楊房溝水電站斷層對左岸壩肩穩定性影響及對策

閆興田，段偉鋒，么倫強

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,杭州 311122)

0 前 言

在中國大型水電工程建設中，工程邊坡高達數百米，如在建的白鶴灘水電站壩頂以上最大坡高為366 m，已建成的小灣、烏東德水電站壩頂以上最大坡高均在500 m以上，這些水電高邊坡的建設規模和難度均位居世界前列。大型水電工程多位于我國西南高山峽谷地帶，岸坡陡峭，控制性軟弱結構面是決定巖質邊坡失穩破壞模式及穩定性的重要因素。隨著邊坡的下挖，巖質邊坡巖體會產生應力調整和向臨空方向的卸荷變形[1-5]。變形量過大時，將影響邊坡穩定，從而制約工程安全，所以需充分重視邊坡變形問題，及時采取措施控制，提高邊坡穩定安全系數，以滿足永久邊坡安全標準[6-8]。

楊房溝水電站是雅礱江中游河段的第6級水電站，楊房溝水電站為Ⅰ等大(1)型，電站總裝機容量1 500 MW，最大壩高155 m，是國內首個采用設計施工總承包建設模式的百萬千瓦級大型水電工程，被譽為“第2次魯布革沖擊”。左岸壩肩邊坡開挖高程2 102.00～2 332.00 m，工程邊坡高度達230 m，2017年9月，當左岸壩肩邊坡開挖至2 142.00 m高程時，左岸纜機平臺高程2 187.00 m揭露出斷層f37，致使攬機平臺開裂長度達50 m；左岸壩肩邊坡高程2 250.00～2 140.00 m邊坡整體穩定，但受斷層f37和其它結構面組合的影響，邊坡存在局部穩定問題。后續如繼續開挖，斷層上盤臨空巖體漸變單薄，對工程邊坡的局部穩定性影響將越來越突出。

1 斷層f37基本地質條件

1.1 f37斷層屬性

f37斷層所在左岸壩肩邊坡處巖性為花崗閃長巖，呈弱風化，產狀N40～60°W，SW∠45～60°，斷層寬10～30 cm。f37斷層在高程2 240.00～2 140.00 m的工程邊坡已揭露，揭露樁號分別為：高程2 175.00 m樁號K0+037.00 m、高程2 160.00 m樁號K0+036.00 m、高程2 140.00 m樁號K0+058.00 m(見圖1)；其中，高程2 187.00 m以上產狀N75～80°W，SW∠45～50°，寬為20～30 cm，高程2 187.00 m以下產狀N40～60°W，SW∠60°，寬為10～15 cm，帶內巖塊、巖屑填充，鐵錳渲染較嚴重，結構面類型屬巖塊巖屑型。

圖1 壩肩邊坡高程2 140.00～2 160.00 m斷層位置

根據斷層揭露性狀，結合現場試驗成果，斷層f37參數建議值如下：天然參數f′=0.5，c′=0.1 MPa；飽和參數f′=0.45，c′=0.09 MPa。

為了進一步查明壩肩邊坡內部地質情況，采用鉆孔全景成像手段對左岸壩肩邊坡2182.00 m高程進行地質勘測，共布置2個水平孔。經分析，9號錨索孔(K0+52.50 m)在孔深7.8～8.2 m揭露f37斷層影響帶，斷層寬度5～10 cm，閉合，帶內填充巖塊巖屑；10號錨索孔(K0+57.50 m)在孔深8.7～8.8 m揭露斷層f37，寬度4～5 cm，閉合，帶內填充巖塊巖屑。典型剖面見圖2。

1.2 受f37斷層影響塊體及其失穩模式

左岸壩肩邊坡高程2 250.00～2 140.00 m邊坡整體穩定，局部較破碎，巖體呈次塊狀～鑲嵌結構，以Ⅲ類巖體為主，上、下游開口線附近巖體呈強卸荷，屬Ⅳ類巖體。但受斷層f37、其它結構面、以及開挖臨空面組合影響，斷層跡線附近局部存在塊體穩定性問題。

