烏東德水電站泄洪洞出口左側(cè)邊坡變形控制研究

周華 王占軍 曹去修 胡清義

摘要：烏東德水電站泄洪洞出口左側(cè)邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，坡面發(fā)生較大變形?；谶吰麻_(kāi)挖揭露工程地質(zhì)條件，通過(guò)裂縫調(diào)查、監(jiān)測(cè)資料分析邊坡變形趨勢(shì)，建立三維數(shù)值模型研究邊坡變形機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出并實(shí)施了“系統(tǒng)錨固、坡面灌漿、坡比調(diào)整”的系統(tǒng)加固處理方案。后期邊坡開(kāi)挖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，左側(cè)邊坡已經(jīng)穩(wěn)定，加固處理措施有效，可為同類工程邊坡變形加固處理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：邊坡變形，變形控制，監(jiān)測(cè)資料分析，裂縫調(diào)查，鳥(niǎo)東德水電站

中圖法分類號(hào)：TV651文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/i.cnki.slsdkb.2020.02.006

巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性是大型水電工程建設(shè)的重要工程地質(zhì)問(wèn)題，也是影響工程建設(shè)成敗的重要因素之一。巖質(zhì)高邊坡開(kāi)挖期間，往往會(huì)出現(xiàn)一定程度的卸荷松弛變形，變形超過(guò)一定范圍即可能失穩(wěn)。因此，巖質(zhì)高邊坡變形穩(wěn)定及加固方案研究一直是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

漆祖芳等采用有限元強(qiáng)度折減法分析開(kāi)挖邊坡在施工期的穩(wěn)定性，合理評(píng)價(jià)了錦屏一級(jí)拱壩壩肩邊坡施工期的整體穩(wěn)定性與安全性;曾金華等采用三維有限元法等對(duì)邊坡進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并據(jù)此對(duì)兩岸壩肩邊坡采用錨索、錨桿及掛網(wǎng)錨噴等加固措施，達(dá)到了穩(wěn)定邊坡的目的。陳本龍對(duì)西藏如美水電站天然高邊坡開(kāi)挖后出現(xiàn)的卸荷變形和變形破壞模式等問(wèn)題進(jìn)行深入研究，為保證邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定提供了科學(xué)的依據(jù)。何忠明等用FLAC軟件建立軟巖邊坡應(yīng)變軟化特性，并分析了軟巖邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中鉛直位移和水平位移的變化趨勢(shì)。

本文以金沙江烏東德水電站泄洪洞出口左側(cè)邊坡為研究對(duì)象，在開(kāi)挖揭露工程地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，通過(guò)裂縫調(diào)查、監(jiān)測(cè)資料分析邊坡變形趨勢(shì)，建立三維數(shù)值模型研究邊坡變形機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出有針對(duì)性的系統(tǒng)加固處理方案，保證泄洪洞出口左側(cè)邊坡后期順利開(kāi)挖支護(hù)等施工。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

烏東德水電站位于四川省會(huì)東縣和云南省祿勸縣交界的金沙江下游河段，是下游河段烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4個(gè)梯級(jí)中的第一個(gè)梯級(jí)電站。水庫(kù)正常蓄水位975m，總庫(kù)容74.08億m³。電站總裝機(jī)容量10200MW，年發(fā)電量389.1億kW·h。樞紐工程由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物、左右岸引水發(fā)電系統(tǒng)及導(dǎo)流建筑物等組成，電站采用壩身表中孔與岸邊泄洪洞聯(lián)合泄洪。

左岸靠山側(cè)平行布置3條泄洪洞，出口挑流鼻坎下游設(shè)人工水墊塘消能。水墊塘在小花山臺(tái)地開(kāi)挖形成，該部位巖體破碎，抗沖能力較差。水墊塘采用封閉抽排結(jié)構(gòu)型式，四周設(shè)置基礎(chǔ)廊道，塘末設(shè)置頂高程為825m的尾坎，尾坎下游開(kāi)挖尾渠引導(dǎo)泄洪水流歸槽。

1.2左側(cè)邊坡地質(zhì)條件

泄洪洞出口左側(cè)邊坡位于人工水墊塘左側(cè)、花山泥石流溝出口下游側(cè)，見(jiàn)圖1。邊坡開(kāi)挖前出露地層為第四系覆蓋層（O）、褶皺基底落雪組（Pt₂₁）、沉積蓋層觀音崖組（Z_zg）和燈影組（Z_zd）等。

