近壩庫岸卸荷松動(dòng)巖體穩(wěn)定性分析及入庫涌浪計(jì)算

閔勇章，凡 亞，劉永波

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

近年來，我國水電事業(yè)經(jīng)歷了一段高速發(fā)展期，建成了許多大中型水電站工程。隨著時(shí)間的推移，這些電站水庫近壩庫岸卸荷松動(dòng)巖體普遍存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，并可能造成涌浪危害，安全形勢(shì)非常嚴(yán)峻。本文結(jié)合工程實(shí)際，在對(duì)近壩庫岸卸荷松動(dòng)巖體進(jìn)行穩(wěn)定性分析的前提下，選用美國土木工程師協(xié)會(huì)推薦公式進(jìn)行涌浪計(jì)算，預(yù)測(cè)到壩體處涌浪高度接近壩頂高程會(huì)危及壩體及下游安全。因此，需對(duì)卸荷松動(dòng)巖體進(jìn)行適當(dāng)支護(hù)處理，實(shí)施后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：變形趨于收斂，卸荷松動(dòng)巖體整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1 工程概況

川西某水電站采用水庫大壩、首部式地下引水發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)，樞紐主要建筑物由礫石土心墻堆石壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪放空系統(tǒng)組成。攔河大壩最大壩高240 m，電站總裝機(jī)容量2 600 MW，水庫正常蓄水位1 690 m，正常蓄水位以下庫容為10.15億m3，總庫容為10.75億m3，具有季調(diào)節(jié)能力，電站于2016年12月建成發(fā)電。

泄洪放空系統(tǒng)由1條深孔泄洪洞、2條開敞式泄洪洞和1條放空洞組成，按洞軸線大致平行方式布置于右岸(平面位置見圖1)。泄洪洞進(jìn)口位于雙叉溝堆積體對(duì)岸下游至象鼻溝間的坡段，距離大壩軸線約900 m，進(jìn)口自然邊坡高500～600 m，地形坡度45°～55°。

圖1 泄洪洞進(jìn)口平面地質(zhì)示意

2 卸荷松動(dòng)巖體基本地質(zhì)條件

在右岸象鼻溝上游側(cè)和1號(hào)泄洪洞進(jìn)口下游側(cè)之間、距壩軸線約900 m的坡體上，發(fā)育一處松動(dòng)巖帶XJ7-SD(見圖2)。地理位置屬近壩庫岸，地形呈山脊?fàn)?，三面臨空，高程1 640～1 785 m，坡度一般50°～60°，局部平緩，植被稀疏，出露巖體主要為花崗巖。

松動(dòng)巖帶裂隙發(fā)育，主要以J1、J4、J6三組裂隙為主(見表1)，延伸長大，裂面普遍銹染張開。J4組裂隙陡傾發(fā)育，常以裂隙密集帶出現(xiàn)，裂面普遍張開30～40 cm，局部大于1 m(見圖3)，形成拉裂縫；J1、J6組裂隙均為順坡向發(fā)育，延伸長大，常構(gòu)成邊坡的滑移控制面，同其他結(jié)構(gòu)面組合完備。受裂隙切割影響，淺表部巖體松動(dòng)變形嚴(yán)重，巖體結(jié)構(gòu)以塊裂～碎裂結(jié)構(gòu)為主。

松動(dòng)巖帶面積約0.6萬m2，總方量約為10～15萬m3，前緣(A區(qū))面積約0.3 萬m2，總方量約7～8萬m3，A區(qū)巖體受J1(潛在底滑面)、J6(潛在底滑面)與J4(后緣切割面)切割影響，易形成潛在不穩(wěn)定塊體，可能產(chǎn)生沿J1、J6的滑移變形破壞。

圖2 XJ7-SD松動(dòng)巖帶全貌

圖3 XJ7-SD松動(dòng)巖帶細(xì)部巖體發(fā)育特征(圖1中照片7-1、7-2處)

組別產(chǎn)狀性狀特征J4N65°～85°W/NE∠75°～80°發(fā)育程度高,延伸長大,常以裂密帶形式產(chǎn)出J6N20°～35°W/NE∠30°～40°較發(fā)育,起伏粗糙,延伸較長大,常構(gòu)成邊坡的滑移控制面J1N10°～25°E /SE∠20°～38°發(fā)育程度較低,延伸較長大

3 穩(wěn)定性分析

松動(dòng)巖帶在地形上受三面臨空、坡陡及結(jié)構(gòu)面不利組合影響，裂隙張開，并產(chǎn)生拉裂變形；巖體松動(dòng)明顯，天然狀態(tài)下小型崩塌時(shí)有發(fā)生，現(xiàn)狀處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；局部邊緣地段處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，在爆破震動(dòng)、暴雨、地震等工況下可能產(chǎn)生較大塌滑。 A區(qū)處在水庫水位變幅帶附近，在水庫蓄水初期、運(yùn)行期及水位驟降期，受庫水侵蝕浸泡、動(dòng)水壓力及涌浪的作用下易引發(fā)失穩(wěn)變形，造成較大近壩庫岸垮塌，并產(chǎn)生一定規(guī)模涌浪，危及大壩運(yùn)行安全。

選取5條剖面、 9種不同組合模式對(duì)松動(dòng)巖帶邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算(力學(xué)參數(shù)見表2)。結(jié)果表明，天然狀態(tài)下邊坡整體穩(wěn)定，短暫工況及偶然工況下相當(dāng)一部分不滿足設(shè)計(jì)要求(見表3)，存在失穩(wěn)可能。

