2)后緣沒有張拉裂縫的長大順層邊坡，根據(jù)不同工程部位地質(zhì)條件、邊坡開挖高度和滑面深度、開挖邊坡松動(dòng)影響范圍等，滑動(dòng)面長度按照切層厚度的4～10倍考慮，強(qiáng)卸荷帶內(nèi)開挖松動(dòng)影響范圍取大值，微新巖體中開挖松動(dòng)影響范圍取小值。取水口后坡后緣拉裂縫分三種情況：(1)平臺之上后坡第③組節(jié)理在高程3 480 m附近密集發(fā)育，假設(shè)該組節(jié)理貫通發(fā)育形成后緣拉裂縫，兩種底滑面相應(yīng)的切層厚度分別約為8倍和4倍；(2)平臺以下假設(shè)在豎井位置拉裂；(3)整體穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，后緣為山頂位置。

圖1 取水口邊坡地質(zhì)剖面圖

側(cè)面：假設(shè)第①、②組裂隙順坡向節(jié)理貫通發(fā)育，在上、下游側(cè)形成有效切割構(gòu)成側(cè)滑面。

4.1.6 計(jì)算成果

邊坡穩(wěn)定計(jì)算底滑面均為無充填硬性結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面抗剪斷參數(shù)根據(jù)邊坡級別和工程地質(zhì)條件，在表4建議范圍內(nèi)值選取。

本次取水口邊坡共布置3條剖面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算， 3條剖面綜合計(jì)算成果見表5。計(jì)算結(jié)果表明：豎井平臺之下強(qiáng)卸荷、弱卸荷帶和平臺之上強(qiáng)卸荷帶邊坡在各種工況下基本穩(wěn)定，但安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求；豎井平臺之上弱卸荷帶在坡腳剪出時(shí)，各種工況下安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。從邊坡整體穩(wěn)定上分析，以在坡腳剪出的層面為底滑面時(shí)，各種工況下邊坡穩(wěn)定，僅持久工況安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

表4 結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)建議值表

表5 剛體極限平衡法邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

4.2 有限元法

4.2.1 計(jì)算方法

有限元強(qiáng)度折減法基于有限單元法，通過對邊坡巖體進(jìn)行強(qiáng)度折減，直到邊坡失穩(wěn)，此時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)則被認(rèn)為是邊坡的安全系數(shù)。強(qiáng)度折減系數(shù)法的基本原理是將巖體參數(shù)c、φ值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)Ftrial，得到一組新的、值，然后作為新的c′、φ′材料參數(shù)帶入有限元進(jìn)行試算，當(dāng)邊坡巖體符合給定的臨界破壞狀態(tài)判定條件時(shí)，對應(yīng)的Ftrial即為邊坡的最小安全系數(shù)。

運(yùn)用強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，不需要事先假定滑裂面的形狀以及所在位置即可自動(dòng)獲取邊坡的滑動(dòng)面直接求出安全系數(shù)，可通過得到巖體物理力學(xué)參數(shù)每一次折減后的計(jì)算結(jié)果，看到巖體逐步破壞的過程，得到邊坡的應(yīng)力場和變形場等信息。

取水口邊坡穩(wěn)定計(jì)算所需巖體容重、泊松比及變模等物理力學(xué)參數(shù)見表2。結(jié)構(gòu)面抗剪斷參數(shù)根據(jù)取水口邊坡級別和工程地質(zhì)條件，在表4建議范圍值內(nèi)選取。邊坡結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值見表6。

4.2.2 計(jì)算模型

表6 邊坡結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度表

有限元計(jì)算區(qū)域取剛體極限平衡法認(rèn)為的最不利剖面(圖1)，橫河向(X向)411 m，垂直向(Y向)由底部高程3 206.0 m向上取352 m。天然狀態(tài)下有限元網(wǎng)格共劃分2 741個(gè)四邊形單元，豎井平臺開挖后有限元網(wǎng)格共劃分2728個(gè)四邊形單元，約束方向均為XY方向(圖2)。

