大石門水利樞紐工程壩后左岸高邊坡處理及穩(wěn)定分析

董武斌

(水利部新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的水利工程項目越來越多。但是，有些工程由于邊坡失穩(wěn)而造成了重大工程事故，不但遭受了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且造成了人員傷亡。所以，高邊坡的穩(wěn)定已成為我國水利水電工程中一個比較嚴(yán)峻的問題，它不但直接關(guān)系著工程修建的可行性，而且對工程的建設(shè)投資和安全運行有很大影響，甚至嚴(yán)重制約著工程的進(jìn)度和項目建設(shè)投產(chǎn)運行的成敗。工程上一般常把高邊坡的坡度在30°～60°稱為陡坡，60°～90°稱為急坡[1]。

邊坡工程巖土特性復(fù)雜多變，破壞模式、計算參數(shù)及計算理論等都存在諸多的不確定性，所以在邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的分析與處理過程中，一定要充分考慮這些不確定因素，找出邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的具體原因，并得出正確的分析結(jié)論及處理建議，消除造成該結(jié)構(gòu)變形的因素，使結(jié)構(gòu)重新恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，并保證結(jié)構(gòu)在處理之后可以安全使用[2]。

1 工程概況[3]

大石門水利樞紐工程位于新疆且末縣車爾臣河中游河段，是一項以灌溉、防洪為主，兼有發(fā)電等綜合利用的水利工程?？値烊?.27×108m3；攔河壩最大壩高132.8 m，電站裝機(jī)60 MW，發(fā)電引水流量82.0 m3/s。大石門水利樞紐工程為Ⅱ等大(Ⅱ)型工程，電站廠房為3級建筑物[4]，根據(jù)邊坡失穩(wěn)對建筑物的危害程度確定大壩下游廠房左岸邊坡為3級邊坡[5]?？拐鹪O(shè)計烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度取為0.26 g。

2 邊坡地質(zhì)條件

大壩后壩坡左側(cè)岸坡自然坡度約63°～70°，坡高壁陡，坡頂高達(dá)166 m，上部為上更新統(tǒng)砂卵礫石層(Q3al) ，厚35～40 m；中部為中更新統(tǒng)砂卵礫石層(Q2al) ，厚95～100 m；下部為侏羅系泥巖、砂巖夾煤層。

3 原始邊坡穩(wěn)定安全性分析[6]

3.1 計算原理

本工程邊坡開挖前后的邊坡穩(wěn)定計算采用FLAC3D計算，F(xiàn)LAC3D中高邊坡安全系數(shù)計算采用的是強(qiáng)度折減系數(shù)法。強(qiáng)度折減法為使坡體剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，對其強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，F(xiàn)LAC3D中采用的是摩爾-庫倫準(zhǔn)則(Mohr-Coulumb)，影響邊坡穩(wěn)定性的參數(shù)為黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，將原始黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ同時除以一個折減系數(shù)K，然后進(jìn)行數(shù)值計算。通過不斷增大或減小K值，反復(fù)進(jìn)行計算直至達(dá)到臨界破壞狀態(tài)。假設(shè)此時的黏聚力和內(nèi)摩擦角為ccr和φcr，所對應(yīng)的安全系數(shù)為Kcr=1，可以得到邊坡的安全系數(shù)為：

3.2 邊坡模型及穩(wěn)定分析

通過FLAC3D及fish函數(shù)的計算，得到整個模型在邊坡開挖前后的安全系數(shù)，之后再來確定邊坡的穩(wěn)定性，同時可以預(yù)測最危險滑動體的位置，以便后期施工采取相應(yīng)的工程措施進(jìn)行防護(hù)。見圖1、圖2。

圖1 左岸高邊坡削坡前網(wǎng)格模型示意圖

圖2 左岸高邊坡削坡后網(wǎng)格模型示意圖

利用FLAC3D對開挖前整體模型進(jìn)行穩(wěn)定性計算。模型整體基本穩(wěn)定，安全系數(shù)達(dá)到1.15，最危險滑動體出現(xiàn)在待開挖的邊坡范圍附近，最大剪應(yīng)變率為5.48e-3，位于坡腳附近，也是滑動體最有可能滑出的位置。