圖2 3-3剖面鉆孔成像示意 單位：m

f37斷層在攬機平臺高程2 187.00 m出現張開裂隙主要原因是：工程邊坡下挖到高程2 140.00 m后，f37斷層逐漸出露(如圖3虛線所示)，對工程邊坡的局部穩定性影響將越來越突出，斷層上盤臨空巖體漸變單薄，邊坡巖體應力調整，沿斷層f37近平行坡面段產生卸荷松弛現象。

左岸壩肩邊坡2 190.00 m高程以下范圍內，f37斷層下游側出露f169斷層、f166斷層、f145斷層。其中，f169斷層產狀N70°E，SE∠70～75°，寬5～10cm，夾碎裂巖、巖屑，面見鐵錳質渲染，出露在高程2 160.00～2 190.00 m邊坡上，在高程2 160.00 m以下逐漸尖滅，結構面類型屬巖塊巖屑型。f166斷層產狀N10～15°E，SE∠80°，寬5～10 cm，夾碎裂巖、巖屑，面見鐵錳質渲染，局部蝕變，強～弱風化狀，出露在高程2 160.00～2 190.00 m邊坡上，在高程2 160.00 m以下斷層帶變窄，相當于節理，結構面類型屬巖塊巖屑型。

高程2 190.00～2 140.00 m范圍內邊坡，f37斷層和f169斷層組合形成潛在不穩定塊體1；f37斷層、f169斷層、f166斷層組合形成潛在不穩定塊體2，如圖3所示。

1.3 監測數據分析

在攬機平臺裂縫高程2 187.00 m安裝了3支測縫計(編號為Jzbp-1～3)及3個表面變形臨時測點(TPzbp-1～3)，以監測裂縫的開合變化情況。儀器安裝埋設位置如圖4所示。

圖3 f37斷層影響潛在不穩定塊體三維

圖4 高程2187.00 m f37斷層裂縫觀測點示意

截止9月14日，Jzbp-1(裂縫最上游、9月5日安裝)累計開合度為0.08 mm；Jzbp-2(裂縫中間、9月5日安裝)累計開合度為0.07 mm；Jzbp-3(裂縫最下游、9月4日安裝)累計開合度為-0.08 mm。

左岸裂縫高程2 187.00 m平臺3個表面變形測點TPzbp-1～3顯示當前水平位移累計量介于-1.5～2.5 mm，24 h變化量介于-0.8～1.7 mm；垂直位移累計量介于-1.6～1.7 mm，24 h變化量介于-1.5～-0.1 mm；各測點變化量均在±2.5 mm(測量精度)以內。綜合觀測誤差等因素，該部位在未繼續下部開挖的情況下，變形量較小。監測成果顯示，近期f37斷層及其影響塊體未發生變形。

2 f37斷層影響邊坡穩定性分析

2.1 3DEC離散元法邊坡穩定性分析

根據開挖揭露的巖體結構特征，不利斷層組合后可能在纜機平臺以下邊坡形成塊體1、塊體2，塊體1由f37、f169組合而成，塊體2由斷層f37、f166及優勢節理等組合而成，塊體均以f37為潛在底滑面，塊體的空間分布特征如圖5～7所示，計算表明，塊體1、塊體2及塊體1+塊體2組合塊體的潛在破壞模式均為滑移破壞。

圖5 塊體1典型破壞模式示意

圖6 塊體2典型破壞模式示意

圖7 塊體1+塊體2典型破壞模式示意

2.2 剛體極限平衡法邊坡穩定性分析

(1) 計算模型

根據赤平投影(見圖8)分析，f37作為底滑面與側滑面f169組合形成不利塊體1，f37作為底滑面與側滑面f169、f166組合形成不利塊體2，在重力及纜機荷載作用下，塊體1和塊體2有可能產生平面型滑動破壞。計算塊體1選取2-2剖面計算，塊體2選取4-4剖面計算，如圖9、10所示。

圖8 穩定性分析赤平投影圖

圖9 塊體1典型剖面示意 單位：m

(2) 計算結果

穩定分析分為邊坡完成開挖后，纜機基礎混凝土澆筑前、纜機基礎混凝土澆筑后(纜機未運行)、纜機運行期三個時期進行計算。考慮邊坡永久運行期無纜機運行荷載，而其設計安全系數與纜機運行期一致，故纜機運行期若能夠滿足設計安全系數，邊坡永久運行期則自然滿足。

