楊房溝水電站尾水出口邊坡穩(wěn)定性分析及處理方案

趙鵬，吳疆，周勇，潘兵

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州，310014)

1 工程基本情況

1.1 工程概況

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內的雅礱江中游河段上，是規(guī)劃中該河段的第6級水電站。電站樞紐主要建筑物包括擋水建筑物、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物等。

尾水出口為引水發(fā)電系統(tǒng)尾部建筑物，布置在二道壩與楊房溝之間，1#和2#尾水洞出口距離二道壩分別為90m和140m。尾水出口邊坡坡高接近400m，邊坡走向接近N35°W，2260m高程以下地形坡度40°～50°，2260m～2350m高程地形坡度60°～70°，局部呈陡崖地貌。尾水出口自2001.65m高程尾水出口平臺以上分別布置了2060m、2030m高程兩級馬道。

1.2 基本地質情況

尾水出口邊坡巖性為花崗閃長巖，巖體以次塊狀結構為主。根據現場揭露的情況，開挖面以Ⅲ類巖體為主，但表層2m～7m范圍坡體為強風化、強卸荷巖體，為IV類巖體。邊坡開挖中未發(fā)現較大規(guī)模斷層，但發(fā)育多條小斷層和擠壓破碎帶，這些IV級結構面均為巖塊巖屑型，大部分傾向坡內，其中部分結構面傾向坡外，且與坡面夾角較小，對邊坡的穩(wěn)定性具有不利影響。

邊坡開挖整體成型相對較好，但坡表結構面中等發(fā)育，受斷層、節(jié)理切割影響，特別是開口線部位強卸荷區(qū)、順坡向優(yōu)勢節(jié)理發(fā)育部位或在不利結構面組合情況下，局部出現了開挖卸荷導致的淺層巖體松弛拉裂、塊體穩(wěn)定問題。

1.3 初期支護方案

尾水出口邊坡按照從高至低的順序，分層分序開挖，一次開挖高程15m，每30m設一級馬道，共設3級馬道，馬道高程分別為2060m、2030m、2001.65m，邊坡開挖坡比為1∶0.3。尾水出口邊坡主要采用系統(tǒng)錨噴支護，針對開挖過程中揭露的Ⅲ2類圍巖，支護參數為：系統(tǒng)錨桿：φ25/φ28，L=6m/9m@2.0m×2.0m，外露10cm；掛網噴混凝土：系統(tǒng)掛鋼筋網φ6.5@15cm×15cm，系統(tǒng)噴C25混凝土，厚15cm；預應力錨索：隨機布置預應力錨索T=1000kN/2000kN，L=30m/40m。針對開挖過程中揭露的Ⅲ1類圍巖，支護參數為：系統(tǒng)錨桿：φ25/φ28，L=4.5m/6m@2.0m×2.0m，外露10cm；掛網噴混凝土：系統(tǒng)掛鋼筋網φ6.5@15cm×15cm，系統(tǒng)噴C25混凝土，厚15cm；預應力錨索：隨機布置預應力錨索T=1000kN/2000kN，L=30m/40m。

2 尾水出口邊坡三維模型及基本參數

2.1 三維模型建立

圖1為尾水出口邊坡開挖數值計算模擬的整體三維模型，該數值計算模型范圍：220m×300m×350m(x×y×z)，模型底部高程為1900m。模型坐標系設置如下：x軸為垂直河流流向的E-W向，y軸為順河流流向的N-S向，z軸為鉛直向。根據現場施工方案，擬定了相應的分序開挖模型，模型中每開挖步的開挖高程約為30m。

圖1 尾水出口邊坡整體三維模型

2.2 巖體本構模型及力學參數取值

本計算中的巖體本構模型采用摩爾庫倫彈塑性本構模型，巖體物理力學參數取值如表1所示。

表1 巖體物理力學參數取值

2.3 巖體結構面本構模型與參數

數值模擬中采用的主要初始參數如表2所示，圖2為工程邊坡區(qū)域開挖揭露的主要IV級結構面空間分布情況。

表2 結構面物理力學參數

圖2 尾水出口邊坡模型中模擬的主要結構面

2.4 初始地應力場

尾水出口邊坡開挖面主要位于邊坡淺部卸荷巖體中，水平開挖深度最大約30m，根據上述經驗認識，這些區(qū)域的地應力場受河谷地形地貌的影響相對較大。圖3給出了天然狀態(tài)下尾水出口邊坡典型剖面的最大主應力和最小主應力分布情況。工程邊坡淺層一定深度范圍內卸荷特征明顯，高高程部位以自重應力為主，岸坡應力從上至下初始地應力水平呈增高趨勢。在邊坡開挖區(qū)，最大主應力一般在10MPa以內，最小主應力一般在2MPa以內，其中坡腳部位應力水平相對較高。

