西南某水電站壩肩邊坡穩(wěn)定性分析及支護(hù)措施研究

(1.長江科學(xué)院 科研基地(沌口)管理辦公室，湖北 武漢 430010；2.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070)

1 工程概況

西南某水電站水庫正常蓄水位1 330 m，總庫容7.6億m3，裝機(jī)容量2 400 MW。電站大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程1 334 m，最大壩高168 m。水電站樞紐區(qū)地層主要為二疊系上統(tǒng)玄武巖組(P2β)，下游涉及二疊系下統(tǒng)平川組(P1P)灰?guī)r及砂巖，第四紀(jì)覆蓋層分布較為廣泛。樞紐區(qū)玄武巖巖石堅(jiān)硬，無區(qū)域性斷裂通過，但其經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖層陡傾，岸坡卸荷強(qiáng)烈，斷層、錯(cuò)動(dòng)帶及裂隙發(fā)育，邊坡淺表部巖體松弛，風(fēng)化破碎嚴(yán)重，普遍存在深度較厚、力學(xué)性狀極差的Ⅴ類巖體，對工程建筑物的施工及運(yùn)行安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

2 左岸壩肩邊坡工程地質(zhì)條件

左岸谷坡地形陡峻，坡度40°～45°，局部段達(dá)50°～55°，壩肩岸坡全強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷、弱風(fēng)化上段(Ⅴ類、Ⅳ類)巖體完整性差，多張開、松弛，充填大量次生夾泥。弱風(fēng)化下段和微新巖體在岸坡下部次生泥較少，分布深度較淺，但岸坡中上部次生泥普遍，分布不均勻。F8斷層從壩肩中上部通過，其破碎帶較寬，影響帶巖體破碎，為Ⅳ、Ⅴ類巖體；左岸錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育程度不均勻，以陡傾為主，少量中緩傾，裂隙發(fā)育。壩肩邊坡上游側(cè)開挖邊坡走向N37.0°E，傾向SE，最大開挖坡高約210 m；下游側(cè)開挖邊坡走向N33°W，傾向SW，最大開挖坡高約320 m。

3 左岸壩肩邊坡計(jì)算模型及方案

3.1 計(jì)算模型

選取左岸壩肩邊坡作為研究對象，采用美國Itasca咨詢公司開發(fā)的三維快速拉格朗日分析程序(FLAC3D)模擬邊坡的施工開挖與支護(hù)過程，對開挖邊坡的應(yīng)力、變形及穩(wěn)定性進(jìn)行分析。邊坡整體安全系數(shù)的計(jì)算采用強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)法，以變形開始不收斂時(shí)的安全系數(shù)作為邊坡安全系數(shù)[1-5]。根據(jù)現(xiàn)場巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到邊坡各類巖層材料的物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算模型中所涉及到的邊坡各類巖層材料參數(shù)采用值見表1。左岸邊坡的三維數(shù)值計(jì)算模型見圖1。

表1 左岸邊坡物理力學(xué)參數(shù)采用值

圖1 左岸壩肩邊坡開挖模型示意

3.2 計(jì)算方案

考慮到實(shí)際施工過程，按以下4種開挖支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，其中方案1為基本方案。

(1) 方案1：每級開挖完成后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，對高程1 334 m以上的開挖邊坡交錯(cuò)設(shè)置長為9 m(Φ32)和12 m(3Φ25)的錨桿和鋼筋束，間距為3 m；對正面坡及下游側(cè)坡采用220 t錨索支護(hù)，根據(jù)不同區(qū)域錨索長度在30～75 m之間。

(2) 方案2：高程1 334 m以上邊坡每級開挖完成后及時(shí)支護(hù)，下部邊坡每開挖3～4級后進(jìn)行支護(hù)。

(3) 方案3：高程1 334 m以上邊坡每級開挖完成后及時(shí)支護(hù)，下部邊坡開挖不支護(hù)，尋找能夠自穩(wěn)的最多開挖級數(shù)。

(4) 方案4：每級開挖完成后采用新支護(hù)方案及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，已有支護(hù)措施基礎(chǔ)上在左岸壩肩開口線外部滑坡體采用錨索支護(hù), 增加錨索(131根100 t，17根220 t)。

