西藏扎拉水電站傾倒邊坡失穩(wěn)模式及加固措施研究

劉登學(xué) 陳興 徐果 黃書嶺 張雨霆

收稿日期：2023-09-16

基金項(xiàng)目：

長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司自主創(chuàng)新項(xiàng)目（CX2022S046）

作者簡介：

劉登學(xué)，男，高級工程師，博士，主要研究方向?yàn)楣こ處r體穩(wěn)定性分析與安全性評價(jià)。E-mail：liudx@mail.crsri.cn

引用格式：

劉登學(xué)，陳興，徐果，等.

西藏扎拉水電站傾倒邊坡失穩(wěn)模式及加固措施研究

［J］.水利水電快報(bào)，2024，45（6）：43-48.

摘要：

西藏扎拉水電站樞紐區(qū)邊坡傾倒變形現(xiàn)象普遍發(fā)生，對工程的安全建設(shè)和運(yùn)行帶來隱患。對此，采用三維非連續(xù)分析方法，對大壩右岸傾倒邊坡開挖失穩(wěn)模式及加固措施開展研究。結(jié)果表明：①? 大壩右岸傾倒邊坡開挖后，潛在失穩(wěn)區(qū)域主要集中在開挖邊坡上部鈣質(zhì)板巖極強(qiáng)傾倒區(qū)巖體內(nèi)，后緣主要發(fā)生邊坡上部崩坡積層破壞，失穩(wěn)巖體沿著鈣質(zhì)板巖極強(qiáng)傾倒變形區(qū)和弱傾倒變形區(qū)分界面滑動，呈現(xiàn)典型的“滑移-拉裂”型變形破壞模式；② 錨索+錨桿的聯(lián)合支護(hù)措施可有效限制開挖施工期間大壩右岸傾倒邊坡上部鈣質(zhì)板巖極強(qiáng)傾倒區(qū)巖體的變形。采取支護(hù)措施后，大壩右岸傾倒邊坡各工況下的安全系數(shù)均可滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：

傾倒邊坡； 破壞模式； 邊坡加固； 扎拉水電站

中圖法分類號：TV223

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.008

文章編號：1006-0081（2024）06-0043-06

0? 引? 言

近年來，隨著礦山、水利水電等工程建設(shè)強(qiáng)度和規(guī)模日益擴(kuò)大，巖質(zhì)邊坡傾倒變形破壞已越來越多地成為工程技術(shù)人員所面臨的難題，其中較為典型的有金川露天礦邊坡傾倒變形［1］、撫順西露天礦北幫西區(qū)傾倒滑移變形［2］、黃河拉西瓦水電站右岸壩前果卜岸坡傾倒變形［3］、雅礱江錦屏-三灘河段變質(zhì)砂板巖地層傾倒變形［4］以及瀾滄江苗尾水電站右壩肩傾倒變形［5］等，邊坡變形深度均達(dá)到數(shù)百米。傾倒變形作為巖質(zhì)邊坡的一種主要變形模式，一般發(fā)生在巖層傾角陡立或陡傾坡內(nèi)、坡度呈中-陡的層狀邊坡中，尤其在邊坡前緣較易發(fā)生。20世紀(jì)70年代，Goodman和Bray將巖質(zhì)邊坡實(shí)際可能發(fā)生的傾倒變形分為3種基本類型，即彎曲式傾倒、巖塊式傾倒和巖塊彎曲復(fù)合式傾倒［6］。黃潤秋等［7］則根據(jù)傾倒變形的發(fā)育深度將邊坡傾倒變形分為淺層傾倒變形、深層傾倒變形和復(fù)合傾倒變形。安曉凡等［8］根據(jù)邊坡的復(fù)雜程度和變形破壞機(jī)理，將邊坡傾倒變形模式分為基本傾倒模式、組合傾倒模式、蠕變模式、懸臂模式和順層邊坡傾倒模式。計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展使數(shù)值模擬成為研究該類問題的主要手段之一。宋彥輝等［9］采用節(jié)理有限元方法對黃河上游茨哈峽電站傾倒邊坡的穩(wěn)定性及破壞趨勢進(jìn)行了研究。岑奪豐等［10］采用基于離散元法的顆粒流程序（PFC）研究了塊裂反傾巨厚層狀巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)制及穩(wěn)定性。張國新等［11］采用非連續(xù)變形方法（DDA）對巖質(zhì)邊坡傾倒變形失穩(wěn)過程進(jìn)行了模擬，并分析了水對傾倒邊坡穩(wěn)定性的影響。劉紅巖等［12］采用數(shù)值流形方法（NMM）研究了不同摩擦角條件下巖石邊坡的傾倒破壞過程。西藏扎拉水電站樞紐區(qū)邊坡傾倒變形現(xiàn)象普遍發(fā)生，對工程的安全建設(shè)和運(yùn)行造成隱患［13-14］。針對該問題，本文對西藏扎拉水電站大壩右岸邊坡存在的傾倒變形問題進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，采用非連續(xù)方法獲得右岸傾倒邊坡潛在失穩(wěn)模式和失穩(wěn)范圍，開展大壩右岸傾倒變形邊坡的開挖支護(hù)控制措施研究。

