某水電站邊坡穩(wěn)定性分析及治理方案研究

摘 要：【目的】為了消除西藏某存在潛在不穩(wěn)定巖體的水電站邊坡的地質(zhì)災害隱患，有必要對其穩(wěn)定性進行研究并提出治理方案?！痉椒ā恳赃吰碌刭|(zhì)勘察和結(jié)構(gòu)面分析結(jié)果為基礎(chǔ)，選用3個典型剖面構(gòu)建二維邊坡，采用極限平衡法對該邊坡在3種不同工況下的穩(wěn)定性進行計算?！窘Y(jié)果】穩(wěn)定性計算結(jié)果表明，3個典型剖面在3種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果均大于1.2，該邊坡整體處于穩(wěn)定階段；根據(jù)穩(wěn)定性計算結(jié)果提出了格構(gòu)梁+預應(yīng)力錨索+主動防護網(wǎng)+監(jiān)測的治理措施?！窘Y(jié)論】研究該邊坡的穩(wěn)定性，并針對不穩(wěn)定巖體提出治理方案，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：水電站邊坡；邊坡穩(wěn)定性分析；極限平衡法；邊坡治理

中圖分類號：TV223 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）19-0039-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.008

Study on Slope Stability Analysis and Management Scheme of

a Hydropower Station

QIN Bo1 DAI Yuchen2 FAN Yanghui1

（1.Huadong Engineering （Fujian） Corporation Limited， Fuzhou 350003， China;

2. Power China Huadong Engineering Corporation， Hangzhou 311122， China）

Abstract： [Purposes] In order to eliminate the geological hazards of a hydropower station slope with potentially unstable rock mass in Xizang， it is necessary to study its stability and propose a treatment plan. [Methods] Based on the results of geological investigation and structural analysis of the slope， three typical profiles were selected to construct a two-dimensional slope， and the stability of the slope under three different working conditions was calculated by the limit equilibrium method. [Findings] The stability calculation results show that： the stability coefficients of the three typical profiles under the three working conditions are all greater than 1.2， and the slope is in a stable stage; according to the stability calculation results， the management measures of lattice beam + prestressed anchor cable + active protection network + monitoring are proposed. [Conclusions] This study calculates the stability of the slope and puts forward the management scheme， which can provide reference for similar projects.

Keywords： hydropower station slope; slope stability analysis; limit equilibrium method; slope management

0 引言

水利水電工程是關(guān)乎民生的重要基礎(chǔ)建設(shè)工程，主要用于防洪防澇、農(nóng)業(yè)灌溉以及水力發(fā)電［1］。水電站在建設(shè)和運行期間的安全性與邊坡的穩(wěn)定性具有較大關(guān)系［2-3］。水電站運行期間會伴隨著水位的急劇升降，容易導致邊坡巖體的節(jié)理裂隙強度降低甚至破壞，進而產(chǎn)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災害，造成嚴重的經(jīng)濟損失［4-5］。因此，對水電站邊坡的穩(wěn)定性進行分析，并對不穩(wěn)定邊坡提出相應(yīng)的治理措施對于保證水電站的安全運行具有重要意義［6-7］。

近年來，眾多學者對水電站邊坡的穩(wěn)定性進行了研究。廖贊［8］以某大型水電站壩址區(qū)右岸邊坡為研究對象，根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的性狀和位置，對各結(jié)構(gòu)面可能產(chǎn)生的塊體組合進行分析，并在離散單元法中引入強度折減法對邊坡穩(wěn)定性進行了分析。李貴平［4］以位于大渡河流域的某水電站導流洞進口邊坡為例，結(jié)合該變形體邊坡的特性描述和變形過程研究了其安全治理措施。李韜等［9］結(jié)合白鶴灘水電站左岸壩肩開挖邊坡的現(xiàn)場地質(zhì)資料、監(jiān)測數(shù)據(jù)及勘察認識，利用UDEC離散元軟件建立了該邊坡開挖引起的變形的分析模型，并對該邊坡的穩(wěn)定性進行了分析。徐奴文等［10］建立了白鶴灘水電站左岸邊坡的離散元模型，分析了該邊坡開挖過程中的穩(wěn)定性，并揭示了該邊坡的變形失穩(wěn)機制。王如賓等［11］建立了錦屏水電站邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面模型，并采用有限差分法，分析了該邊坡巖體的長期力學行為，揭示了該邊坡在水庫正常蓄水位下的長期穩(wěn)定性。宋勝武等［12］在錦屏水電站地質(zhì)條件調(diào)查基礎(chǔ)上，分析左岸纜機平臺以上的順坡向傾倒變形體、左岸1 800 m高程以上的楔形變形拉裂體等坡體結(jié)構(gòu)及其破壞模式，并進行邊坡穩(wěn)定性分區(qū)和計算分析，根據(jù)坡體結(jié)構(gòu)特點，提出了邊坡加固控制體系。羅軍堯等［13］以古水水電站泄洪出口邊坡為例，采用野外精細調(diào)查、平硐勘查、理論分析以及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對研究區(qū)工程地質(zhì)特征及邊坡穩(wěn)定性等問題進行了深入研究，并根據(jù)邊坡開挖加固方案，采用離散元模擬，論證了預應(yīng)力錨索+抗剪洞支護方案的可行性。