由于上游左壩肩外存在砂礫石覆蓋的巨厚古河槽，長度超過2 km，雖然經(jīng)過灌漿處理，但處理長度未及古河槽邊界，范圍較小，左壩肩仍存在繞壩滲流的情況。

壩后左岸原始邊坡內(nèi)部砂礫石含水量低，Q2al區(qū)域砂礫石呈現(xiàn)膠結(jié)。水庫蓄水后，由于存在繞壩滲流的情況，大壩下游左岸砂礫石邊坡內(nèi)部存在一定程度的滲水，對原有邊坡的穩(wěn)定將造成不利影響。見圖3、圖4。

圖3 邊坡開挖前整體穩(wěn)定性分析

圖4 典型剖面原始邊坡剪應(yīng)變率云圖及速度矢量

4 邊坡處理方案

該左岸高邊坡緊臨電站廠址區(qū)，最近距離約40 m，蓄水后邊坡易失去穩(wěn)定，對工程產(chǎn)生不利影響。對大壩下游左岸砂礫石岸坡進(jìn)行處理，砂礫石岸坡削坡高度約134 m，該邊坡級別為3級，對建筑物危害程度為嚴(yán)重，確定需對該高陡邊坡進(jìn)行削坡處理。邊坡開挖底高程自下部基巖面開始，確定邊坡開挖高程為2 216 m，邊坡開挖坡度1∶1，每10 m設(shè)一馬道[7]，馬道寬2 m，在高程2 266及2 306 m處各設(shè)一級寬8 m馬道，底部砂礫石與基巖接觸面馬道寬5 m。邊坡采用掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)[8]，2 266 m以下高程邊坡布置φ100排水管[9]，各級寬馬道處布置排水溝與順坡面布置的5處排水溝相連，將坡面雨水排至下游河道。高邊坡寬馬道平臺處各設(shè)置一道被動防護(hù)網(wǎng)對落石進(jìn)行多級攔護(hù)，另在上壩交通洞及廠房交通洞洞頂布置鋼制φ75排水[10]花管，向上深入約30 m，以利于排出繞壩滲流至邊坡的內(nèi)水。見圖5、圖6。

圖5 高邊坡開挖平面示意圖

圖6 高邊坡處理典型剖面圖

5 開挖邊坡穩(wěn)定分析計算

利用FLAC3D對開挖后前整體模型進(jìn)行穩(wěn)定性計算。邊坡開挖后模型整體較為穩(wěn)定，安全系數(shù)達(dá)到1.47，邊坡的最大剪應(yīng)變率相比開挖前降低很多，開挖邊坡后新坡面的安全系數(shù)有所提高。見圖7、圖8。

圖7 邊坡開挖后整體穩(wěn)定性分析

圖8 開挖完成后典型剖面剪應(yīng)變率云圖及速度矢量

施工期為保證河谷施工區(qū)人員設(shè)施安全，通過對不同開挖高程時邊坡的穩(wěn)定進(jìn)行分析。施工期最危險的滑動面出現(xiàn)在當(dāng)邊坡自上部開挖約40 m時。由于應(yīng)力釋放，坡面向上及向外側(cè)發(fā)生位移，危險滑動面出現(xiàn)在外坡面表層。經(jīng)計算，邊坡表層危險滑動面安全系數(shù)為1.13。見圖9。

圖9 施工期開挖邊坡最危險滑動面分析

6 結(jié) 語

綜上所述，原始邊坡基本穩(wěn)定，但工程建成后，受壩肩的滲流及壩后泄洪建筑物泄洪的影響，存在滑坡危險。對邊坡進(jìn)行開挖噴護(hù)處理，并且在邊坡內(nèi)布設(shè)排水洞，排出壩肩可能存在的滲水。經(jīng)過處理后，消除了邊坡滑坡的危險，保證了壩后交通設(shè)施以及廠房的安全。

經(jīng)對施工期邊坡開挖不同高程時的邊坡穩(wěn)定計算，在邊坡開挖至第四級時，邊坡外表層穩(wěn)定性較低。本工程邊坡開挖施工過程中，通過對外邊坡表層進(jìn)行預(yù)處理，并對邊坡進(jìn)行變形觀測及采取合理組織施工進(jìn)度，將施工進(jìn)度計劃里非關(guān)鍵線路的廠房施工安排在邊坡處理完成后。現(xiàn)大石門水利樞紐過程大壩下游左岸高邊坡與廠房已完成，在整個施工過程中未發(fā)生危害人員安全、工程安全的滑坡以及落石傷人，初步達(dá)到了邊坡處理的預(yù)期效果。