大渡河長河壩邊坡變形特征研究

但尚剛

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 引言

在交通、礦產、水利等方面經常遇到邊坡的變形問題。邊坡變形將嚴重影響到工程的安全和正常使用，對生命財產問題產生極大的威脅。其中，水電邊坡的變形和穩定性問題是工程研究的重點問題之一。水電的建設通常位于深山峽谷中，邊坡高陡，開挖體積大，水電站所處位置通常地質構造活動較為強烈，地質結構極為復雜。邊坡的長期變形和其穩定性問題將是影響水電站施工和后期正常運行的關鍵問題之一。許多專家學者在這方面進行了研究，宋勝武等[1]通過對我國西南地區水電站的實際調查，結合工程邊坡目前已經取得的科研成果，總結了影響邊坡穩定性的主要因素。認為分析邊坡穩定性應從基本地質條件出發，結合實際地質構造，巖體質量，治理措施綜合分析。研究成果在錦屏水電站適用良好。張菊連等[2]通過對水電邊坡的分析和總結，選取了8個因素，使用多元回歸方法對影響因素與邊坡穩定性的聯系進行研究，建立了評價邊坡穩定等級的分級系統。楊海濤[3]通過三個步驟對特級水電站的高邊坡進行穩定性評價，并使用可靠度理論確定安全性分級的安全性系數，經過反演分析適用性較強。楊亮、馮振、金海元等[4-7]通過各種技術邊坡進行監測研究，分析了邊坡在不同階段的變形特征。通過總結分析，研究邊坡在破壞前的變形特征，將監測結果與邊坡破壞預警相結合。崔玉龍等[8]以西南某水電站為研究對象，通過Morgenstern-Price法對多個工況下邊坡的穩定性進行了計算，認為邊坡進行錨固后穩定性系數大于原始邊坡，錨固在該水電工程中取得了較好的加固效果。張登頂[9]通過現場調查確定錦屏水電站基本地質條件的基礎上，通過正交試驗和物理模型試驗研究邊坡開挖過程的變形和時間的關系。采用數值模擬手段模擬了邊坡變形破壞模式，對邊坡的開挖和支護提出建議。本文在進行地質和監測資料收集整理的基礎上對長河壩邊坡的變形特征進行研究。

2 工程概況

長河壩水電站是大渡河流域開發的大型水電工程之一，地處四川省康定縣境內，壩址區河谷呈“V”字型，邊坡較為高陡。其中左岸邊坡為50°～55°，右岸邊坡為45°～50°，工程邊坡最大高度達300 m。長河壩水電站壩體為堆石壩，壩頂高程為1697 m，最高度達240 m。正常蓄水位高程1690 m，水面寬509 m。該處巖體結構復雜，邊坡穩定性問題較大。經過現場工程地質調查，為晉寧—澄江期的侵入巖，主要為花崗巖和石英巖，覆蓋層厚度較大為65 m～75 m。區域內發育3條次級斷裂和6條長大裂隙[10]，統計情況見表1～表2。

表1 次級斷裂情況統計

表2 長大裂隙情況統計

3 邊坡數值模擬分析

通過邊坡實際情況，建立如圖1(a)所示的概化計算模型。在邊坡表層和坡體內部均設置監測點已監測坡體的變形、應力的變化。通過對邊坡支護前和支護后的數值進行模擬分析，研究采取錨索支護后邊坡的穩定性變化和變形量。數值模擬采用命令的方式來驅動程序，基本步驟為：（1）有限差分網格；（2）本構模型和材料取值；（3）邊界條件和初始條件；（4）模擬數據的運算。

FLAC3D判斷邊坡失穩的方式大概有三種：計算不收斂、位移突變、塑性區貫通。關于塑性區貫通的判據，FLAC3D提供了剪應變增量分布情況等直觀的圖件來判斷塑性區的位置和發展趨勢。

圖1 邊坡治理后數值模擬模型圖和位移計算結果

在未采取治理措施的情況下，邊坡穩定性情況較差，邊坡計算不收斂。采取治理措施后邊坡表層變形監測結果見圖1，X方向為順坡向位移，Y方向為垂直X方向位移，Z方向為豎直（垂直）方向位移。通過對邊坡變形量的統計分析，邊坡位移變形最大值為120 mm，順坡向變形量集中在-31 mm～40 mm，垂直X方向變形量較小，可忽略不計。垂直方向變形量集中在-150 mm～1 mm之間。通過對坡表位移的監測結果統計分析，邊坡整體變形量較小，累計變形量最大值不超過20 cm，邊坡處于基本穩定狀態。

通過坡體內部應力的監測分析，在長大裂隙剪出口位置邊坡的剪應變增量變化最大，約為7.9×10-4m。

通過數值模擬分析，邊坡首先在坡腳位置出現位移變形，由于坡腳前緣臨空條件較好，有利于邊坡向臨空方向的變形。

根據如圖1所示的監測點布置，獲取同樣位置三個點治理前和治理后的剪應變增量變化情況，在采取治理措施前，邊坡塑性區出現基本貫通的情況，剪應變集中分布于長大裂隙位置，說明不采取合適的治理措施，該邊坡極有可能產生大規模的破壞將嚴重威脅水電站的正常運轉。采取一定的治理措施之后，數值模擬結果顯示邊坡并沒有出現剪應變增量集中的現象，剪應變最大位置一般在模型底部，其最大值為治理前最大值的1/2～1/7。剪應變增量的減小表明治理措施產生了較好的效果，邊坡安全性得到提高。對實際工程具有一定的指導意義。剪應變增量對比見圖2。

圖2 治理前后剪應變增量對比

4 結論

（1）根據邊坡實際工程資料，獲得邊坡的基本地質情況和坡體結構構造，建立邊坡的數值模擬模型。對坡體變形和剪應變增量進行分析。

（2）通過數值模擬分析邊坡治理前后的穩定性變化情況，在未采取相關治理措施的情況下，邊坡計算不收斂，坡體不穩定。在進行錨索支護后，坡體變形較小，最大變形量不超過20 cm。

（3）通過數值模擬的監測點布置，獲取了三個位置的剪應變增量。通過治理前后的結果對比分析，采取治理措施后，邊坡最大剪應變增量為不采取治理措施的1/2～1/7。采取治理措施后，邊坡變形得到較好的控制。