1? 工程背景

1.1? 工程概況

西藏扎拉水電站采用混合式開發(fā)方式，樞紐主要建筑物由大壩、引水隧洞及電站廠房組成，壩址位于碧土鄉(xiāng)扎郎村附近，廠址位于察隅縣察瓦龍鄉(xiāng)珠拉村，見圖1。扎拉水電站壩址控制流域面積8 546 km2，多年平均流量110 m3/s，多年平均徑流量34.8億m3，水庫正常蓄水位2 815 m，校核洪水位2 816.25 m，總庫容914萬m3，總裝機(jī)容量1 015 MW（含生態(tài)電站15 MW），為Ⅱ等大（2）型工程。

1.2? 右岸邊坡傾倒變形問題

壩址區(qū)右岸邊坡全貌見圖2，地質(zhì)剖面如圖3所示。邊坡出露的主要地層為P1nc1薄層狀鈣質(zhì)板巖，夾少量片巖，坡表覆蓋層較薄，植被稀少，主要為全風(fēng)化堆積體，坡體頂部和坡腳有較厚的碎塊石土（Qcol+dl）和卵漂石（Qpal），結(jié)構(gòu)松散-稍密，厚1.2～36.2 m。右岸邊坡為逆向坡，巖體普遍傾倒，傾倒變形巖體巖性為鈣質(zhì)板巖，巖層層序保持較好，板理面傾向南西（傾坡內(nèi)），與正常巖體傾向相同。自坡外向內(nèi)傾倒變形巖體可分為兩個(gè)區(qū)，即極強(qiáng)傾倒變形區(qū)巖體和弱傾倒變形區(qū)巖體。極強(qiáng)傾倒變形區(qū)巖體呈散體-碎裂結(jié)構(gòu)，巖體內(nèi)部張裂變形顯著，松弛強(qiáng)烈，架空現(xiàn)象明顯，大量充填塊碎石及角礫、巖屑，在重力作用下多已發(fā)生墜覆位移，平硐揭露水平深度11.0～25.6 m，厚度5～15 m，巖層傾角20°～30°，與正常巖體夾角（轉(zhuǎn)角）50°～60°，見圖4（a）；弱傾倒變形區(qū)巖體大部分為層狀結(jié)構(gòu)，巖層基本不發(fā)生明顯的宏觀張裂變形，或形成微量變形的張裂縫，巖層以彎曲變形為主，平硐揭示該區(qū)巖體水平深度62.0～84.7 m，厚度25～40 m，巖層傾角35°～50°，與正常巖體夾角（轉(zhuǎn)角）30°～50°，見圖4（b）。傾倒巖體與正常巖體界面沿弱卸荷帶下限、大致與坡面平行，界面呈折而不斷或斷續(xù)拉裂，未形成連續(xù)的界面。下伏正常巖體板理面傾向南西西（傾坡內(nèi)），傾角60°～80°。

