楊房溝水電站金波石料場順坡中緩傾角結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(wěn)定的影響

(1.華東勘測設(shè)計院(福建)有限公司，福州，353003；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，成都，610059)

1 引言

楊房溝水電站位于四川省涼山州木里縣雅礱江中游河段，為該流域規(guī)劃開發(fā)的第六級電站，電站大壩采用混凝土雙曲拱壩，壩頂中心線弧長362.17m，最大壩高155m，總裝機容量1500MW。金波石料場規(guī)劃區(qū)域位于雅礱江左岸上游江邊，需承擔楊房溝、卡拉兩個水電站工程混凝土骨料料源供給任務(wù)，其規(guī)劃開采有用料至少為492萬m3(楊房溝206萬m3+卡拉286萬m3)。金波石料場工程邊坡最大高度為257m，自然邊坡最大高度則超過900m，如此規(guī)模的高邊坡在人工開挖活動下，會打破邊坡原有的平衡狀態(tài)，開挖與控制不當，容易引發(fā)邊坡地質(zhì)災(zāi)害[1-2]；另一方面，該料場邊坡的穩(wěn)定問題不僅僅關(guān)系到工程本身的安全，同時會制約楊房溝大壩澆筑的順利進行，也會對下游壩址區(qū)構(gòu)筑物和水庫帶來較大影響。為評價料場邊坡穩(wěn)定性，通過鉆孔與平洞的勘探，全面調(diào)查了邊坡工程地質(zhì)條件，發(fā)現(xiàn)順坡中緩傾角結(jié)構(gòu)面極為發(fā)育，在一定程度上，對邊坡的變形破壞具有控制作用。

2 邊坡工程地質(zhì)條件

石料場自然邊坡總體走向約N10°～15°E，坡度40°～50°。坡面起伏相對較小，岸坡較順直，沿江長約600m，地形見圖1。邊坡基巖裸露，巖性單一，為燕山期花崗閃長巖(γδ52)，基巖以弱～微風化為主，局部見強風化，卸荷作用整體較弱。邊坡無Ⅱ級及以上規(guī)模斷層發(fā)育，但順坡小斷層、節(jié)理發(fā)育，Ⅲ級結(jié)構(gòu)面較少，以Ⅳ、Ⅴ級結(jié)構(gòu)面為主。地下水類型較單一，以基巖裂隙水為主，主要受降雨補給，向雅礱江排泄。典型剖面見圖2。

圖1 金波石料場開挖平面

圖2 開挖典型剖面

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 定性分析

工程邊坡為巖性均一的花崗閃長巖，開挖邊坡主要為弱～微風化巖質(zhì)邊坡，開口線附近為強、弱風化及卸荷巖體。工程邊坡巖體質(zhì)量以Ⅱ、Ⅲ類為主，開口線附近局部為Ⅳ類。巖體完整程度以較完整為主，少部分完整或完整性差。

基于勘探資料的整理，料場邊坡小斷層較發(fā)育，無Ⅱ級及以上規(guī)模斷層，Ⅲ級結(jié)構(gòu)面斷層12條。斷層走向以NNW、NNE、NE向為主，其中NNW、NNE向以中、緩傾角為主，NE向以陡傾角為主。斷層等密度見圖3，小斷層雖然數(shù)量多，但其寬度小且延伸短，斷層之間在走向延長線和傾向延長線上絕大多數(shù)沒有對應(yīng)關(guān)系；構(gòu)成后緣(側(cè)緣)切割面的NW向和NE向斷層規(guī)模相對較大，但數(shù)量少；同時，如圖4所示，優(yōu)勢發(fā)育的順坡中緩傾角的斷層絕大多數(shù)規(guī)模小。這樣的斷層展布特征不易形成大規(guī)模結(jié)構(gòu)面不利組合塊體。

因此，工程邊坡中無貫穿性、威脅邊坡整體安全的大規(guī)模順坡斷層發(fā)育。斷層延長大多較短，性狀一般較好，邊坡整體穩(wěn)定，但邊坡中、緩順坡向結(jié)構(gòu)面發(fā)育，與NE、NNW向陡傾角結(jié)構(gòu)面相交切，對塊體穩(wěn)定具有控制作用，塊體穩(wěn)定問題突出。

圖3 金波石料場斷層統(tǒng)計等密度

圖4 金波料場順坡中緩傾角斷層寬度統(tǒng)計

3.2 定量分析

定量分析選用3DEC方法，3DEC是由Itasca咨詢有限公司基于離散單元法開發(fā)的巖土工程數(shù)值計算程序。離散元的主要特征，一是允許離散體發(fā)生有限位移和轉(zhuǎn)動，包括完全的脫離，二是計算過程中能夠自動識別接觸狀態(tài)的變化，保證了能夠適應(yīng)于任何復(fù)雜機理問題的研究，彌補了傳統(tǒng)解析方法(如極限平衡)最嚴重的不足——這類方法往往需要事先假設(shè)變形和破壞的方式。3DEC具備同時考慮巖塊體連續(xù)變形和結(jié)構(gòu)面非連續(xù)變形的求解方式，兼顧了巖體和結(jié)構(gòu)面的變形破壞，能夠滿足對楊房溝壩址區(qū)邊坡的研究。

