涔天河水庫擴(kuò)建工程2#導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口高邊坡穩(wěn)定性分析

王強(qiáng)翔

涔天河水庫擴(kuò)建工程是國務(wù)院確定的172項(xiàng)重大水利工程，位于湘江支流瀟水上游峽谷出口處，距湖南省江華縣城13 km，是一座具有灌溉、防洪、下游補(bǔ)水和發(fā)電，兼顧航運(yùn)等綜合利用效益的大（Ⅰ）型水利水電工程。水庫正常蓄水位313 m，面板堆石壩最大壩高114 m，總庫容15.1億m3，灌溉面積7.43萬hm2（111.46萬畝），年均發(fā)電量4.556億kW·h。大壩為混凝土面板堆石壩，泄洪建筑物為右岸2條泄洪洞，其中2#導(dǎo)流泄洪洞為本工程主要泄洪建筑物，施工期結(jié)合導(dǎo)流，其進(jìn)口開挖邊坡高約150 m，根據(jù)建筑物級別，施工期邊坡級別為4級，永久邊坡級別為1級。該邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，屬順層邊坡，且層間夾多條軟弱結(jié)構(gòu)面，開挖切腳后，邊坡穩(wěn)定問題十分突出，研究開挖邊坡穩(wěn)定性具有很現(xiàn)實(shí)的意義。

1 邊坡基本地質(zhì)條件

2#導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口位于水庫右岸，距面板堆石壩軸線約400 m，地面高程220～520 m，邊坡陡峻，坡度40°～60°，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)流洞進(jìn)口開挖邊坡開口線高程約390 m，底板高程238 m，開挖邊坡總高度約150 m，分11級開挖，每級開挖高度10～15 m，開挖坡比1∶0.3～1∶0.5，馬道寬度2～3 m。

邊坡巖性主要由泥盆系下統(tǒng)（D11～D16）的紫、暗紫色中厚層-厚層狀石英砂巖夾砂巖及粉砂巖，巖石 軟 硬 相 間，單 層 厚0.25～1.5 m，發(fā) 育Pn3-1、Pn3-2、Pn3-3、Pn5-1等5條破碎夾泥層，屬泥夾巖屑型，其連續(xù)性好，寬度一般5～20 m。

邊坡巖層產(chǎn)狀整體上以N10°～30°E.NW∠17°～35°為主，部分受構(gòu)造影響，局部傾角變陡達(dá)42°，傾向坡外。主要斷層構(gòu)造有F21和F276，其中F21產(chǎn)狀N25°～30°E.NW～SE∠65°～70°，破碎帶寬1～2 m，局部達(dá)3 m，充填碎裂巖及斷層泥，位于邊坡的下游沖溝內(nèi)；F276斷層，產(chǎn)狀N5°～20°E.NE∠80°～85°，破碎帶寬1～1.5 m，碎裂巖為主，夾斷層泥，膠結(jié)較差，分布在邊坡的中部，沿在EL324公路樁號R0+280左右內(nèi)側(cè)壁往上游延伸。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育3組節(jié)理裂隙：①N15°～45°E.SE∠67°～88°，面較平直，微張，延伸長3～8 m，其走向與坡向近平行。②N35°～65°W.NE∠63°～85°，面稍起伏，閉合-微張，延伸不長，間距0.2 m/條。③N52°～61°W.SW∠70°～88°，面較平直，閉合-微張，延伸不長，間距0.1～0.2 m/條。

邊坡區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水，接受大氣降水補(bǔ)給，沿?cái)鄬蛹肮?jié)理排泄于河谷，泉水流量一般較小，久旱干枯，地下水位埋深6～38 m。

2 邊坡巖體及軟弱結(jié)構(gòu)面特征

2.1 巖體特征

邊坡巖石軟硬相間，上部強(qiáng)風(fēng)化帶厚4～23 m，屬層狀碎裂結(jié)構(gòu)，局部為散體結(jié)構(gòu)，巖體基本質(zhì)量級別為Ⅴ～Ⅵ；弱風(fēng)化帶厚20～30 m，屬層狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖體基本質(zhì)量級別為Ⅲ；微風(fēng)化巖性堅(jiān)硬，呈次塊狀、中厚層狀結(jié)構(gòu)，巖體基本質(zhì)量級別為Ⅲ～Ⅱ。邊坡巖體質(zhì)量分級見表1。

