阿爾塔什水利樞紐大壩右岸高邊坡W19危巖體穩(wěn)定分析

秦 國(guó) 強(qiáng)

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程位于葉爾羌河中游河段，西南距新疆莎車縣城約130 km，坐標(biāo)：北緯37°57′20″，東經(jīng)76°27′25″，見圖 1。工程是葉爾羌河干流目前唯一在建的控制性水利樞紐工程，任務(wù)集灌溉、發(fā)電、防洪和改善生態(tài)。水利樞紐建筑物主要包括：攔河大壩、導(dǎo)流洞、發(fā)電引水洞、泄洪排沙洞及電站廠房等。水庫(kù)總庫(kù)容22.40×108m3，正常蓄水位1 820 m，最大壩高162.8 m，電站裝機(jī)容量755 MW，年發(fā)電量23.32億kW·h，屬大(1)型Ⅰ等工程。

工程具有“三高一深”的特點(diǎn)，即：高壩位于高地震烈度區(qū)，大壩右岸高邊坡和壩基深厚覆蓋層[1-2]。

2 右岸邊坡地質(zhì)條件

阿爾塔什水利樞紐工程大壩段河水水面高程1 667 m，右岸坡頂高程2 250 m，坡高583 m，屬超高邊坡，高程1 845 m以下坡度為50°～70°，184 5 m以上近似直立(見圖 2)，由此造就了大壩右岸邊坡工程第1大重難點(diǎn)——邊坡高陡。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)右岸邊坡發(fā)育的隨機(jī)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行大量的量測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析，右岸高陡邊坡主要發(fā)育有以下三組結(jié)構(gòu)面，即產(chǎn)狀為NW300°—NE10°∠ 60°～80°的卸荷裂隙，產(chǎn)狀為SW230°∠30°～50°的層面與50°～110°∠50°～70°的結(jié)構(gòu)面。這些結(jié)構(gòu)面與傾向NW或NE的邊坡臨空面相互切割組合，在邊坡表面形成了諸多體積大小不等的潛在不穩(wěn)定塊體。這些塊體在降雨、地震等情況下可能發(fā)生滑塌破壞，直接關(guān)系著大量水利樞紐建構(gòu)筑物以及施工人員的安全。

圖1 阿爾塔什水利樞紐地理位置圖

圖2 阿爾塔什壩址河谷地貌圖

本次研究結(jié)合水工建筑物的布置，對(duì)右岸高邊坡中所存在的潛在不穩(wěn)定體失事所造成的危害大小與損毀建筑物的范圍進(jìn)行了分區(qū)與分類(見圖 3)，通過對(duì)各區(qū)的危巖體進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查與測(cè)量，對(duì)各區(qū)內(nèi)的危巖體方量進(jìn)行了估算，本次研究即針對(duì)其中規(guī)模最大的W19號(hào)危巖體。

圖3 右岸高陡邊坡危巖體分布示意圖

3 W19主要特征及失穩(wěn)模式分析

3.1 主要特征

通過對(duì)W19危巖體進(jìn)行專項(xiàng)調(diào)查與測(cè)量，得出W19分布高程在1 931 m～2 105 m之間，位于壩肩以上陡坡面，出露面積22 320 m2，厚度在4.0 m～34.0 m之間，平均厚度為11.3 m，總方量25.3萬m3。

3.2 失穩(wěn)模式分析

根據(jù)在W19巖體內(nèi)進(jìn)行的調(diào)查與結(jié)構(gòu)面測(cè)量可知，該危巖體屬于楔形體失穩(wěn)破壞模式[3-6]，主要是在右岸高邊坡內(nèi)發(fā)育有三組主要的結(jié)構(gòu)面，分別是傾向NW的陡傾角的卸荷裂隙，傾向SW的中緩傾角的層面，另外還有一組垂直邊坡表面發(fā)育的傾向E/SE的陡傾角的隨機(jī)結(jié)構(gòu)面，在幾組結(jié)構(gòu)面相互組合能夠形成可能失穩(wěn)的楔形體，兩個(gè)底滑面主要是卸荷裂隙和傾向E/SE的陡傾角結(jié)構(gòu)面(見圖 4和圖 5)。

