楊房溝水電站左岸壩肩邊坡斷層f37變形機制及其加固設計

李 錦 成， 殷 亮

(1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

在我國西部高山峽谷地區(qū)，巖石高邊坡是工程建設中的主要地質環(huán)境和工程承載體，巖石高邊坡穩(wěn)定性不僅是一個強度穩(wěn)定性問題，更是一個變形穩(wěn)定性問題[1]。受多期地質構造作用和強烈的河谷動力學過程影響，邊坡形成了眾多特殊的或復雜的變形破裂現(xiàn)象[2]。張正虎等[3]結合工程地質條件和監(jiān)測資料分析了長河壩水電站左壩肩邊坡變形機制，認為該邊坡變形破壞模式主要為滑移—拉裂破壞和傾倒—拉裂破壞。

1 楊房溝水電站左岸壩肩邊坡變形機制

楊房溝水電站為一等大(1)工程，樞紐主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩高155 m，壩頂高程2 102 m。壩址區(qū)河谷狹窄、邊坡高陡，為典型深切“V”型河谷地形，主要為燕山期花崗閃長巖，巖體堅硬完整、風化卸荷較弱，坡體非連續(xù)面發(fā)育，地應力水平中等。

壩址區(qū)邊坡開挖揭示巖體以Ⅲ類為主，局部較破碎，巖體呈次塊狀～鑲嵌結構，邊坡整體穩(wěn)定性較好。根據左岸壩肩邊坡開挖揭示情況，斷層f37具有分布范圍較大、產狀偏轉明顯、局部影響帶較寬等典型特征，使其對邊坡變形及穩(wěn)定性的影響隨邊坡開挖而趨于復雜化。斷層f37在高程2 190 m以上產狀N75～80°W，SW∠45～50°，在高程2 190 m以下產狀變?yōu)镹40～60°W，SW∠60°。斷層f37影響帶寬為10～15 cm，帶內巖塊巖屑填充、鐵錳渲染較嚴重。以高程2 190 m為界，走向變化約20°～30°，傾角變化約10°～15°，即斷層f37由原來的與開挖坡面呈“中等角度相交”變?yōu)榱恕敖叫谢蛐〗嵌认嘟弧钡那闆r，整體上對纜機平臺及以下邊坡穩(wěn)定性較為不利。

施工過程中，在左岸壩肩邊坡上游側高程2 145～2 130 m梯段爆破后，纜機平臺出現(xiàn)了沿斷層f37的變形開裂現(xiàn)象，縫寬約在1～2 mm，其對后續(xù)工程施工安全與邊坡穩(wěn)定影響較大，深入分析該邊坡的變形破壞機制非常重要。圖1為左岸壩肩邊坡斷層f37延伸情況及變形特征。

圖1 左岸壩肩邊坡斷層f37延伸情況及變形特征

筆者結合現(xiàn)場工程地質調查和監(jiān)測成果，采用三維塊體離散元方法，對上述典型工程問題開展研究工作，通過分析復核在斷層f37影響下邊坡的變形機制及穩(wěn)定性特征，評估針對性加固處理方案的可行性和合理性，為現(xiàn)場決策提供技術支撐。

2 左岸邊坡斷層f37變形機制數(shù)值模擬分析

2.1 分析方法

近年來，對巖體非連續(xù)力學行為的模擬一直是一個難點，同時也是巖體工程研究的熱點。DDA、離散元法[4]、界面元法等非連續(xù)數(shù)值分析方法已應運而生，并逐步形成了可供工程實踐應用的商業(yè)化程序。其中，3DEC(Three-dimension Distinct Element Code)是一款基于塊體離散單元法作為基本理論，用以描述離散介質力學行為的計算分析程序，其作為一種非連續(xù)力學分析方法，可再現(xiàn)巖體中結構面產生的非連續(xù)變形、甚至完全脫離的行為，同時也可以模擬巖塊的連續(xù)變形特征。該研究采用ITASCA公司Peter Cundall院士等人開發(fā)的3DEC程序，該離散單元方法在處理非連續(xù)變形問題和結構面控制型巖體穩(wěn)定問題上具有顯著優(yōu)勢，能夠方便地模擬各類地質構造面，適用于節(jié)理巖質高邊坡的開挖變形響應及穩(wěn)定分析。

2.2 三維數(shù)值模型與參數(shù)選取

三維數(shù)值模型中巖體物理力學參數(shù)主要基于地質建議值和監(jiān)測反饋分析成果，并結合實際開挖揭示條件、聲波檢測成果等綜合擬定，具體巖體物理力學參數(shù)取值見表1。巖體本構模型采用摩爾庫倫彈塑性本構模型，該準則是傳統(tǒng)Mohr-Coulomb剪切屈服準則與拉伸屈服準則相結合的復合屈服準則。

表1 巖體物理力學參數(shù)取值表

針對結構面的模擬將選用接觸面模型，接觸面的破壞準則基于庫侖剪切強度準則。根據邊坡實際開挖揭露地質情況，結合壩址區(qū)巖體結構面力學指標建議值，并參考相關規(guī)范規(guī)程，巖體結構面力學參數(shù)取值見表2。