本文以西藏某水電站巖質(zhì)邊坡為研究對象，結(jié)合其節(jié)理發(fā)育特點，以3個典型剖面建立邊坡穩(wěn)定性計算模型，采用極限平衡法計算了邊坡穩(wěn)定性，并根據(jù)穩(wěn)定性計算結(jié)果提出了邊坡加固措施，以保證邊坡的安全穩(wěn)定。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 邊坡地形地貌

該水電站位于西藏自治區(qū)，是雅魯藏布江干流中游沃卡河口至朗縣縣城河段規(guī)劃的第3級電站。該水電站下壩址左岸邊坡上存在一塊潛在不穩(wěn)定巖體W5，其分布高程為3 535～3 790 m，地形坡度40°～45°，沿河方向長50～230 m，分布面積約3.4×104 m2，按厚度5～15 m估計，方量約37.5萬m3。其前緣臨空，后緣以地形陡緩交界，無錯動或滑移拉裂等變形破壞跡象；下游側(cè)以沖溝為界，上游側(cè)與崩坡積體交界。邊坡潛在不穩(wěn)定巖體地貌如圖1所示。

1.2 邊坡結(jié)構(gòu)特征

邊坡淺表部裂隙發(fā)育密集，大部分順層節(jié)理均張開并充填巖屑，巖體質(zhì)量類別為Ⅴ類。邊坡深部巖體質(zhì)量稍好，順層節(jié)理張開度較小，前緣順層節(jié)理發(fā)育，延伸長，中傾坡外節(jié)理①最大可見延伸長度為50～70 m。邊坡節(jié)理赤平投影響如圖2所示。

該邊坡主要由順坡節(jié)理控制，后緣垂直切割節(jié)理亦較發(fā)育，充填巖屑，根據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果，其主要發(fā)育結(jié)構(gòu)面特征如下：節(jié)理①，產(chǎn)狀N70°～85°E，SE∠35°～45°，微起伏粗糙，間距1～3 m，延伸大于20 m，最大張開距離2 cm，局部填充巖屑，裂隙連通率為55%～75%，是底滑控制面；節(jié)理②，產(chǎn)狀N85°～90°W，NE∠40°～50°，節(jié)理面平直粗糙，局部微張開，可見鐵錳質(zhì)渲染，裂隙可見少量巖屑充填，延伸較長，發(fā)育間距1～2 m/條，是坡體后緣的控制邊界；節(jié)理③，產(chǎn)狀N25°～35°E，SE∠35°～45°，是斜切節(jié)理，節(jié)理面微起伏并延伸3～5 m，節(jié)理間距3～6 m/條，呈微張～張開狀態(tài)，可見鐵錳質(zhì)渲染；節(jié)理④，產(chǎn)狀N5°～15°W，SW∠80°，節(jié)理面起伏粗糙，延伸長度大于20 m，間距0.5～1.5 m，多呈閉合狀態(tài)，局部張開，無填充。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

通過對邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)進行計算，可以對目標邊坡的穩(wěn)定性情況進行量化評價。根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果來進行不穩(wěn)定邊坡的治理方案設(shè)計，可以避免盲目設(shè)計帶來的安全風險或預算浪費。為了保證該水電站建設(shè)和運行期間的安全，防止因邊坡失穩(wěn)造成的生命和財產(chǎn)損失，以野外勘察資料為基礎(chǔ)，采用極限平衡法對該邊坡的穩(wěn)定性進行了計算分析，以為潛在不穩(wěn)定巖體的治理提供參考和依據(jù)。

2.1 邊坡模型構(gòu)建

邊坡穩(wěn)定性采用簡布（Janbu）法和摩根斯坦-普萊斯（M-P）法進行計算，地震作用采用擬靜力法計算。為了使邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果更具代表性，選取上、中、下游3條代表性剖面（Ⅰ-Ⅰ'、Ⅱ-Ⅱ'、Ⅲ-Ⅲ'）作為典型剖面來進行邊坡穩(wěn)定性計算，以避免代表性剖面數(shù)量過少造成的穩(wěn)定性計算結(jié)果代表性差的情況。選取的3個代表性剖面的平面位置及剖面如圖3所示。