(a)天然狀態(tài)網(wǎng)格劃分

(b)施工、蓄水及地震工況網(wǎng)格劃分圖2 取水口邊坡網(wǎng)格劃分圖

4.2.3 成果分析

有限元強(qiáng)度折減法擬對該斷面的自然狀態(tài)(持久)、施工開挖(短暫)、正常蓄水(持久)工況及地震(短暫)工況進(jìn)行復(fù)核比較。邊坡邊界條件較為清晰，失穩(wěn)模式為順層平面型滑動(dòng)，安全系數(shù)計(jì)算成果見下表7。

計(jì)算結(jié)果表明：在天然工況下，呈現(xiàn)帶狀滑弧，塑性變形區(qū)位于邊坡表層以下約9 m的結(jié)構(gòu)層面，塑性變形區(qū)長度約230 m，于邊坡下部臨空側(cè)剪出，安全系數(shù)1.088。

表7 取水口邊坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果表

豎井平臺開挖形成后，平臺上下邊坡均呈現(xiàn)變形量相當(dāng)?shù)乃苄宰冃螀^(qū)。蓄水后因水壓的有利作用，安全系數(shù)略微增加。

取水口邊坡控制工況為地震工況，安全系數(shù)0.988。上部塑性變形區(qū)貫通至開挖平臺中下部，高程范圍約3 417.0～3 484.0 m之間，長度約90 m，厚度約3 m。下部塑性變形區(qū)從開挖平臺靠庫區(qū)側(cè)貫通至邊坡下部臨空面，高程范圍約3 403.80～3 332.00 m之間，長度約101 m，厚度約2.5 m。

(a)天然狀態(tài)工況 (b)施工期開挖工況

(c)正常蓄水工況 (d)地震工況圖3 最大剪應(yīng)變(塑性變形區(qū))圖

(a)天然狀態(tài)工況 (b)施工期開挖工況

(c)正常蓄水工況 (d)地震工況圖4 最大位移圖

計(jì)算結(jié)果表明：有限元法與剛體極限平衡法計(jì)算結(jié)果規(guī)律匹配性較好，有限元計(jì)算安全系數(shù)總體上略偏大，邊坡表現(xiàn)為沿淺表層面的滑動(dòng)。取水口邊坡在各工況下安全余度均較小，安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，因此，需在淺表支護(hù)的基礎(chǔ)上增加深層支護(hù)，以保證邊坡安全。

4.3 邊坡支護(hù)

根據(jù)取水口邊坡工程地質(zhì)條件和計(jì)算成果，支護(hù)形式以預(yù)應(yīng)力錨索、錨筋樁或錨桿結(jié)合掛網(wǎng)噴混凝土為主。錨索預(yù)應(yīng)力選用1 500 kN級，錨索深度以穿過弱卸荷巖體控制，長度分別30 m、40 m和50 m，間排距6 m，不同長度錨索交錯(cuò)布置。錨筋樁采用3Φ32、L=12 m和18 m，間排距3m，錨桿為Φ25、L=4.5 m。

5 結(jié) 語

壩址區(qū)河谷為縱向谷，巖性為厚層～巨厚層狀變質(zhì)砂巖夾板巖，為典型的層狀同向結(jié)構(gòu)邊坡，邊坡穩(wěn)定性差，在節(jié)理切割組合下易發(fā)生順層滑動(dòng)。

邊坡穩(wěn)定計(jì)算首先要確定邊坡破壞模式、滑體邊界條件和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)。古瓦水電站邊坡破壞模式清晰，為典型的順層滑動(dòng)?；w底滑面、側(cè)向和后緣邊界根據(jù)邊坡實(shí)際工程地質(zhì)條件來確定。結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場大剪試驗(yàn)成果、反演計(jì)算、規(guī)范建議值、相似工程資料類比等，針對不同工程部位邊坡級別，結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)條件綜合分析確定。

有限元法與剛體極限平衡法計(jì)算結(jié)果表明，其規(guī)律匹配性較好，采用剛體極限平衡法所得的取水口邊坡穩(wěn)定性分析成果有較高的可靠度，可以作為評判其邊坡穩(wěn)定性的依據(jù)。