1) 纜機基礎混凝土澆筑前

纜機基礎混凝土澆筑前且無支護措施時對塊體1、塊體2進行剛體極限平衡計算，其穩定安全系數如表1所示。在暴雨狀態下塊體1的安全系數值小于標準值1.15，不滿足規范要求。故需對塊體1采取加固措施。經復核計算，為滿足塊體1暴雨期穩定要求，需要單寬1 200 kN加固力，即布置3排2 000 kN預應力錨索@5 m×5 m。

表1 塊體1、塊體2穩定安全系數

2) 纜機基礎混凝土澆筑后(纜機未運行)

高程2 187.00～2 130.00 m邊坡按設計已明確的4排錨索措施施工完成后，對塊體1和塊體2進行剛體極限平衡計算，其穩定安全系數如表2所示。

表2 塊體1、塊體2穩定安全系數

表2可知，在暴雨狀態下塊體1的安全系數值1.11，不滿足規范要求。塊體2滿足規范要求。故纜機基礎混凝土澆筑后塊體1不滿足規范要求，控制工況為暴雨工況，需要在澆筑基礎混凝土前采取加強支護處理措施。

經計算分析，為使塊體1在澆筑纜機基礎混凝土后滿足穩定要求，需單寬加固力2 000 kN，布置5排2 000 kN預應力錨索@5 m×5 m，控制工況為暴雨工況；為使塊體2滿足穩定要求，需要單寬加固力800 kN，需要布置2排2 000 kN預應力錨索@5 m×5 m，控制工況為暴雨工況。

3) 纜機運行期

經計算分析，為滿足塊體1在纜機運行期各種工況下的穩定性，需單寬加固力3 600 kN，布置9排2 000 kN預應力錨索@5 m×5 m，控制工況為暴雨工況；為滿足塊體2在纜機運行期各種條件下的穩定性，需要單寬加固力2 400 kN，布置6排2 000 kN預應力錨索@5 m×5 m，控制工況為暴雨工況。加固后，塊體1和塊體2穩定安全系數如表3所示。

表3 加固后塊體1、塊體2穩定安全系數

3 加固措施及安全監測布置

根據塊體穩定計算分析成果，為滿足邊坡下挖及纜機混凝土澆筑、纜機運行邊坡穩定要求，對加固及監測措施設置如下：

(1) 爆破開挖2 130.00 m高程以下邊坡及纜機基礎混凝土澆筑前需完成的加固措施(Ⅰ期加固)。

(2) 纜機運行前需完成的加強支護措施(Ⅱ期加固)。

(3) 針對斷層f37影響區域原已布置1套多點位移計、6支錨桿應力計、2臺錨索測力計、2個表面變形測點。為觀測在施工期及運行期間f37斷層對左岸纜機運行及邊坡穩定的影響，在高程2 187.00 m平臺裂縫產生位置增加2組三向測縫計，觀測f37斷層變形情況；同時在2 162.00 m高程新增的錨索上選擇布置1臺錨索測力計，在2 143.00 m高程新增的錨索上選擇布置1臺錨索測力計。

4 結 論

(1) f37斷層所在左岸壩肩邊坡巖性為花崗閃長巖，高程2 187.00 m以下邊坡主要受f37影響，可能形成以f37為底滑面，以f169斷層、f166斷層為側滑面的潛在不穩定塊體，在重力及纜機荷載作用下，可能產生滑移破壞。

(2) 三維離散元計算成果表明，f37斷層和f169斷層組合形成的塊體1以及f37斷層、f169斷層、f166斷層組合形成的塊體2破壞模式均為以斷層f37為底滑面的滑移破壞模式。

(3) 剛體極限平衡計算成果表明,為滿足纜機運行及邊坡永久運行的穩定要求，應對塊體1和塊體2進行加固，布置5排2 000 kN預應力錨索后，塊體各工況下安全系數均滿足規范要求；布置9排2 000 kN預應力錨索支護后，各種荷載組合情況下，塊體各工況下安全系數均滿足規范要求，說明當前擬定支護方案是合適的，能夠滿足纜機運行期及永久運行期邊坡穩定要求。

(4) 在邊坡后續的開挖過程中，應重視對塊體1、塊體2變形監測數據的分析，及時反饋并為邊坡支護提供依據。