左側(cè)高程925m以上工程邊坡及其上方自然邊坡由Z_2g、Z_2d、P_2y、P_3em、T_3bg、J_1y、J_2x等沉積蓋層地層構(gòu)成，地層走向340°-10°，傾向E、傾角28°-35°，緩傾左岸偏上游，巖層走向與邊坡走向夾角3°-37°，傾向坡內(nèi)，構(gòu)成緩傾反向坡。

高程925m以下工程邊坡由Pt₂₁褶皺基底地層構(gòu)成，地層走向近EW向（250°-290°），傾向S，傾角70°-85°，近橫河向展布，陡傾下游偏右岸。左側(cè)邊坡走向193°，巖層走向與左側(cè)邊坡走向交角57°-83°，構(gòu)成陡傾橫向坡，見(jiàn)圖2。

左側(cè)邊坡發(fā)育F₆、F₇、F₉等3條斷層，其中規(guī)模較大的1條斷層為花山溝斷層F₆。

2 泄洪洞出口左側(cè)邊坡開(kāi)挖及變形情況

2.1 邊坡開(kāi)挖施工過(guò)程

泄洪洞出口左側(cè)邊坡分兩期施工：

（1）一期工程于2014年3月完成，主要挖除全部覆蓋層，上游側(cè)開(kāi)挖至高程895m，下游側(cè)開(kāi)挖至高程850m，形成混凝土系統(tǒng)平臺(tái)，外側(cè)尾水塔基礎(chǔ)、尾水渠及導(dǎo)墻基礎(chǔ)開(kāi)挖完成。

（2）二期工程自2015年3月開(kāi)始，主要為水墊塘剩余部分、高程850m以下尾渠及排導(dǎo)槽下游段開(kāi)挖支護(hù)。2017年6月汛前，左側(cè)邊坡總體開(kāi)挖至高程806m，局部開(kāi)挖至高程796m?；映渌妊春?，左側(cè)邊坡開(kāi)挖支護(hù)全面停止。

左側(cè)邊坡先挖除上部覆蓋層，再開(kāi)挖形成人工邊坡，覆蓋層剝離線最高高程約1070m。人工邊坡結(jié)構(gòu)為橫向坡，以尾坎為界分為兩段，上游段為水墊塘左側(cè)邊坡，最高開(kāi)口高程約970m，底部至水墊塘基礎(chǔ)廊道開(kāi)挖高程786.5m，人工邊坡最大高度183.5m;尾坎下游段為尾渠左側(cè)邊坡，最高開(kāi)口高程約945m，尾渠底板開(kāi)挖高程819.5m，邊坡最大高度約125m。水墊塘左側(cè)邊坡以高程850m為界，上部、下部單級(jí)開(kāi)挖坡比分別為1：0.2、1：0.3，尾渠左側(cè)邊坡單級(jí)開(kāi)挖坡比均為1：0.2。

覆蓋層及人工邊坡開(kāi)挖后，坡面進(jìn)行了系統(tǒng)噴錨支護(hù)，中上部設(shè)系統(tǒng)錨索，高程850m以下水墊塘邊坡系統(tǒng)支護(hù)與邊墻結(jié)構(gòu)錨固措施相結(jié)合布置。對(duì)于開(kāi)挖過(guò)程中出露的塊體，采用錨索、錨樁及錨桿進(jìn)行隨機(jī)支護(hù)。

2.2邊坡變形情況

2016年11月，左側(cè)邊坡啟動(dòng)高程850m以下開(kāi)挖施工后，坡面部分表觀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)突然增大。2017年3月，高程806m以上邊坡開(kāi)挖完成，表觀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)揭示邊坡變形速率仍較快，恢復(fù)監(jiān)測(cè)的內(nèi)觀監(jiān)測(cè)變形較大，最大變形量達(dá)到83.73mm（見(jiàn)圖3），監(jiān)測(cè)錨索和錨桿受力也有所增大。

2017年4月，左側(cè)邊坡開(kāi)挖全面暫停，僅開(kāi)展開(kāi)挖坡面系統(tǒng)支護(hù)施工，隨后邊坡變形速率趨緩?；映渌妊春蟮?月底，內(nèi)觀位移監(jiān)測(cè)最大變形量91.96mm，表觀監(jiān)測(cè)Y軸累計(jì)最大值為227.98mm，監(jiān)測(cè)錨索最大錨固力2740.9kN。