表2松動(dòng)巖帶XJ7-SD結(jié)構(gòu)面力學(xué)指標(biāo)建議值

表3 穩(wěn)定計(jì)算成果(未支護(hù)狀態(tài))

計(jì)算剖面模型組合工況持久短暫偶然1號(hào)-1剖面①J6傾角23°長50 m+J4傾角80°長59 m2.1991.9371.451②J6傾角23°長80 m+J4傾角80°長47 m1.9721.7651.2021號(hào)-2剖面①J6傾角40°長80 m+J4傾角80°長152 m1.0390.6350.7902號(hào)-1剖面①J6傾角23°長50 m+J4傾角80°長147 m1.3581.1211.016②J6傾角23°長80 m+J4傾角80°長122 m1.4020.8430.9843號(hào)-1剖面①J6傾角23°長50 m+J4傾角80°長112 m1.5441.3001.137②J6傾角23°長80 m+J4傾角80°長108 m1.4581.2541.0183號(hào)-2剖面①J6傾角23°長50 m+J4傾角80°長167 m1.6581.4081.232②J6傾角23°長80 m+J4傾角80°長210 m1.3010.8380.987邊坡穩(wěn)定目標(biāo)安全系數(shù)1.25～1.301.15～1.201.05～1.10

4 涌浪計(jì)算

為查明松動(dòng)巖體失穩(wěn)入庫引發(fā)的涌浪對(duì)大壩安全運(yùn)行的影響程度，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)壩體位置涌浪高度，為松動(dòng)巖體支護(hù)處理提供依據(jù)，特選取沿J6滑動(dòng)方向典型剖面(見圖4)，對(duì)巖體入庫涌浪進(jìn)行分析計(jì)算，滑動(dòng)模式確定為J4與J6組合、沿J6面產(chǎn)生滑動(dòng)。

初始速度計(jì)算選用美國土木工程師協(xié)會(huì)推薦公式，如下：

(1)

式中，f為滑面或巖體結(jié)構(gòu)面摩擦系數(shù)，f=0.425；α為滑面及巖體結(jié)構(gòu)面傾角，(°)，α=34°；H為變形體水上部分重心至水面高度，m，H=22.5 m；W為滑動(dòng)體單寬重量，kN，W=99 258.87 kN；c為黏聚力，kPa，c=110 kPa；L為滑塊與滑動(dòng)面接觸長度(沿滑動(dòng)方向)，m，L=133 m。

圖4 XJ7-SD松動(dòng)巖帶沿J6滑動(dòng)方向典型計(jì)算剖面

將各參數(shù)代入公式(1)，計(jì)算得Vs=2.242 8 m/s。

涌浪計(jì)算選用中國水利水電科學(xué)研究院經(jīng)驗(yàn)公式，如下：

(2)

式中，η為壩上浪高，m；V為滑速，m/s，V=2.242 8 m/s；Vm為滑體入水前水上部分體積，m3，Vm=150 533 m3；K1為與距滑坡點(diǎn)距離有關(guān)的系數(shù)，此處入水點(diǎn)距離壩軸線900 m，根據(jù)關(guān)系曲線(見圖5)，選取K1=0.11；n為計(jì)算系數(shù)，在1.3～1.5間，此處選取n=1.4。

將各參數(shù)代入公式(2)，計(jì)算得壩上浪高η=6.743 m，正常蓄水位為1 690 m，加上涌浪高度為1 696.743 m，接近壩頂高程1 697 m，考慮其他因素的影響，存在翻壩的可能性，從而可能影響水庫安全運(yùn)行。

5 支護(hù)處理與變形監(jiān)測(cè)

設(shè)計(jì)采用在一定范圍內(nèi)松動(dòng)巖體邊坡上布置系統(tǒng)錨索(錨索深度穿過J4裂隙形成的拉裂縫)的支護(hù)方式，并輔以監(jiān)測(cè)措施，以保證工程邊坡及大壩運(yùn)行安全。

圖5 系數(shù)K1與滑體入水點(diǎn)距離L關(guān)系曲線

穩(wěn)定性計(jì)算表明(見表4)，支護(hù)后邊坡穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求。支護(hù)實(shí)施后及電站蓄水運(yùn)行以來，內(nèi)觀和外觀監(jiān)測(cè)成果顯示，該邊坡變形已趨于收斂(見圖6)，未見異常，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表4 加支護(hù)后穩(wěn)定計(jì)算成果

圖6 各測(cè)點(diǎn)變形時(shí)間過程線

6 結(jié) 論

川西某水電站壩前右岸象鼻溝上游與泄洪洞進(jìn)口之間山脊巖體卸荷強(qiáng)烈、松動(dòng)，呈帶狀分布，穩(wěn)定性差。通過定性分析及定量計(jì)算對(duì)卸荷松動(dòng)巖體的變形機(jī)制及穩(wěn)定性進(jìn)行研究表明，在短暫及偶然工況下部分邊坡存在失穩(wěn)可能。由于該松動(dòng)巖體地理位置處在近壩庫岸，遂對(duì)其進(jìn)行失穩(wěn)入庫涌浪分析，預(yù)測(cè)首浪高度接近壩頂高程，有翻壩風(fēng)險(xiǎn)，危及壩體及下游安全。在此前提下，提出卸荷松動(dòng)巖體加固處理措施，并輔以監(jiān)測(cè)手段，對(duì)支護(hù)后的邊坡變形進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果顯示變形趨于收斂，卸荷松動(dòng)巖體整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，保障了水庫安全有序運(yùn)行，對(duì)類似近壩庫岸處理有一定借鑒意義。