根據(jù)大壩右岸邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征調(diào)查結(jié)論，邊坡在極端工況下可能會產(chǎn)生淺層崩落并加劇坡體傾倒變形發(fā)展，最終在強(qiáng)傾倒變形區(qū)巖體上段形成折斷帶，導(dǎo)致大規(guī)?；?，但由于坡體內(nèi)發(fā)育的傾向坡外的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面較少，強(qiáng)傾倒變形區(qū)巖體較為完整，折斷帶的形成需經(jīng)過較長的歷史發(fā)展階段。右岸邊坡現(xiàn)有變形破壞跡象表明：邊坡的變形破壞以整體傾倒變形和局部松散物質(zhì)滑落為主，其中傾倒變形的主要表現(xiàn)形式包括傾倒墜覆、傾倒彎折、層間錯(cuò)動、拉張、切層張剪，見圖5。邊坡坡腳下部碎石土有利于邊坡的穩(wěn)定性，但工程區(qū)部位邊坡的開挖將為上部傾倒邊坡的變形提供臨空條件，進(jìn)一步加劇邊坡的傾倒變形，對邊坡的穩(wěn)定性造成隱患。

2? 傾倒邊坡失穩(wěn)模式研究

扎拉水電站大壩右岸邊坡傾倒變形及破壞具有

一定的非連續(xù)變形特征，對于其變形破壞模式的研

究宜采用非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法進(jìn)行。本文采用三維離散元軟件（3DEC）建立準(zhǔn)三維非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型，以“顯式”考慮鈣質(zhì)板巖巖體層面的影響，進(jìn)而研究右岸傾倒邊坡的失穩(wěn)破壞機(jī)制、潛在失穩(wěn)模式及失穩(wěn)范圍。

2.1? 傾倒邊坡3DEC模型

建立右岸傾倒邊坡的3DEC模型見圖6（a），剖面所在面為XZ平面，Z軸正向?yàn)楦叱谭较?，模型底部高程? 600 m；X方向以指向坡體方向?yàn)檎?；Y軸垂直XZ平面，遵從右手法則。計(jì)算模型中包含了邊坡巖體中的鈣質(zhì)板巖極強(qiáng)傾倒區(qū)變形巖體，弱傾倒區(qū)變形巖體和正常巖體、卵漂石、碎塊石土。利用軟件中“jset”命令生成節(jié)理模型來描述鈣質(zhì)板巖薄層狀結(jié)構(gòu)，見圖6（b）。由于模擬尺度的關(guān)系，無法使節(jié)理的間距達(dá)到實(shí)際的厘米級，在實(shí)際建模過程中，采用間距為1 m的平行結(jié)構(gòu)面切割巖體以模擬層面。節(jié)理面的傾角根據(jù)不同分區(qū)巖體層面的傾角確定，具體為極強(qiáng)傾倒變形區(qū)巖體節(jié)理面傾角取25°，弱傾倒變形區(qū)巖體節(jié)理面傾角取43°，正常巖體節(jié)理面傾角取70°。在建立地質(zhì)模型并切割節(jié)理后，對所有塊體劃分網(wǎng)格，共計(jì)剖分349 114個(gè)單元，邊坡開挖前后的模型分析見圖6（c）、（d）。在計(jì)算中，僅考慮自重作用，暫不考慮構(gòu)造應(yīng)力。邊坡表面自由，除底部為固定約束外，其他各面均為法向約束。巖土體均采用以Mohr-Coulomb準(zhǔn)則為屈服函數(shù)的理想彈塑性模型，接觸面采用Coulomb-Slip模型。

2.2? 計(jì)算參數(shù)