圖4 下游臨空面看W19內(nèi)發(fā)育的卸荷裂隙

圖5 上游臨空面看W19內(nèi)發(fā)育的卸荷裂隙

4 W19穩(wěn)定性分析

通過對(duì)各種方法適用性進(jìn)行對(duì)比分析，采用三維剛體極限平衡法對(duì)W19危巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[7-11]。

4.1 計(jì)算工況與計(jì)算條件

計(jì)算工況選擇在天然狀況、天然狀況考慮降雨和天然狀況遭遇地震三種工況條件下的穩(wěn)定狀況。

關(guān)于降雨工況對(duì)邊坡內(nèi)地下水的考慮。本區(qū)域內(nèi)多年平均降水量51.6 mm，多年平均蒸發(fā)量2 244.9 mm，表明區(qū)內(nèi)降雨量稀少，蒸發(fā)量大。冬季天氣寒冷，最大積雪厚度14 cm。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，壩址區(qū)降雨時(shí)間相對(duì)比較集中，且雨季多在每年的5月—7月，且在壩址區(qū)上下游山前多見泥石流形成的沖洪積扇地貌以及泥石流對(duì)地表侵蝕后形成的沖溝，表明一次極端暴雨的降水量是比較大的。

本次計(jì)算對(duì)危巖體在降雨工況下底滑面的水壓力的處理方式為：假定危巖體不透水，僅在其滑面與后緣面存在地下水。對(duì)于單滑面滑移模式，假定滑面上的孔壓系數(shù)ru=0.1，這里孔壓系數(shù)的定義公式為：

(1)

式中:rw、rd分別為水與巖石的重度，kN/m3；h與H分別為計(jì)算點(diǎn)處的水壓力與塊體高度，m。初步估計(jì)，當(dāng)ru=0.1時(shí)，等價(jià)于滑面上的水頭h為該點(diǎn)處塊體高度H的1/3。

對(duì)于地震工況，工程區(qū)基本烈度為Ⅷ度，設(shè)防烈度取Ⅸ度，工程區(qū)基巖50 a超5%概率水平向動(dòng)峰值加速度0.227g，100 a超2%概率水平向動(dòng)峰值加速度0.32g[12-14]。

本次研究對(duì)阿爾塔什右岸高邊坡的危巖體進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，按100 a超越概率為2%的基巖峰值加速度a=0.320g進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[15](SL 51247—2018)建議，采用剛體極限平衡法進(jìn)行土石壩的抗震穩(wěn)定計(jì)算方法，即通過在每個(gè)土條的重心處施加一個(gè)水平與豎直向地震力，相應(yīng)不同的設(shè)防烈度，規(guī)范規(guī)定了其水平向與豎直向的加速度分量。具體的規(guī)定如下：

圖6 考慮降雨時(shí)坡體內(nèi)地下水及水壓力的分布形式

(1) 計(jì)算地震作用效應(yīng)采用擬靜力法時(shí)，隨建筑物高度作用在質(zhì)點(diǎn)i上水平向地震慣性力代表值采用下式計(jì)算：

Fi=ahξGeiαi/g

式中：Fi為作用在質(zhì)點(diǎn)i上水平向地震慣性力代表值，kN；ah為水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值，m/s2；ξ為地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，一般取值0.25；Gei為集中于質(zhì)點(diǎn)i的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值，kN；αi為質(zhì)點(diǎn)i的動(dòng)態(tài)分布系數(shù)；g為重力加速度，9.8m/s2。