表2 巖體結構面力學參數(shù)取值

2.3 左岸壩肩邊坡開挖變形響應特征分析

針對左岸壩肩邊坡梯段開挖過程進行動態(tài)仿真數(shù)值模擬，分析不同開挖階段的卸荷變形、結構面非連續(xù)變形演化特征。開挖至高程2 190 m時(圖2左側)，邊坡以向上的卸荷回彈變形為主，受斷層f37影響，斷層兩側巖體表現(xiàn)出輕微的非連續(xù)變形特征，其中上盤巖體的卸荷回彈變形較大，一般在10～14 mm。開挖至高程2 140 m時(圖2右側)，邊坡仍以卸荷回彈變形為主，新開挖階段的累計變形一般在5～8 mm，其中斷層f37影響區(qū)域的變形量一般可達10～12 mm。在高程2 190 m處斷層f37上盤巖體仍表現(xiàn)為向上的卸荷變形特征，累計變形一般在15～17 mm。

圖2 左岸壩肩邊坡不同開挖階段累計變形特征

由此可見，在邊坡開挖過程中，隨著順坡向傾坡外斷層f37在開挖坡面的逐步出露，其上、下盤巖體的非連續(xù)變形特征逐步顯現(xiàn)，其中上盤巖體的開挖卸荷變形特征相對突出，在斷層出露部位的薄層巖體表現(xiàn)出一定的松弛特征。從變形發(fā)展趨勢看，該差異變形現(xiàn)象將會持續(xù)直至斷層f37在開挖面完全揭露為止。斷層f37的變形響應特征則主要受結構面性狀、賦存地應力條件、爆破控制以及后續(xù)針對性加強錨固方案等因素共同影響。

“無支護條件”情況下，左岸壩肩邊坡開挖至高程2 102 m累計變形特征預測情況見圖3。與前一開挖階段相比，斷層f37上盤巖體松弛特征明顯，變形增長可達到25～35 mm，斷層上、下盤巖體表現(xiàn)為明顯的錯動變形。若不針對斷層f37影響區(qū)進行加固處理，將會出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)風險。

圖3 左岸壩肩邊坡開挖至高程2 102 m累計變形特征(無支護條件預測)

2.4 左岸壩肩邊坡斷層f37變形機制分析

將左岸纜機平臺高程2 190 m以下邊坡開挖簡化為三個典型階段進行對比分析：高程2 190～2 160 m梯段、高程2 160～2 145 m梯段、高程2 145～2 135 m梯段。圖4分別給出了三個典型的開挖階段垂直向下變形增量分布情況，圖5為高程2 145～2 135 m梯段開挖變形增量及矢量分布特征。結合前文邊坡開挖總變形響應特征，有如下特點：

(1)在高程2 190～2 160 m梯段開挖后，斷層f37逐步在坡面靠上游側出露，受其影響巖體變形以斜向上游側的卸荷回彈變形為主，垂直向下(下沉)變形特征不明顯。

(2)在高程2 160～2 145 m梯段開挖后，局部巖體沿斷層f37出現(xiàn)了輕微的垂直向下(下沉)變形特征，量值在1 mm左右。

(3)在高程2 145～2 135 m梯段開挖后，斷層f37在坡面靠上游側完全揭示，其在臨時坡腳的出露范圍也逐漸變廣(推測f37將在EL.2130 m全面揭露)，其上盤巖體漸變單薄、承載能力降低，此階段的變形增長和二次應力調整均相對強烈，并表現(xiàn)出一定的卸荷松弛特征。邊坡沿f37產生了相對明顯的斜向下卸荷松弛變形現(xiàn)象，量值可達到2～5 mm。在纜機平臺處斷層f37上盤部分巖體表現(xiàn)出相對明顯的下沉變形特征，量值可達到1～3 mm。

圖4 邊坡高程2 190～2 135 m典型開挖階段的垂直向下變形增量

圖5 邊坡高程2 145～2 135 m梯段開挖變形增量及矢量分布

因此，在邊坡開挖卸荷作用下，斷層f37上、下盤巖體表現(xiàn)出了一定的非連續(xù)變形特征和卸荷松弛現(xiàn)象，且隨著斷層f37在開挖坡面的逐步揭露而趨于明顯。其中高程2 145～2 135 m梯段開挖對上部邊坡的影響相對顯著，這應是在纜機平臺沿斷層f37出現(xiàn)變形開裂現(xiàn)象的主要原因。

3 針對性加固設計方案與穩(wěn)定性分析

3.1 針對性加固設計方案

針對左岸壩肩邊坡受斷層f37影響區(qū)穩(wěn)定性較差的情況，為滿足邊坡繼續(xù)下挖及纜機運行等邊坡穩(wěn)定要求，通過深入分析論證擬定了針對性的左岸壩肩邊坡斷層f37加強支護處理措施(圖6)。結合現(xiàn)場施工安排，提出了分期實施的加固處理方案。