依據(jù)勘探平硐內(nèi)對傾倒變形巖體進(jìn)行的現(xiàn)場抗剪（斷）、變形試驗(yàn)和地震波測試等試驗(yàn)成果確定了計(jì)算中所需的鈣質(zhì)板巖參數(shù)取值，具體見表1～2。

2.3? 右岸傾倒邊坡失穩(wěn)模式分析

邊坡在天然狀態(tài)下達(dá)到計(jì)算平衡后，將位移清零，然后分步開挖。全部開挖完成后，邊坡的位移分布云圖如圖7（a）所示，位移矢量如圖7（b）所示。一般邊坡開挖完成后，邊坡的變形以斜向上的卸荷回彈變形為主，而右岸傾倒邊坡的變形則由于各巖層力學(xué)性質(zhì)和巖體結(jié)構(gòu)差異的影響，產(chǎn)生了明顯的分異現(xiàn)象。受下部邊坡開挖影響，邊坡上部的鈣質(zhì)板巖極強(qiáng)傾倒區(qū)巖層與弱傾倒區(qū)巖層出現(xiàn)了斜向下指向坡外的變形，且由于鈣質(zhì)板巖極強(qiáng)傾倒區(qū)巖體力學(xué)強(qiáng)度低，該區(qū)邊坡的變形顯著大于弱傾倒區(qū)邊坡的變形。極強(qiáng)傾倒區(qū)邊坡位移值一般在6.0～11.0 cm之間，而弱傾倒區(qū)邊坡的位移值一般在3.0～6.0 cm之間，兩部位邊坡變形的不協(xié)調(diào)，使極強(qiáng)傾倒區(qū)與弱傾倒區(qū)交界部位剪切效應(yīng)增強(qiáng)，易產(chǎn)生剪切滑移。下部的開挖邊坡則主要以向上的卸荷回彈變形為主，變形量較小，一般小于2.0 cm。

將開挖邊坡的位移清零，對鈣質(zhì)板巖極強(qiáng)傾倒區(qū)和弱傾倒區(qū)巖體及巖層面的黏聚力和摩擦系數(shù)進(jìn)行折減，分析右岸傾倒邊坡開挖后潛在的失穩(wěn)區(qū)域，得到極限狀態(tài)下邊坡的變形特征如圖8所示?？梢钥闯觯吰聺撛谑Х€(wěn)區(qū)域主要集中在開挖邊坡中上部鈣質(zhì)板巖極強(qiáng)傾倒區(qū)巖體內(nèi)，后緣主要發(fā)生邊坡上部崩坡積層破壞，高程約3 000 m，往下則主要沿鈣質(zhì)板巖極強(qiáng)傾倒區(qū)和弱傾倒區(qū)分界面滑動，前緣剪出口高程約2 857 m。邊坡破壞主要是由于下部邊坡的開挖為上部邊坡的極強(qiáng)傾倒區(qū)巖體變形提供了臨空條件，極強(qiáng)傾倒區(qū)巖體在重力作用下產(chǎn)生順坡向的變形，使極強(qiáng)傾倒區(qū)與弱傾倒區(qū)交界部位剪切效應(yīng)增強(qiáng)，從而導(dǎo)致極強(qiáng)傾倒區(qū)底部巖體折斷破裂加劇，伴隨著折斷破裂面持續(xù)發(fā)展并與后緣拉裂貫通，右岸傾倒邊坡最終呈現(xiàn)典型的“滑移-拉裂”型變形破壞。

3? 傾倒邊坡加固措施研究

3.1? 邊坡支護(hù)措施設(shè)計(jì)

針對右岸傾倒邊坡，設(shè)計(jì)了錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)方案，見圖9。高程2 820 m以上每級開挖邊坡頂部設(shè)置了鎖口錨桿，并在鎖口錨桿下部布置了系統(tǒng)錨桿：鎖口錨桿32 mm@2 m×2 m，長度9 m；系統(tǒng)錨桿25 mm@2 m×2 m，長度6 m。高程2 835 m以上每級開挖邊坡設(shè)置了兩排1 500 kN錨索，長度分為30，35，40 m和50 m，間距4.5 m。