圖3 天然邊坡典型剖面初始地應力場分布特征

3 尾水出口邊坡開挖響應特征及穩(wěn)定分析

尾水出口邊坡的穩(wěn)定性不僅受到自然條件下穩(wěn)定特征的控制，還與施工期邊坡具體的開挖支護方案和運行期的各類工程因素等關系密切，因此，本文利用3DEC數值模擬軟件，對后續(xù)施工期間的邊坡開挖響應特征進行模擬，并對邊坡穩(wěn)定性進行分析。

3.1 邊坡開挖至2060m高程馬道階段

3.1.1 邊坡開挖變形特征

圖4給出了尾水出口邊坡開挖至2060m高程時坡體變形的累計與分布情況；圖5給出了坡體變形分量分布情況，三個分量分別以順河流方向、水平面朝向坡外、鉛直向下為負。在該階段，邊坡的主要變形為典型的向臨空面的卸荷回彈變形，開挖坡面的累計變形量值約為2mm～5mm，其中1#尾水出口邊坡變形量級略高，主要集中在開口線附近，卸荷變形特征也相對明顯。

圖4 邊坡開挖至2060m高程的典型剖面累計變形分布

圖5 邊坡開挖至2060m高程的橫河向變形(左)、順河向變形(中)和鉛直向變形(右)分布

根據以上計算成果可以看出，尾水出口邊坡2060m高程以上開挖過程中，坡體具有較好的整體穩(wěn)定特征，邊坡開挖以卸荷回彈變形為主。

3.1.2 邊坡穩(wěn)定性分析

在數值計算的基礎上，通過強度折減法，對邊坡開挖過程中的變形特征及穩(wěn)定性進行分析。圖6是邊坡2060m高程以上開挖完成后，不同強度折減系數下的位移云圖(強度折減系數范圍為1.0～1.6)。其中在強度折減系數為1.4的情況下，2#尾水出口邊坡區(qū)域存在塊體滑移失穩(wěn)現象，該塊體主要有由f24、f38、f44等結構面組合而成，可以認為當前開挖階段，該塊體的安全系數在1.3～1.4；當強度折減系數為1.6時，受不利結構面f16、L11影響，1#尾水出口邊坡中下部區(qū)域也表現出明顯的非連續(xù)變形特征，該區(qū)域淺層巖體存在一定失穩(wěn)風險。

圖6 尾水出口邊坡開挖至2060m階段不同強度折減系數下坡體位移分布

由上述分析可知，尾水出口邊坡2060m高程以上開挖后，邊坡仍處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，但局部仍存在潛在塊體穩(wěn)定問題，其中2#尾水出口邊坡區(qū)域存在由f24、f38、f44等結構面組合而成的潛在不穩(wěn)定塊體，其安全系數在1.3～1.4。總體上看，此階段開挖對尾水出口邊坡整體穩(wěn)定性的影響較小，但對開挖影響區(qū)內局部塊體穩(wěn)定具有一定影響。

3.2 邊坡開挖至2030m高程馬道階段

3.2.1 邊坡開挖變形特征

圖7、圖8給出了尾水出口邊坡開挖至2030m高程的累計變形及變形分量的分布情況，在該階段，邊坡的主要變形仍然為典型的向臨空面的卸荷回彈變形。其中新開挖面的累計變形一般在2mm～6mm左右，局部受斷層影響，表現出一定的非連續(xù)變形特征，如1#尾水出口邊坡下游側開口線附近，受斷層f68影響，斷層上盤巖體變形在10mm～15mm，與優(yōu)勢節(jié)理、卸荷裂隙組合后，可能存在局部巖體松弛和坍塌破壞風險。2030m開挖平臺的累計變形一般可達到6mm～12mm，主要為向上的卸荷回彈變形。此開挖階段，下部開挖對邊坡上部(2060m高程以上)開口線以外淺表巖體有一定影響，變形增量一般在1mm～3mm，影響范圍一般在開口線外10m左右。其中1#尾水出口邊坡開口線外巖體，因其臨空卸荷條件十分不利(受楊房溝影響)，受下部開挖施工擾動影響相對明顯，范圍一般可達到邊坡開口線外20m以上。

圖7 邊坡開挖至2030m高程的典型剖面累計變形分布

圖8 邊坡開挖至2030m高程的橫河向變形(左)、順河向變形(中)和鉛直向變形(右)分布

綜上，在本階段邊坡巖體的主要變形仍然為典型的向臨空面的卸荷回彈變形，整體變形量值相對較小，表明邊坡仍具備一定的整體穩(wěn)定性。另外，局部開挖邊坡開口線附近存在一定的卸荷松弛變形問題。