4 邊坡穩(wěn)定性分析及支護(hù)措施研究

4.1 圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布

隨著開挖的推進(jìn)，邊坡坡面附近巖體的應(yīng)力逐步釋放。開挖完成后，在高程1 240～1 306m之間上、下游開挖坡面拐角部位出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中，最大主壓應(yīng)力約為 5.0 MPa；邊坡開挖坡面以及下游側(cè)坡體出現(xiàn)一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力值約為 0.57 MPa，開挖使得這些部位的巖體產(chǎn)生應(yīng)力松弛，應(yīng)力狀態(tài)變差。

由于開挖很大程度上清除了邊坡淺層的Ⅴ類巖體，使得在天然狀況下已經(jīng)存在的塑性區(qū)得以挖除，因此，開挖后邊坡塑性區(qū)分布深度較天然狀況明顯減小，且基本都處于錨索的支護(hù)范圍內(nèi)。邊坡開挖過程中，由于及時(shí)施加了錨固措施，使得坡體內(nèi)塑性區(qū)沒有繼續(xù)向坡內(nèi)巖層延伸，故邊坡整體穩(wěn)定性比天然狀況下好。

4.2 支護(hù)系統(tǒng)受力分析

開挖完成后，整個(gè)邊坡所施加的錨桿、錨索沒有出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。大部分錨桿的受力不大，但應(yīng)力分布不均，84%的錨桿應(yīng)力在100 MPa以內(nèi)，但約有1%的錨桿應(yīng)力可達(dá)180 MPa以上。在高程1 334 m以上邊坡錨桿應(yīng)力普遍較小，平均值一般在10～40 MPa之間，在高程1 306～1 334 m和1 264～1 289 m范圍內(nèi)邊坡錨桿應(yīng)力平均值接近100 MPa，在高程1 306～1 334 m和1 240～1 264 m范圍內(nèi)邊坡有極少量錨桿應(yīng)力值已接近屈服。

對于220 t級錨索，約77%的錨索荷載變化幅度在10 t以內(nèi)，最大錨索拉力達(dá)到250 t，增幅約為錨索設(shè)計(jì)值的14%；高程1 418 m以下邊坡錨索平均荷載偏大，最大錨索拉力達(dá)到251 t，出現(xiàn)在高程1 389～1 406 m之間坡面。

對于100 t級錨索，約50%的錨索荷載變化幅度在5 t以內(nèi)，最大錨索拉力將達(dá)到120 t的水平，增幅約為設(shè)計(jì)荷載的20%；高程1 418～1 442 m之間坡面錨索平均荷載偏大，最大錨索拉力達(dá)到118 t。

開挖后邊坡不同高程錨桿應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果(方案1)見圖2。

圖2 開挖后邊坡不同高程錨桿應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果(方案1)

由此可見，在現(xiàn)行的加固設(shè)計(jì)方案下絕大部分錨桿、錨索處于安全工作狀態(tài)，且受力合理，少數(shù)錨桿、錨索受力較大的部位需根據(jù)具體情況進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

與方案1相比，方案2中錨索荷載略有增減，總體荷載分布情況基本相似。

方案3中錨索荷載明顯增大，220 t級錨索荷載最大值達(dá)到297 t，增幅約為35%；100 t級錨索荷載最大達(dá)到134 t，增幅約為34%。表明此時(shí)錨索已處于非正常工作狀態(tài)。

方案4中錨索荷載有所減小，220 t級錨索荷載最大值達(dá)到248 t，增幅約為13%；100 t級錨索荷載最大達(dá)到113 t，增幅約為13%。可見，相對方案1而言，方案4由于預(yù)應(yīng)力錨索數(shù)量增加，錨索整體受力較為均衡，荷載分布范圍更趨合理。開挖后邊坡不同高程錨索受力統(tǒng)計(jì)結(jié)果(方案1)見圖3。