圖6 左岸壩肩邊坡斷層f37加強支護處理典型剖面圖

(1)一期加強支護措施。必須在高程2133 m以下邊坡開挖及纜機基礎混凝土澆筑前完成，主要包括：①高程2 162～2 182 m共布置5排2 000 kN預應力錨索，L=30 m/40 m間隔布置，高差×水平距離5 m×5 m，下傾15°。錨索之間設混凝土聯(lián)系梁(30 cm×40 cm)，錨墩與聯(lián)系梁需澆筑形成整體。②考慮到高程2 160 m以下塊體較薄，在高程2 143 m布置1排2 000 kN預應力錨索，L=30 m/40 m間隔布置，間距5 m，下傾15°。在高程2 133 m附近布置一排鎖口錨筋樁332，L=9 m，間距2 m。

(2)二期加強支護措施。必須在纜機運行前完成，主要包括：高程2 138 m、2 150 m、2 155 m共布置3排2 000 kN預應力錨索，L=30 m/40 m間隔布置，間距5 m，下傾15°。錨索之間設混凝土聯(lián)系梁(30 cm×40 cm)，錨墩與聯(lián)系梁需澆筑形成整體。

3.2 針對性加強支護處理方案評價

根據現(xiàn)場開挖揭露的巖體結構特征，在左岸纜機平臺以下邊坡組合形成潛在不利塊體A(f37+f169+優(yōu)勢節(jié)理)、塊體B(f37+f166+優(yōu)勢節(jié)理)、塊體C(f169+f166+優(yōu)勢節(jié)理)，三個不利塊體均以f37為潛在底滑面，其空間分布見圖7。

圖7 左岸纜機平臺以下邊坡與斷層f37相關的潛在不利塊體

基于離散元強度折減法，根據擬定的加強支護處理方案(計算中僅考慮預應力錨索加固效果，掛網噴混凝土、錨桿、錨筋樁等均作為安全儲備)，計算出各種工況下塊體穩(wěn)定安全系數(shù)見表3。

表3 各種工況下塊體穩(wěn)定安全系數(shù)

采用三維塊體離散元方法，對斷層f37影響區(qū)潛在不利塊體的穩(wěn)定分析成果表明：

①無支護狀態(tài)下，塊體A、塊體B安全系數(shù)均小于1.0，無法滿足穩(wěn)定安全要求。

②高程2 187～2 160 m布置5排2 000 kN預應力錨索支護后，各種工況下塊體穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，即：完成一期加強支護措施后，邊坡具備繼續(xù)開挖及纜機基礎混凝土澆筑的條件。

③高程2 187～2 130 m布置9排2 000 kN預應力錨索支護后，各種工況下塊體穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，即擬定的加強支護處理方案可以能夠滿足纜機運行期、工程永久邊坡穩(wěn)定要求。

4 針對性加固效果分析復核

4.1 數(shù)值反饋分析論證

在斷層f37采用針對性加強支護處理方案下，左岸壩肩邊坡開挖至高程2 102 m的累計變形特征見圖8?？梢钥闯觯瑪鄬觙37影響區(qū)域巖體變形增長明顯降低，最大變形一般僅在10～15 mm，表明設計擬定的加強支護處理方案對巖體變形起到了較好的控制作用，方案合理可行，能夠確保施工期、纜機運行期、工程永久邊坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求[5]。

圖8 針對性加強支護條件下，左岸壩肩邊坡開挖至高程2 102 m累計變形特征

4.2 監(jiān)測成果分析論證

針對斷層f37的加強支護處理措施實施以后，斷層f37影響區(qū)的相關監(jiān)測成果均處于平穩(wěn)狀態(tài)，無持續(xù)變形或其他異?，F(xiàn)象。圖9展示了典型測點的變形過程線，累計變形在7 mm左右，且趨于收斂穩(wěn)定。表明針對性加強支護處理措施對控制邊坡變形作用十分明顯，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 左岸壩肩邊坡典型測點測值過程線

5 結 語

筆者針對楊房溝水電站左岸壩肩邊坡受斷層f37影響下的變形機制及穩(wěn)定特征，采用基于非連續(xù)方法的三維離散元(3DEC程序)進行了深入分析。

(1)左岸壩肩邊坡受順坡向傾坡外不利斷層f37切割影響，在邊坡開挖卸荷作用下，斷層f37上、下盤巖體表現(xiàn)出了一定的非連續(xù)變形特征和卸荷松弛現(xiàn)象。施工過程中出現(xiàn)了沿斷層f37的變形開裂現(xiàn)象，縫寬約在1～2 mm，其對后續(xù)工程施工安全與邊坡穩(wěn)定影響較大，深入分析該邊坡的變形破壞機制非常重要。

(2)通過三維離散元法數(shù)值計算深入分析論證，結合現(xiàn)場施工安排，提出了分兩期實施的加強支護處理方案是合理可行的。監(jiān)測成果表明：加固處理方案實施效果良好，變形已趨于收斂，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)三維離散元法在分析研究受控于多組不利結構面的巖質邊坡變形破壞機制時，可真實、快速再現(xiàn)邊坡開挖卸荷過程中的非連續(xù)變形特征，便于與現(xiàn)場揭露情況和監(jiān)測成果進行對比分析，可為類似高陡巖石邊坡穩(wěn)定性分析及加固處理方案擬定提供參考。