3.2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

圖9是尾水出口邊坡在不同強度折減系數下的位移云圖(強度折減系數范圍為1.0～1.6)。在強度折減系數為1.5的情況下，邊坡部分區(qū)域出現變形顯著增長情況，2030m高程以上2#尾水出口邊坡區(qū)域存在塊體滑移失穩(wěn)現象；當強度折減系數為1.6時，1#尾水出口邊坡2030m以上斷層f16坡面出露區(qū)域存在較明顯的非連續(xù)變形特征。

圖9 尾水出口邊坡開挖至2030m高程階段不同強度折減系數下坡體位移分布

2#尾水出口邊坡永久開挖面部位存在由f24、f38、f44等結構面組合而成的潛在不穩(wěn)定塊體，塊體分布高程在2040m～2080m，水平深度約5m～20m，當前階段該塊體的安全系數在1.4～1.5，作為永久工程邊坡，現場應根據實際開挖揭示情況并制定針對性加強支護方案。

斷層f16對1#尾水出口邊坡2030m高程以上區(qū)域有一定不利影響，可導致該區(qū)域淺層巖體松弛或局部塊體變形和破壞問題。另外，斷層f16對臨時開挖平臺2030m高程同樣存在一定不利影響，特別是與下部L11及優(yōu)勢節(jié)理組合后，存在局部坍塌破壞的風險，開挖控制不當將會造成該臨時施工平臺的缺失或垮塌，進而影響現場排架搭設和后續(xù)開挖施工，也會對該階段施工安全造成一定的不利影響。因此，在邊坡2060m～2030m高程開挖階段，應加強斷層f16發(fā)育區(qū)域的巖體結構調查工作，分析研究潛在的不利結構面組合交切關系，必要時應采取針對性加強錨固措施。

綜上所述，尾水出口邊坡2060m～2030m高程開挖完成后，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但局部存在潛在塊體穩(wěn)定問題。

3.3 邊坡開挖至2001.65m高程平臺階段

3.3.1 邊坡開挖變形特征

圖10、圖11給出了邊坡2030m～2001.65m高程開挖階段的累計變形及變形分量的分布情況。在該階段，邊坡的主要變形仍然為典型的向臨空面的卸荷回彈變形，其中新開挖面的累計變形一般在4mm～10mm，卸荷變形特征在邊坡開口線附近表現的較為明顯。2001.65m高程開挖平臺的累計變形一般可達到10mm～15mm，主要為向上的卸荷回彈變形。

圖10 邊坡開挖至2001.65m高程的典型剖面累計變形分布

圖11 邊坡開挖至2001.65m高程的橫河向變形(左)、順河向變形(中)和鉛直向變形(右)分布

綜上，在本階段邊坡巖體的主要變形仍然為典型的向臨空面的卸荷回彈變形，整體變形量值相對較小，表明邊坡仍具備一定的整體穩(wěn)定性。

3.3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

圖12為尾水出口邊坡在不同強度折減系數下的位移云圖(強度折減系數范圍為1.0～1.6)。與前一開挖梯段相似，2#尾水出口邊坡區(qū)域存在由f24、f38、f44等結構面組合而成的潛在不穩(wěn)定塊體，該塊體的安全系數在1.4～1.5；1#尾水出口邊坡上部區(qū)域變形及穩(wěn)定性受斷層f16影響較明顯，該部位安全系數在1.5左右。

圖12 尾水出口邊坡開挖至2001.65m高程階段不同強度折減系數下坡體位移分布

整體上，尾水出口邊坡2030m～2001.65m高程開挖階段對其整體穩(wěn)定性影響較小，在坡面部分卸荷松弛塊體被挖除后，邊坡安全系數可普遍維持在1.4以上，邊坡整體穩(wěn)定性較好。

3.4 小結

通過對尾水出口邊坡開挖模擬及穩(wěn)定性分析，可以看出工程邊坡具備一定的整體穩(wěn)定性，但局部存在塊體穩(wěn)定問題。其中2#尾水出口區(qū)域存在由f24、f38、f44等結構面組合而成的潛在不穩(wěn)定塊體，該塊體的安全系數在1.4～1.5；1#尾水出口區(qū)域邊坡整體穩(wěn)定性較好，其下部區(qū)域的穩(wěn)定性較中上部偏低，整體安全系數可達到1.5左右，坡體局部受不利結構面f16、L11影響，存在淺層塊體變形及穩(wěn)定問題。