3 左側(cè)邊坡變形特征及安全監(jiān)測(cè)分析

3.1 地表裂縫調(diào)查情況

截至2017年5月，左側(cè)邊坡共發(fā)現(xiàn)33條裂縫，其中僅6條為巖體變形裂縫，皆位于斷層F₆下游開(kāi)口線上方局部脊?fàn)钔怀龅匦尾课?。裂面起伏粗糙狀，延伸長(zhǎng)度約10m，張開(kāi)寬度均小于4cm，深度小于0.4m，均延伸至下伏巖體中，成因主要與邊坡松弛變形有關(guān)。其余27條均為坡面噴護(hù)混凝土裂縫，未延伸至巖體中，成因主要與混凝土收縮、溫度變化等因素有關(guān)。

3.2 安全監(jiān)測(cè)成果分析

左側(cè)邊坡共布置6個(gè)變形監(jiān)測(cè)斷面，共計(jì)17套多點(diǎn)位移計(jì)、14個(gè)表觀監(jiān)測(cè)墩、21個(gè)錨索測(cè)力計(jì)、26個(gè)錨桿應(yīng)力計(jì)，不同種類監(jiān)測(cè)儀器揭示的邊坡變形特征吻合程度良好。此處僅選取多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析。

坡面多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)深度30-40m，首測(cè)時(shí)間不一。受現(xiàn)場(chǎng)施工損毀等影響，部分儀器在2015年3月至2017年3月間無(wú)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，僅M13、M14、M16捕捉到了相對(duì)較完整的變形過(guò)程（見(jiàn)圖4）。

從圖4可以看出：

（1）孔口累計(jì)變形量多數(shù)小于25mm，M11點(diǎn)變形量最大達(dá)92.15mm，位于凸出脊?fàn)畹匦慰拷_(kāi)口線頂部，邊坡中部區(qū)域次之，850混凝土系統(tǒng)后方邊坡及坡面其他區(qū)域累計(jì)變形量小。

（2）左側(cè)邊坡巖體變形深度基本在20-30m之間。

（3）左側(cè)邊坡變形總體可分3個(gè)階段，即變形加劇、變形趨緩、變形收斂或趨于收斂階段。2016年12月至2017年3月，為左側(cè)邊坡高程830m以下高強(qiáng)度爆破開(kāi)挖期，邊坡變形量和變形速率較大，其后邊坡變形逐漸收斂或明顯趨于收斂階段。

4 左側(cè)邊坡變形機(jī)理分析

基于左側(cè)邊坡開(kāi)挖揭露工程地質(zhì)條件，選取出口左側(cè)邊坡、出口正面邊坡建立整體三維數(shù)值分析模型，采用FLAC軟件對(duì)邊坡巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演，并分析研究左側(cè)邊坡在開(kāi)挖卸荷條件下的力學(xué)響應(yīng)、邊坡變形破壞機(jī)制和潛在失穩(wěn)模式，為邊坡加固處理措施擬定提供依據(jù)。

計(jì)算域內(nèi)模擬了邊坡不同地層、花山溝F₆斷層等，考慮了邊坡主要地層不同巖體分級(jí)和開(kāi)挖擾動(dòng)卸荷松弛等。計(jì)算模擬了各級(jí)邊坡開(kāi)挖、支護(hù)，層狀巖體采用遍布節(jié)理彈塑性層面模型。

研究表明：泄洪洞出口左側(cè)邊坡的開(kāi)挖力學(xué)響應(yīng)模式主要受控于邊坡的巖性、巖體結(jié)構(gòu)、開(kāi)挖坡形、開(kāi)挖卸荷規(guī)模以及施工擾動(dòng)效應(yīng)等內(nèi)外因素。左側(cè)邊坡高陡，下部工程邊坡的開(kāi)挖切腳對(duì)邊坡產(chǎn)生了較大擾動(dòng);邊坡巖體質(zhì)量總體為差一較差，以IV₁-IV₂級(jí)為主，合計(jì)占比達(dá)92.2%。在大規(guī)模開(kāi)挖卸荷條件下巖體產(chǎn)生較大的變形和松弛，無(wú)論是邊坡巖體的變形量、卸荷松弛深度以及錨索荷載增量均明顯大于一般的巖質(zhì)邊坡，邊坡出現(xiàn)上述現(xiàn)象與構(gòu)成邊坡的巖體總體質(zhì)量較差密切相關(guān)，巖體質(zhì)量較差是引起局部凸起地形的坡體出現(xiàn)較大變形的主要原因，F(xiàn)₆斷層碎裂巖一碎粉巖和蓋層觀音崖組Z_2g完整性差一破碎巖體也對(duì)邊坡的變形有一定影響。邊坡高程830m以下IV₂級(jí)巖體的開(kāi)挖削弱了邊坡底座、坡腳的支撐作用，進(jìn)一步加劇了上部巖體的卸荷松弛，使得邊坡巖體的變形持續(xù)增大，松弛深度不斷向深部延伸。