2.2 軟弱結(jié)構(gòu)面特征

邊坡中的軟弱結(jié)構(gòu)面主要是由于巖體在構(gòu)造應(yīng)力作用下，沿軟、硬巖層接觸帶或軟巖內(nèi)部發(fā)生層間剪切錯(cuò)動(dòng)，剪切錯(cuò)動(dòng)帶受到多期構(gòu)造變動(dòng)而發(fā)生剪切破壞，形成大量細(xì)顆粒物質(zhì)和裂隙，在地下水的作用下進(jìn)一步軟化泥化，從而形成軟弱夾層，屬于構(gòu)造型結(jié)構(gòu)面，抗剪強(qiáng)度低。根據(jù)顆分成果軟弱結(jié)構(gòu)面中的礫、碎塊占52%～84%，細(xì)至粗砂狀顆粒占8.1%～25.3%，粉粒占4%～18%，黏粒占9.5%～30%，屬泥夾巖屑型。主要黏土礦物為伊利石，次要礦物為高嶺石、綠泥石，碎屑礦物為石英、長石、方解石；化學(xué)成分主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等；其 物 理特性及現(xiàn)場力學(xué)試驗(yàn)成果見表2、3。

表2 涔天河水庫擴(kuò)建工程邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面物理性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

表3 涔天河水庫擴(kuò)建工程現(xiàn)場軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪試驗(yàn)成果匯總表

3 邊坡穩(wěn)定性分析評價(jià)

3.1 邊坡計(jì)算方法與模型

3.1.1 計(jì)算方法

3.1.1.1 剛體極限平衡法

剛體極限平衡法將滑移的各塊巖體視為剛體，只考慮滑體上力的平衡，不考慮力矩的平衡條件。采用極限平衡理論，以軟弱結(jié)構(gòu)面為底滑面，根據(jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及出露位置，結(jié)合開挖設(shè)計(jì)平臺高程分層計(jì)算上部邊坡穩(wěn)定。計(jì)算公式：

式中W——滑體重力；

V——后緣靜水壓力；

U——滑面揚(yáng)壓力；

T——錨固力；

α——滑面與水平面夾角；

β——錨桿（錨索）與滑面夾角；

c——黏聚力，kPa；

L——滑面長度。

3.1.1.2 有限元強(qiáng)度折減法

有限元計(jì)算采用商用GTS NX軟件，用強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，極限狀態(tài)判斷將采用位移突變、計(jì)算不平衡力收斂突變等因素綜合分析確定強(qiáng)度折減穩(wěn)定系數(shù)。

3.1.2 模型規(guī)劃

極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法均以2#導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)邊坡地質(zhì)縱剖面為計(jì)算斷面，二維、三維有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算模型，如圖1、2所示。本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則及廣義霍克布朗本構(gòu)。

3.2 邊坡計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場及室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)成果、基于Hoek-Brown準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)估算及相關(guān)工程類比，確定邊坡計(jì)算的物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 邊坡計(jì)算巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 邊坡計(jì)算成果

通過計(jì)算，將邊坡極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法成果匯總于表4。

表4 邊坡施工期穩(wěn)定性計(jì)算成果表

3.4 邊坡穩(wěn)定性分析評價(jià)

通過地質(zhì)測繪、調(diào)查，結(jié)合勘探鉆孔資料，定性分析認(rèn)為2#導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口邊坡穩(wěn)定性較差。其主要原因有以下幾方面：（1）該邊坡巖層產(chǎn)狀與坡向同向，傾角一般17°～35°，部分傾角變陡達(dá)42°，屬順層邊坡，層間發(fā)育多條連續(xù)性較好泥夾巖屑型軟弱結(jié)構(gòu)面，其抗剪強(qiáng)度低，為邊坡提供了良好的滑動(dòng)面；（2）該處正處于F21及F276兩條斷層所夾的三角地帶，受斷層影響，邊坡巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，鉆孔揭露強(qiáng)風(fēng)化下限最深達(dá)23 m左右，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性差，邊坡開挖切腳后，極易沿軟弱結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)順層滑動(dòng)變形，邊坡穩(wěn)性問題十分突出。

此外，通過剛體極限平衡法與有限元計(jì)算成果表明，各種方法計(jì)算的安全系數(shù)規(guī)律基本一致，數(shù)值可相互印證，施工期安全系數(shù)均在1.0左右，邊坡開挖過程中塑性區(qū)多沿軟弱結(jié)構(gòu)面貫通，水平位移在厘米級以上，開挖邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)不能滿足規(guī)范要求，需進(jìn)行支護(hù)處理才能保證邊坡安全。

4 結(jié) 語

涔天河水庫擴(kuò)建工程2#導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口開挖邊坡為順層巖質(zhì)高邊坡，且含多條泥夾巖屑型軟弱結(jié)構(gòu)面，受構(gòu)造影響，巖體完整性較差，在高邊坡開挖過程中極易產(chǎn)生沿軟弱結(jié)構(gòu)面的順層滑動(dòng)，通過剛體極限平衡法和有限元法計(jì)算也印證，邊坡穩(wěn)定性差，安全系數(shù)不能滿足規(guī)范要求，需采取支護(hù)措施才能保證高邊坡安全穩(wěn)定。