根據(jù)現(xiàn)場邊坡開挖揭露的地質(zhì)情況，研究區(qū)巖體主要為花崗閃長巖，巖體質(zhì)量分類參數(shù)取值見表1，建立邊坡模型進行數(shù)值分析，本構(gòu)模型采用摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型。

表1 巖體物理力學參數(shù)建議值

3.2.1 整體穩(wěn)定性分析

采用離散元方法對邊坡整體穩(wěn)定性進行方法為“強度折減法”的分析，通過對巖體和結(jié)構(gòu)面強度參數(shù)進行折減，即人為改變邊坡條件的方式，使邊坡變形增長、乃至出現(xiàn)失穩(wěn)征兆，并根據(jù)臨界狀態(tài)的變形場分布或變形速率分布情況判斷出邊坡潛在失穩(wěn)模式，以達到認識和評價邊坡穩(wěn)定特征的目的。

經(jīng)計算，開挖邊坡在不同強度折減系數(shù)情況下，強度折減系數(shù)范圍為1.0～1.6，其中顯示了該邊坡在巖體參數(shù)不斷折減時的變形發(fā)展過程，其絕對值大小不能直接反映邊坡的穩(wěn)定性，但相對值可較明確指示邊坡不同部位穩(wěn)定性差異。

邊坡開挖至高程2270m時，整體穩(wěn)定性較好，在強度折減系數(shù)為1.3情況下，邊坡變形能收斂，且整體變形量值不高，基本控制在20mm量值水平以內(nèi)，未表現(xiàn)出明顯的潛在塊體滑移變形特征；在強度折減系數(shù)為1.4情況下，此時邊坡變形仍能計算收斂，但局部受結(jié)構(gòu)面影響變形增長明顯，超過20mm。因此，可以認為，邊坡開挖至高程2270m時整體安全系數(shù)能夠達到1.3以上。

隨著邊坡繼續(xù)下挖，會在開挖坡面揭露順坡長大斷層fj64、fj23等，對邊坡整體穩(wěn)定有較大不利影響，這些斷層與fj1、fj24等組合可形成規(guī)模較大的不利塊體KJB-11、KJB-1，穩(wěn)定性較差。計算結(jié)果表明，此時邊坡的整體穩(wěn)定主要由這些塊體控制。因此，需要對這些組合塊體穩(wěn)定特征進行詳細分析，并制定相應(yīng)的加強支護處理方案。

3.2.2 局部穩(wěn)定性分析

料場邊坡順坡中緩傾角結(jié)構(gòu)面比較發(fā)育，與巖橋一同構(gòu)成滑移塊體的底滑面，其后緣一般為NNW向或NE向高傾角結(jié)構(gòu)面切割，因此，“底滑面”在邊坡穩(wěn)定性中具有控制性作用，破壞模式見圖5。利用地質(zhì)三維模型分析出結(jié)構(gòu)面在工程邊坡的出露位置，結(jié)合剖面及平切分析可能的塊體組合，得出坡體內(nèi)所發(fā)育斷層可組合成較大不利塊體19個，由于篇幅有限，以其中三個典型塊體、KJB-18、KJB-1、KJB-18為例，利用3DEC方法展開計算，計算結(jié)果見表2。由此可知，塊體KJB-1在天然、暴雨和地震工況下不穩(wěn)定，需加強支護；KJB-6、KJB-18計算結(jié)果雖然滿足規(guī)范要求，但安全裕度不足，仍需進行相應(yīng)支護。

4 結(jié)論

本文采用定性與定量相結(jié)合的方法，研究了楊房溝水電站金波料場邊坡穩(wěn)定性，取得如下認識：

圖5 破壞模式剖面示意

表2 典型塊體計算結(jié)果(開挖后未支護)

(1)通過對平洞、鉆孔揭露的大量順坡向中緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征的統(tǒng)計，這些結(jié)構(gòu)面絕大多數(shù)規(guī)模小，性狀較好，可定性為邊坡整體穩(wěn)定；

(2)3DEC離散元強度折減法計算成果表明，邊坡開挖至高程2270m時整體安全系數(shù)能夠達到1.3以上；

(3)邊坡失穩(wěn)破壞模式為底面單面滑動破壞，對三個典型塊體安全系數(shù)進行計算，表明KJB-1安全系數(shù)不滿足設(shè)計要求，需進行加固處理，其余2個塊體也應(yīng)進行相應(yīng)加固；

(4)計算結(jié)果對設(shè)計加固方案的選取提供依據(jù)。