綜上，應主要針對2#尾水出口邊坡存在的潛在不穩(wěn)定塊體、1#尾水出口邊坡的斷層影響區(qū)，制定加強支護方案。

4 尾水出口邊坡加強支護措施

4.1 1#尾水出口邊坡加強支護措施

針對f16斷層影響區(qū)，在1#尾水出口2060m～2030m高程邊坡原支護方案基礎上，增設部分預應力錨索加強錨固(見圖13)：

圖13 1#尾水出口2030m～2060m高程工程邊坡預應力錨索布置示意

(1)2052m高程布置3根預應力錨索WS-M50-WS-M52，T=1000kN、L=30m錨索和T=2000kN、L=40m錨索長短間隔布置，間距5m，下傾15°；

(2)2047m高程布置1根預應力錨索WS-M53，T=2000kN，L=40m錨索，下傾15°；

(3)2042m高程布置4根預應力錨索WS-M54～WS-M57，T=1000kN、L=30m錨索和T=2000kN、L=40m錨索長短間隔布置，下傾15°。

4.2 2#尾水出口邊坡加強支護措施

針對斷層f24、f38、f44組合形成的不利塊體，在2#尾水出口2060m～2030m高程邊坡原支護方案基礎上，增設部分預應力錨索加強錨固(見圖14)：

圖14 2#尾水出口2030m～2060m高程工程邊坡預應力錨索布置示意

(1)2055m高程布置3根預應力錨索WS-M63-WS-M65，T=1000kN、L=30m錨索和T=2000kN、L=40m錨索長短間隔布置，間距5m，下傾15°；

(2)2050m高程布置3根預應力錨索WS-M66～WS-M68，T=1000kN、L=30m錨索和T=2000kN、L=40m錨索長短間隔布置，間距5m，下傾15°。

5 尾水出口邊坡監(jiān)測成果分析

尾水出口邊坡共埋深14個表面變形測點、4套多點位移計、11組錨桿應力計和3臺錨索測力計。出口邊坡開挖完成后，監(jiān)測成果如下：

(1)表面變形測點監(jiān)測：目前臨空向最大累計位移10.6mm、順河向最大累計位移-8.2mm、垂直向最大累計位移12.7mm，累計水平及沉降變形量小。

(2)多點位移計監(jiān)測：目前多點位移計變形量介于0.8mm～2.34mm之間，各多點位移計變形量小。

(3)錨桿應力計：目前實測錨桿應力介于-1.08MPa～63.80MPa，月變化量介于-6.18MPa～2.85MPa，變化量小。

(4)錨索測力計監(jiān)測：100t錨索測力計實測荷載介于1045.4kN～1072.9kN，監(jiān)測錨索目前荷載占設計荷載比率為104.54%～107.29%，月變化量介于-4.7kN～-0.2kN，荷載損失率介于-3.67%～0.63%。

監(jiān)測成果表明：多點位移計、表面變形觀測、錨桿應力計和錨索測力計各項監(jiān)測數據測值穩(wěn)定或收斂，按要求支護后邊坡穩(wěn)定性較好。

6 結語

本文利用楊房溝水電站尾水出口邊坡揭露的地質條件，通過3DEC軟件建立三維模型以及進行數值模擬計算，分析邊坡開挖過程中的開挖響應特征以及邊坡穩(wěn)定性，找出開挖過程中潛在的不利因素，并制定相應的針對性加強支護措施，從而保證施工期的安全性及運行期的邊坡整體穩(wěn)定性。主要結論如下：

(1)尾水出口邊坡在開挖施工過程中，主要變形特征為向臨空面的卸荷回彈變形，邊坡的累計變形量隨開挖高程由高至低呈現逐步遞增的規(guī)律，下部坡腳一帶地應力偏高，相應的開挖卸荷也相對明顯，邊坡典型部位的開挖變形量值總體在20mm以內，其中卸荷變形特征相對明顯區(qū)域主要集中在開口線附近。

(2)工程邊坡具備一定的整體穩(wěn)定性，但局部存在塊體穩(wěn)定問題。其中2#尾水出口區(qū)域存在由f24、f38、f44等結構面組合而成的潛在不穩(wěn)定塊體，該塊體的安全系數在1.4～1.5；1#尾水出口區(qū)域邊坡整體穩(wěn)定性較好，其下部區(qū)域的穩(wěn)定性較中上部偏低，整體安全系數可達到1.5左右，坡體局部受不利結構面f16、L11影響，存在淺層塊體變形及穩(wěn)定問題。

(3)針對尾水出口邊坡局部存在的塊體穩(wěn)定問題，通過在塊體、斷層影響區(qū)域增設錨索的方式加強邊坡支護，提高了塊體的安全系數，保證了邊坡的整體穩(wěn)定性。

(4)邊坡開挖完成后，通過邊坡監(jiān)測成果可以看出，各項監(jiān)測數據測值穩(wěn)定或收斂，表明按要求支護后邊坡的穩(wěn)定性較好。