由于該邊坡潛在不穩(wěn)定巖體W5表部和前緣的巖體質(zhì)量較差，巖體風化裂隙密集發(fā)育，順層節(jié)理呈張開狀態(tài)，將巖體類別歸為Ⅳ類；后緣及深部巖體質(zhì)量較好，順層節(jié)理張開度較小，巖體類別歸為Ⅲ2類。本研究分別考慮了前緣局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性，以使邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果具有更全面的指導意義。底滑面均為①號節(jié)理組成的順坡長大結(jié)構(gòu)面，前緣局部滑面考慮沿②號節(jié)理產(chǎn)生張拉裂縫滑出，根據(jù)3個典型剖面的節(jié)理分布情況，前緣底滑面長度為50～90 m。3個代表性剖面的整體計算模型和局部計算模型如圖4所示。

2.2 計算工況和計算參數(shù)選取

在邊坡穩(wěn)定性計算過程中需要考慮不同自然條件對邊坡的影響，并通過設(shè)置不同的工況，施加不同的荷載組合來模擬邊坡在不同自然條件下受到的不同影響，以使邊坡的穩(wěn)定性計算結(jié)果更加接近真實情況。由于該邊坡為高高程非涉水邊坡，根據(jù)工程經(jīng)驗將各工況荷載組合設(shè)置見表1。由表1可知，3種計算工況分別是天然工況、暴雨工況和地震工況，分別對應(yīng)自重、自重加暴雨作用和自重加地震的荷載組合作用。

邊坡巖土體物理力學參數(shù)的準確性會對邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果產(chǎn)生影響。本研究根據(jù)邊坡地質(zhì)勘查結(jié)果提出了邊坡穩(wěn)定性計算參數(shù)的建議值?？紤]邊坡前緣節(jié)理張開較為明顯，邊坡穩(wěn)定性計算中前緣滑面取節(jié)理參數(shù)并進行一定的折減，中后部滑面根據(jù)節(jié)理①連通率與Ⅲ2類巖體參數(shù)進行加權(quán)平均計算，最終確定了邊坡穩(wěn)定性計算模型的參數(shù)取值，見表2。

2.3 穩(wěn)定性計算結(jié)果

3個典型剖面在各工況下的穩(wěn)定性系數(shù)見表3。

由于該邊坡潛在不穩(wěn)定巖體位于左岸大壩及發(fā)電廠房上方，根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》（DL/T 5353—2006）規(guī)定，該邊坡按A類Ⅱ級邊坡設(shè)計，持久工況、短暫工況及地震工況下穩(wěn)定設(shè)計安全系數(shù)分別取1.20、1.10、1.05。由表3可知，該邊坡Ⅰ-Ⅰ'剖面整體最小穩(wěn)定性系數(shù)為2.131，前緣最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.203；Ⅱ-Ⅱ'剖面整體最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.873，前緣最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.224；Ⅲ-Ⅲ'剖面整體最小穩(wěn)定性系數(shù)為2.551，前緣最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.244。3個典型剖面在3種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果均大于1.2，表明其整體穩(wěn)定性好，并且各剖面安全系數(shù)均滿足要求，且有較大的安全裕度。而且3種工況下3個典型剖面的前緣局部塊體穩(wěn)定性系數(shù)均分別低于整體穩(wěn)定性系數(shù)，但依舊滿足穩(wěn)定性要求。由此可見，該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 邊坡治理方案

盡管穩(wěn)定性計算結(jié)果表明該邊坡在3種工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是為了進一步排除安全隱患，需要進行治理以提高其穩(wěn)定性，防止其對水電站的建設(shè)和安全運行帶來威脅。該邊坡在天然狀態(tài)下整體穩(wěn)定性較好，但由于其前緣的臨空卸荷作用，局部松動塊體在特殊工況下的穩(wěn)定性需要進一步提高。結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗和邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果，提出以下治理措施。

第一，對該邊坡前緣進行系統(tǒng)錨固以增強其穩(wěn)定性。沿邊坡前緣布置格構(gòu)梁+系統(tǒng)預應(yīng)力錨索進行加固，框格梁采用C30混凝土澆筑，斷面尺寸為50 cm×50 cm，間排距為5 m×5 m；預應(yīng)力錨索采用2 000 kN級，長度為30～40 m，間距和排距為5 m×5 m；局部塊體采用直徑32 mm、長度9 m的錨桿進行加固。