3.2? 邊坡開挖穩(wěn)定性分析

圖10為考慮支護(hù)措施后，右岸傾倒邊坡開挖后的位移云圖和位移矢量?？梢娭ёo(hù)措施可有效控制邊坡開挖后中上部鈣質(zhì)板巖極強(qiáng)傾倒區(qū)巖體的變形。邊坡開挖后，工程邊坡變形以向上的卸荷回彈變形為主，最大變形量值約為1.7 cm，出現(xiàn)在開挖坡底2 750 m平臺處。

表3為采用強(qiáng)度折減法獲得的右岸傾倒邊坡各工況下的安全系數(shù)。根據(jù)NB/T 10512-2021《水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，右岸傾倒邊坡屬A類Ⅱ級邊坡，持久條件、短暫條件與偶然條件相應(yīng)工況下，要求設(shè)計(jì)安全系數(shù)最低分別為1.25～1.15、1.15～1.05和1.05。根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，右岸傾倒邊坡支護(hù)后在各工況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

4? 結(jié)? 論

本文對西藏扎拉水電站大壩右岸邊坡存在的傾倒變形問題進(jìn)行了分析，根據(jù)邊坡地質(zhì)條件，建立非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型，研究右岸傾倒邊坡潛在失穩(wěn)模式和失穩(wěn)范圍并設(shè)計(jì)邊坡開挖控制措施，采用強(qiáng)度折減法求解了開挖、降雨等靜力工況和地震工況下的邊坡安全系數(shù)，得到以下主要結(jié)論。

（1） 離散元分析結(jié)果表明，大壩右岸傾倒邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)域主要集中在開挖邊坡上部鈣質(zhì)板巖極強(qiáng)傾倒區(qū)巖體內(nèi)，后緣主要發(fā)生邊坡上部崩坡積層破壞，失穩(wěn)巖體沿著鈣質(zhì)板巖極強(qiáng)傾倒變形區(qū)和弱傾倒變形區(qū)分界面滑動，呈現(xiàn)典型的“滑移-拉裂”型變形破壞模式。

（2） 采取錨索+錨桿的聯(lián)合支護(hù)措施，可有效限制開挖施工期右岸傾倒邊坡中上部鈣質(zhì)板巖極強(qiáng)傾倒區(qū)巖體的變形，右岸傾倒邊坡支護(hù)后各工況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

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（編輯：高小雲(yún)）

Study on instability mode and reinforcement measures of toppling slope of Xizang Zhala Hydropower Station

LIU Dengxue1，CHEN Xing2，3，XU Guo2，HUANG Shuling1，ZHANG Yuting1

（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；

2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China;? 3.National Dam Safety Research Center，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The phenomenon of toppling slope in Xizang Zhala Hydropower Station is widespread，which posed hidden dangers to the safety construction and operation of the project. In this regard，a three-dimensional discontinuous analysis method was adopted to study the instability mode and reinforcement measures of the right bank dumping slope after excavation. The results showed that： ①After the excavation of the right bank toppling slope，the potential instability area was mainly concentrated in the extremely strong toppling area of calcareous slate in the upper part of the excavation slope，and at the rear edge，it was mainly damaged by the colluvial layer in the upper part of the slope. The unstable rock mass slides along the interface between the extremely strong and weak toppling deformation zones of calcareous slate，presenting a typical "slip-tensile fracture" deformation and failure mode. ② The combined support measures of anchor cables and anchor rods can effectively limit the deformation of the rock mass in the extremely strong dumping area of the upper calcareous slate during the excavation and construction period of the right bank toppling slope. After taking support measures，the safety factors of right bank toppling slope under various working conditions can meet the requirements of the specifications.

Key words：

toppling slope； instability mode； slope reinforcement； Zhala Hydropower Station