圖3 開挖后邊坡不同高程錨索受力統(tǒng)計(jì)結(jié)果(方案1)

4.3 邊坡位移與變形分析

開挖完成后，受開挖形態(tài)及Ⅴ類巖體、陡傾角錯(cuò)動(dòng)帶的影響，邊坡下游側(cè)開挖坡面及相鄰的坡體下游、開挖邊坡后緣一定范圍內(nèi)的巖體(下游延伸至距壩軸線約170 m、后緣至高程1 520 m)均產(chǎn)生斜向下并指向坡外的位移，位移值一般在15.0～45.0 mm之間；最大位移量為 56.2 mm，出現(xiàn)在下游開挖坡F8斷層出露部位。開挖完成后，纜機(jī)平臺(tái)部位最大變形量值為11.8 mm，上游開挖邊坡位移多在10.0～20.0 mm之間，以回彈變形為主(詳見圖4)。

圖4 開挖完成后邊坡位移分布(方案1)

方案2及方案4，位移趨勢與方案1基本相同，最大位移量分別為 63.9 mm與 55.2 mm，出現(xiàn)部位與方案1相同。方案3變形主要集中在下游開挖坡面1 264 m高程到1 389 m高程之間，量值多在 300.0～800.0 mm之間，最大位移量已達(dá)米級，出現(xiàn)在下游開挖坡面斷層F8出露部位，表明開挖后下部邊坡若不支護(hù)，壩肩下游側(cè)邊坡中部可能產(chǎn)生失穩(wěn)。

4.4 邊坡失穩(wěn)區(qū)域及安全系數(shù)

邊坡安全系數(shù)為 1.21。由于邊坡下游側(cè)開挖量較大，且下游開挖坡面上的Ⅴ類巖體在開挖完成后均出露于臨空面，導(dǎo)致開挖邊坡下游部位的巖體穩(wěn)定性較差，形成潛在的變形失穩(wěn)區(qū)，失穩(wěn)模式為壩肩下游側(cè)坡體順坡向的淺層滑移(詳見圖5)。方案2～4安全系數(shù)分別為1.20，1.19，1.22，失穩(wěn)區(qū)域與方案1基本相同。

圖5 開挖完成后邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)(方案1)

5 結(jié) 論

研究結(jié)果表明，邊坡的穩(wěn)定性主要受淺部Ⅴ類巖體控制，不同支護(hù)方案下邊坡潛在的失穩(wěn)區(qū)均位于該層巖體中，相應(yīng)的破壞模式為沿Ⅴ類巖體內(nèi)部的滑動(dòng)。

開挖完成后，采用支護(hù)方案1后，壩肩邊坡內(nèi)所有錨桿及錨索均未出現(xiàn)屈服，其內(nèi)力分布較為合理，邊坡穩(wěn)定性較好，表明目前的支護(hù)方案1是合理可行且值得推薦的。

若對于高程1 334 m以下的開挖邊坡每開挖3～4級后再進(jìn)行支護(hù)，邊坡最大位移量為 63.9 mm，比及時(shí)支護(hù)的方案增加了13.7%；高程1 334 m以下的開挖邊坡若不進(jìn)行支護(hù)，邊坡位移量會(huì)明顯增大，上部施加的錨索(桿)將承受過大的荷載，有可能導(dǎo)致壩肩下游側(cè)邊坡的局部失穩(wěn)。

需要指出的是，由于邊坡的潛在滑移面均位于Ⅴ類巖體內(nèi)，Ⅴ類巖體力學(xué)參數(shù)的取值特別是摩擦系數(shù)與凝聚力值決定了邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。考慮到邊坡實(shí)際的地質(zhì)條件及巖體分類，Ⅴ類巖體的強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)隨深度而增加，在滑移面附近巖體的參數(shù)已接近Ⅳ巖體，因此，由計(jì)算得到的邊坡安全系數(shù)應(yīng)屬于下限值。

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