第二，采用主動防護網(wǎng)和攔擋措施。對于坡面局部穩(wěn)定性較差的部位，采取APS-075/P型主動防護網(wǎng)進行防護，以防止邊坡上的零碎落石對周圍環(huán)境安全造成威脅，并在其下部設(shè)置多道被動防護網(wǎng)攔截可能滾落的碎石。

第三，為了及時了解邊坡的變形和支護結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，在邊坡上布置監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。邊坡的表面變形采用GNSS法監(jiān)測，在該區(qū)域布置了兩個主要監(jiān)測斷面，在各斷面沿不同高程布置3～4個表面變形測點，同時在該區(qū)域分界線邊緣布置4個表面變形測點，在左岸邊坡平面控制網(wǎng)點旁的穩(wěn)定基巖位置布置兩個GNSS基站，作為該區(qū)域邊坡表面變形的觀測基準，其穩(wěn)定性可以通過平面控制網(wǎng)進行校測。根據(jù)邊坡支護方案，在邊坡中選擇典型錨索布置5套錨索測力計，以掌握邊坡支護錨索受力情況。

4 結(jié)論

為了消除存在不穩(wěn)定巖體的邊坡對西藏某水電站建設(shè)和運行期間的安全威脅，本研究選取該邊坡的3個典型剖面，建立了3個穩(wěn)定性二維計算模型，采用極限平衡法對該邊坡的穩(wěn)定性進行了分析，并結(jié)合穩(wěn)定性計算結(jié)果提出了相應(yīng)的治理措施，得出以下結(jié)論。

①選取的3個典型剖面在3種工況下采用Janbu法和M-P法計算出的穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.2，且分別大于相應(yīng)的安全系數(shù)，表明該邊坡在3種工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

②為了進一步提高邊坡穩(wěn)定性，以防止其對水電站帶來安全隱患，提出采用格構(gòu)梁+預應(yīng)力錨索+主動防護網(wǎng)+監(jiān)測的治理方案。

參考文獻：

［1］彭濤，郭家成.水電站工程邊坡巖體的水文地質(zhì)條件分析與加固治理［J］.工業(yè)建筑， 2023， 53（6）： 263.

［2］吳靜，郭德宇，張樂文，等.金沙江溪洛渡水電站拱壩及邊坡穩(wěn)定性分析研究［J］.巖石力學與工程學報， 2023， 42（10）： 2478-2495.

［3］楊偉.桐子林水電站右岸下游邊坡處理實施方案［J］.河南科技，2019（32）： 103-105.

［4］李貴平.大渡河流域某水電站傾倒變形體邊坡治理措施探索［J］.水利水電技術(shù)（中英文）， 2023， 54（S2）： 387-392.

［5］梁靖，裴向軍，羅路廣，等. 錦屏一級水電站左岸高邊坡變形監(jiān)測及穩(wěn)定性分析［J］.水利水電技術(shù)（中英文）， 2021， 52（4）： 180-185.

［6］段帥安，王江鋒.強震區(qū)高邊坡穩(wěn)定性及支護方案的數(shù)值模擬［J］.河南科技， 2023， 42（2）： 65-69.

［7］王碩，馮巧云，田富銀，等.基于有限元模擬的溢洪道邊坡穩(wěn)定性分析［J］.河南科技， 2023， 42（7）： 61-64.

［8］廖贊.基于極限平衡法和離散元法的某水電站高邊坡穩(wěn)定性分析［J］.人民黃河，2023， 45（10）： 146-150，157.

［9］李韜，徐奴文，戴峰，等.白鶴灘水電站左岸壩肩開挖邊坡穩(wěn)定性分析［J］.巖土力學，2018， 39（2）： 665-674.

［10］徐奴文，李韜，戴峰，等.基于離散元模擬和微震監(jiān)測的白鶴灘水電站左岸巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析［J］. 巖土力學， 2017， 38（8）： 2358-2367.

［11］王如賓，徐衛(wèi)亞，孟永東，等.錦屏一級水電站左岸壩肩高邊坡長期穩(wěn)定性數(shù)值分析［J］.巖石力學與工程學報， 2014， 33（S1）： 3105-3113.

［12］宋勝武，向柏宇，楊靜熙，等.錦屏一級水電站復雜地質(zhì)條件下壩肩高陡邊坡穩(wěn)定性分析及其加固設(shè)計［J］.巖石力學與工程學報，2010，29（3）： 442-458.

［13］羅軍堯，朱國金，馮業(yè)林，等.GS水電站泄洪出口邊坡工程地質(zhì)特征及穩(wěn)定性評價［J］.材料導報，2023，37（S2）：283-289.