(2) 進(jìn)行抗震計(jì)算當(dāng)采用擬靜力法時(shí)，質(zhì)點(diǎn)i的動(dòng)態(tài)分布系數(shù)αi取值如圖7所示，其中αm在設(shè)計(jì)烈度為7°、8°和9°時(shí)，分別取值3.0、2.5和2.0。

圖7 系數(shù)αi沿高程的分布情況

考慮到危巖體的高度較小，本次計(jì)算時(shí)在其重心處施加一個(gè)沿豎向放大的水平方向的地震加速度，但對(duì)豎直向地震加速度不予考慮。

4.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算時(shí)各結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 不同類型結(jié)構(gòu)面的參數(shù)建議值與計(jì)算取值

注：巖石重度γ=27 kN/m3。

在本次計(jì)算中，對(duì)于邊坡中發(fā)育的陡傾角卸荷裂隙，其抗剪強(qiáng)度參數(shù)按張開有充填物的結(jié)構(gòu)面取值，對(duì)巖層層面按有泥膜的巖層層面參數(shù)取值，參考周邊其他類似工程摩擦系數(shù)f和黏聚力c(MPa)均取較大值更穩(wěn)妥，其它結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)按閉合結(jié)構(gòu)面取值。

對(duì)于安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)取值，據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》[16](SL 386—2007)，阿爾塔什水利樞紐為大(1)型一等工程，考慮到右岸邊坡安全在整個(gè)樞紐工程中的重要性，將右岸邊坡級(jí)別設(shè)為I級(jí)，在進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算時(shí)，天然狀況、正常蓄水位工況下安全系數(shù)取值大于1.25，地震工況下安全系數(shù)取值大于1.10。

4.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)對(duì)W19危巖體現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該危巖體內(nèi)卸荷裂隙十分發(fā)育，其出露情況見圖4、圖5。在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該區(qū)發(fā)育的隨機(jī)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了大量的量測(cè)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖8。

圖8 危巖體W19分區(qū)的結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，該區(qū)主要發(fā)育有以下2組結(jié)構(gòu)面：

(1) J1：5°∠80°，卸荷裂隙。

(2) J2：230°∠30°，層面。

邊坡面的產(chǎn)狀為0°∠70°，交棱線產(chǎn)狀為278.8°∠20.8°。

該危巖體在下游方向臨空，其產(chǎn)狀為30°∠70°。該分區(qū)的失穩(wěn)模式見圖9。從圖中可以看出，因J1與J2的交棱線位于滑動(dòng)區(qū)，可能會(huì)發(fā)生楔體破壞。結(jié)構(gòu)面相互切割形成的塊體的空間形狀見圖10。

圖9 危巖體W19區(qū)的失穩(wěn)模式圖

圖10 由結(jié)構(gòu)面切割形成的危巖體W19空間形狀

經(jīng)計(jì)算，該塊體的幾何參數(shù)為：

① 塊體體積V=25.3×104m3。

② 塊體自重W=717.79×104kN。

③ 底滑面J1面積：22 127 m2。

④ 底滑面J2面積：5 468.2 m2。

在進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，卸荷裂隙參數(shù)按“張開有充填物的卸荷裂隙”的參數(shù)取值，層面按“有泥膜的巖層層面”的參數(shù)取值，表2列出了該塊體各工況下的穩(wěn)定分析成果。

表2 危巖體W19各工況下的穩(wěn)定分析成果

4.4 敏感性分析

考慮到W19危巖體的重要性，此小節(jié)對(duì)卸荷裂隙的傾向作敏感性分析[17]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)面的量測(cè)結(jié)果，W19發(fā)育的卸荷裂隙的產(chǎn)狀NW330°—NE20°∠50°～80°，而邊坡面的平均產(chǎn)狀為0°∠70°。這表明隨著卸荷裂隙的產(chǎn)狀由NW向NE方向過渡時(shí)，與層面的交棱線方向在上游方向由走向山里逐漸向臨空面過渡。受地形的限制，若要使卸荷裂隙與層面相互組合在邊坡面上形成可動(dòng)塊體，卸荷裂隙與層面的交棱線在上下游方向與邊坡面存在交點(diǎn)。此外，當(dāng)卸荷裂隙的傾向由NW向NE向過渡時(shí)，其與層面的交棱線的傾角逐漸變緩，同時(shí)所形成的塊體體積也逐漸變大。