鑒于邊坡變形已逐漸趨于收斂，且坡體內(nèi)不存在傾向坡外的規(guī)模較大的斷層等結(jié)構(gòu)面，邊坡尚不存在整體穩(wěn)定問(wèn)題。

5 左側(cè)邊坡變形加固方案

5.1 加固方案

結(jié)合左側(cè)邊坡變形機(jī)理，針對(duì)性地開(kāi)展了變形加固措施研究，形成了“系統(tǒng)錨固、坡面灌漿、坡比調(diào)整”的加固處理方案，并輔以變形監(jiān)測(cè)及開(kāi)挖施工措施。

（1）左側(cè)邊坡增設(shè)錨索。高程830m以下坡面結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，總體增加2排1500kN級(jí)、L=45-50m預(yù)應(yīng)力錨索;左側(cè)邊坡中上部、靠近泥石流排導(dǎo)槽上方的變形較大區(qū)域，增設(shè)69束2000kN級(jí)、L=55-65m預(yù)應(yīng)力錨索;新增錨索錨墩適當(dāng)加大，內(nèi)錨段適當(dāng)增長(zhǎng)。

（2）高程830m以下坡面固結(jié)灌漿。左側(cè)邊坡巖體質(zhì)量總體較差，多為IV級(jí)巖體。物探測(cè)試表明，高程830m以下邊坡巖體卸荷松弛深度超過(guò)20m。為加強(qiáng)左側(cè)邊坡巖體整體性，坡面IV2級(jí)及以下巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿孔孔深25m，間排距3m×3m，垂直坡面、矩形布置。

（3）高程806m以下開(kāi)挖坡比放緩。為減小左側(cè)邊坡坡腳開(kāi)挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響，將高程806m以下邊坡開(kāi)挖坡比由1：0.3調(diào)整至1：0.6，開(kāi)挖坡比調(diào)整后，坡面系統(tǒng)支護(hù)原則維持不變，水墊塘部分邊墻結(jié)構(gòu)型式、底部基礎(chǔ)廊道平面位置、順流向結(jié)構(gòu)縫位置等作相應(yīng)調(diào)整。

（4）坡面增設(shè)內(nèi)、外觀監(jiān)測(cè)儀器。為確定邊坡變形范圍及發(fā)展趨勢(shì)，在一期、二期邊坡監(jiān)測(cè)斷面上增設(shè)8個(gè)固定棱鏡觀測(cè)邊坡表面位移，在泥石流排導(dǎo)槽上方工程邊坡新增錨索上布設(shè)5臺(tái)錨索測(cè)力計(jì)，同時(shí)增設(shè)4支多點(diǎn)位移計(jì)。

（5）邊坡開(kāi)挖施工控制。2017年汛后水墊塘底板全部挖至高程792m后，左側(cè)邊坡坡腳齒槽開(kāi)挖宜采用一次爆破、分段出渣、齒墻混凝土跳倉(cāng)澆筑等方式進(jìn)行施工，盡量減小切腳開(kāi)挖對(duì)邊坡的影響。

5.2處理效果

2017年汛期，左側(cè)邊坡部分加固措施開(kāi)始實(shí)施，汛后全面啟動(dòng)邊坡開(kāi)挖支護(hù)施工。圖5為典型測(cè)點(diǎn)M13XHDS多點(diǎn)位移計(jì)變形過(guò)程線。從圖5可以看出，后期施工過(guò)程中該點(diǎn)位移測(cè)值基本不變，左側(cè)邊坡變形已基本穩(wěn)定。同時(shí)，隨著水墊塘邊墻等混凝土結(jié)構(gòu)形成，邊坡穩(wěn)定性得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

6 結(jié)論

（1）泄洪洞出口左側(cè)邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，工程邊坡高陡，巖體質(zhì)量差，快速開(kāi)挖卸荷松弛對(duì)邊坡變形穩(wěn)定產(chǎn)生較大不利影響。

（2）經(jīng)邊坡裂縫調(diào)查、監(jiān)測(cè)資料和變形機(jī)理分析后，形成了“系統(tǒng)錨固、坡面灌漿、坡比調(diào)整”的加固處理方案，并輔以變形監(jiān)測(cè)及開(kāi)挖施工措施。

（3）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：左側(cè)邊坡變形已經(jīng)穩(wěn)定，已實(shí)施的加固處理措施是有效的?？蔀橥惞こ踢吰伦冃慰刂萍庸烫幚硖峁┙梃b。