西北某水電站1號(hào)變形體特征及穩(wěn)定性分析

呂耀成 張富榮 李鈺強(qiáng)

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

西北某水電站位于青海省興海縣與貴南縣交界的黃河上，其樞紐工程規(guī)模屬Ⅰ等大(1)型工程，電站正常蓄水位為2 715 m，裝機(jī)容量1 200 MW。攔河壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程2 721 m，最大壩高150 m。1號(hào)變形體位于電站近壩庫岸左岸，距離電站導(dǎo)流洞進(jìn)口較近，其穩(wěn)定性直接影響施工與運(yùn)行的安全[1]。因此，弄清該變形體的變形機(jī)制，并通過計(jì)算分析其穩(wěn)定性，評(píng)價(jià)結(jié)果可作為工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[2,3]。

1 地質(zhì)條件概述

1號(hào)變形體與擬建壩址相距約為750 m，位于壩址上游黃河左岸。本段河流總體流向NW332°?；境蕦?duì)稱的“V”型河谷，岸坡陡峻，相對(duì)高差最大約400 m，變形體范圍內(nèi)沖溝不發(fā)育。

1號(hào)變形體范圍內(nèi)規(guī)模較大的斷層不發(fā)育，僅在上游側(cè)邊界處發(fā)育F12斷層，其巖體中構(gòu)造裂隙和卸荷裂隙較為發(fā)育。

2 變形體特征

1號(hào)變形體在平面形態(tài)上呈不規(guī)則的扇狀，其后緣可見“圈椅狀”破裂壁。前緣剪出口基本位于Ⅱ級(jí)階地基座面附近，高出河水位15 m～30 m；后緣最高高程約2 925 m，一般在高程2 800 m～2 920 m。1號(hào)變形體的平均厚度25 m，估算其體積約為480萬m3。

1號(hào)變形體的巖層走向與河谷邊坡走向夾角較小，屬陡傾順層斜坡。變形體范圍內(nèi)巖層產(chǎn)狀與周邊正常巖層產(chǎn)狀有明顯差異，總體向坡內(nèi)緩傾，其產(chǎn)狀與周邊正常巖層產(chǎn)狀相差較大，一般大于30°，巖層強(qiáng)烈傾倒變形現(xiàn)象明顯，呈反傾狀結(jié)構(gòu)[4]。根據(jù)其結(jié)構(gòu)及破壞特征，該變形體可分為三個(gè)區(qū)，從上游到下游分別為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)。

3 成因機(jī)制及力學(xué)特征

3.1 成因機(jī)制

通過巖性、巖體結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件分析，1號(hào)變形體形成主要經(jīng)歷三個(gè)階段：1)初始變形階段；2)滑移—傾倒變形階段；3)破壞階段。隨著上述變形的進(jìn)一步發(fā)展，坡體內(nèi)的變形主要受控于折斷面處的最大剪應(yīng)力，其變形最后轉(zhuǎn)為以滑移—拉裂型為主，進(jìn)而形成統(tǒng)一的滑動(dòng)面，最終發(fā)展為滑坡。

3.2 力學(xué)特征

通過碎石土強(qiáng)度試驗(yàn)成果、參數(shù)反演成果及相關(guān)規(guī)范類比[5]，經(jīng)綜合分析，變形體潛在滑面的強(qiáng)度參數(shù)如下：

A區(qū)代表性剖面(縱1剖面)：

天然狀態(tài)：f=0.54，C=100 kPa；飽和狀態(tài)：f=0.46，C=80 kPa。

B區(qū)、C區(qū)代表性剖面(縱2、縱3剖面)：

天然狀態(tài)：f=0.64，C=100 kPa；飽和狀態(tài)：f=0.50，C=80 kPa。

4 變形體穩(wěn)定性分析

根據(jù)1號(hào)變形體的分區(qū)特征，分別選取A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)的代表性剖面1—1,2—2,3—3縱剖面計(jì)算其穩(wěn)定性。穩(wěn)定性計(jì)算采用以下方法：有限元強(qiáng)度折減法和剛體極限平衡法。

4.1 有限元強(qiáng)度折減法

采用有限元強(qiáng)度折減法，計(jì)算各剖面在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)見圖1～圖3。

計(jì)算結(jié)果表明，天然條件下，3條剖面的穩(wěn)定系數(shù)均大于1.15，即A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 剛體極限平衡法

由于1號(hào)變形體位于電站的近壩庫區(qū)，因此，穩(wěn)定性計(jì)算分別按蓄水前、蓄水后兩種狀態(tài)進(jìn)行，計(jì)算天然自重、暴雨、地震等工況下的穩(wěn)定系數(shù)。本次選用1號(hào)變形體1—1,2—2,3—3縱剖面，其穩(wěn)定性計(jì)算采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行。

1)蓄水前變形體的穩(wěn)定性分析。蓄水前，各工況下1號(hào)變形體1—1，2—2，3—3縱剖面的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算成果如表1所示。

表1 不同工況下變形體的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算成果表

2)蓄水后變形體的穩(wěn)定性分析。蓄水后，各工況下1號(hào)變形體1—1,2—2,3—3縱剖面的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算成果見表2。

表2 不同工況下變形體的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算成果表

根據(jù)上述計(jì)算成果可知：

在電站蓄水前，天然自重工況下：A區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài)，B區(qū)、C區(qū)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨、地震工況下：A區(qū)總體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，B區(qū)、C區(qū)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

在電站蓄水后，天然自重工況下A區(qū)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在暴雨或地震工況下A區(qū)處于極限平衡～欠穩(wěn)定狀態(tài)；除B區(qū)天然條件處于欠穩(wěn)狀態(tài)外，B區(qū)其余工況、C區(qū)所有工況均呈不穩(wěn)定狀態(tài)，即變形體在各工況條件下的穩(wěn)定系數(shù)均不能滿足規(guī)范控制要求。

5 結(jié)語

1)1號(hào)變形體位于電站近壩庫岸，其穩(wěn)定性直接影響工程施工與運(yùn)行安全。因此，評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性具有重大意義。2)通過巖性、巖體結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件分析，1號(hào)變形體形成主要經(jīng)歷三個(gè)階段，即初始變形階段、滑移—傾倒變形階段、破壞階段。隨著變形的進(jìn)一步發(fā)展，最終轉(zhuǎn)為滑移—拉裂變形，形成統(tǒng)一的滑動(dòng)面而發(fā)展為滑坡。3)穩(wěn)定性分析結(jié)果表明：電站蓄水前，在天然自重工況下，變形體處于穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)；在地震或暴雨工況下，變形體處于基本穩(wěn)定～欠穩(wěn)定狀態(tài)。電站蓄水后，在各種工況下，變形體的穩(wěn)定系數(shù)不能滿足規(guī)范控制要求。4)1號(hào)變形體的發(fā)展變化趨勢對(duì)工程建設(shè)及運(yùn)行影響較大，建議對(duì)其開展必要的變形監(jiān)測工作，為邊坡的工程設(shè)計(jì)提供相關(guān)依據(jù)。