(1) 卸荷裂隙的產(chǎn)狀為350°∠80°，層面產(chǎn)狀為220°∠50°，交棱線產(chǎn)狀268.07°∠38.53°。

圖11為由結(jié)構(gòu)面切割形成的塊體的空間形狀。該塊體的幾何參數(shù)為：

① 塊體體積V=2.34×104m3。

② 塊體自重W=63.44×104kN。

③ 側(cè)滑面(卸荷裂隙J1)的面積：5 811.4 m2。

④ 底滑面(層面J2)的面積：879.67 m2。

表3列出了相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

表3 卸荷裂隙產(chǎn)狀為350°∠80°時(shí)危巖體W19各工況下的穩(wěn)定分析成果

注：考慮極端降雨工況時(shí)，受側(cè)滑面揚(yáng)壓力作用，塊體將脫離側(cè)滑面沿層面單面滑動(dòng)。

(2) 卸荷裂隙產(chǎn)狀為0°∠80°，層面產(chǎn)狀為220°∠50°，交棱線產(chǎn)狀276.64°∠33.24°。

圖12為由結(jié)構(gòu)面切割形成的空間塊體形狀，該塊體的幾何參數(shù)為：

圖11 卸荷裂隙產(chǎn)狀為350°∠80°時(shí)切割形成的塊體的空間形狀

① 塊體體積V=12.69×104m3。

② 塊體自重W=342.89×104kN。

③ 側(cè)滑面(卸荷裂隙J1)的面積為：15 383 m2。

④ 底滑面(層面J2)的面積為：2 904 m2。

表4列出了相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

表4 卸荷裂隙產(chǎn)狀為0°∠80°時(shí)危巖體W19各工況下的穩(wěn)定分析成果

注：考慮極端降雨工況時(shí)，受側(cè)滑面揚(yáng)壓力作用，塊體將脫離側(cè)滑面沿層面單面滑動(dòng)。

圖12 卸荷裂隙產(chǎn)狀為0°∠80°時(shí)切割形成的塊體的空間形狀

5 結(jié) 論

采用三維剛體極限平衡法對(duì)阿爾塔什右岸邊坡表面分布的危巖體W19進(jìn)行了穩(wěn)定性分析研究，結(jié)果表明：

(1) 危巖體W19巖層層面傾向坡里(層面產(chǎn)狀為230°∠30°)，且走向與邊坡走向基本平行，而卸荷裂隙傾向坡外(卸荷裂隙產(chǎn)狀為5°∠80°)，且走向與邊坡面基本平行(邊坡面產(chǎn)狀為0°∠70°)，這一特定的組合模式導(dǎo)致了交棱線傾向上游且傾角相對(duì)較緩，從而使的楔體的穩(wěn)定性較好，在不同工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

(2) 卸荷裂隙產(chǎn)狀為350°∠80°，層面產(chǎn)狀為220°∠50°和卸荷裂隙產(chǎn)狀為0°∠80°，層面產(chǎn)狀為220°∠50°在極端降雨工況時(shí)，受側(cè)滑面揚(yáng)壓力作用，塊體將脫離側(cè)滑面沿層面單面滑動(dòng)，滑動(dòng)塊體體積分別為2.34×104m3和12.69×104m3，需盡量清除表面危巖孤石，然后采用錨桿結(jié)合主被動(dòng)柔性防護(hù)技術(shù)以及錨索結(jié)合框格梁進(jìn)行支護(hù)。