大崗山水電站纜機平臺左岸邊坡穩定分析與評價

潘燕芳，劉 翔，黎滿林

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

大崗山水電站位于四川省西部大渡河中游石棉縣境內，是大渡河干流近期開發的大型水電工程之一，壩址處控制流域面積達6.27萬km2，占全流域的81%，多年平均流量1010m3/s，電站正常蓄水位1130m，最大壩高210m，總庫容7.42億m3，電站裝機容量2600MW。

左岸纜機自然邊坡高陡，地形較完整，無溝谷切割，地形坡度約40°，地表零星分布崩坡積物。基巖為灰白色、微紅色黑云二長花崗巖(γ24－1)，有輝綠巖脈穿插。纜機平臺位于海流溝與大渡河次級分水嶺的北西坡，其后次級分水嶺高1540～1400m，坡面沖溝不發育，地形較完整，地表植被較好。左岸纜機平臺及邊坡區主要發育 β6、β101、β99、β9、β78(f117)、β79、β166等巖脈破碎帶，裂隙主要發育有③、④、⑥3組。邊坡微新巖體以塊狀、次塊狀結構為主，陡傾角的巖脈破碎帶擠壓較緊密，但表淺部風化卸荷強烈，巖體呈碎裂－塊裂結構，巖體質量較差。PLⅢ－PLⅢ工程地質剖面見圖1。

2 計算條件

2.1 計算參數

計算中采用的巖體及結構面物理力學參數見表1、2，巖脈及斷層物理力學參數見表3。

2.2 開挖施工過程

圖1 PLⅢ－PLⅢ工程地質剖面

左岸纜機PLⅢ－PLⅢ剖面邊坡開挖模擬過程(見圖2):第一步:1450m高程以上開挖;第二步:1450～1420m高程坡段開挖;第三步:1420～1390m高程坡段開挖，1450m高程以上坡段支護;第四步:1390～1360m高程坡段開挖，1450～1420m高程坡段支護;第五步:1360～1330m高程坡段開挖，1420～1390m高程坡段支護;第六步:1330～1300m高程坡段開挖，1390～1360m高程坡段支護;第七步:1300～1270m高程坡段開挖，1360～1330m高程坡段支護;第八步:1270～1255m高程坡段開挖，1330～1300m高程坡段支護;第九步:1255～1225m高程坡段開挖，1300～1270m高程坡段支護;第十步:1225～1195m高程坡段開挖，1270～1255m高程坡段支護;第十一步:1195～1165m高程坡段開挖，1255～1225m高程坡段支護;第十二步:1165～1135m高程坡段開挖，1225～1195m高程坡段支護。

表1 邊坡巖體有限元計算力學參數

表2 邊坡巖體結構面有限元計算力學參數

2.3 加固方案

1135m高程以上設置預應力錨索，錨索參數為:100t或150t，間排距5m ×5m，長50～60m，俯角5°。考慮到邊坡實際施工過程中上下坡段之間的施工干擾，錨索的支護按滯后兩個施工坡段模擬。

3 有限元模型

左岸纜機PLⅢ－PLⅢ剖面邊坡二維有限元模型見圖2。模型計算范圍橫河向920m(從河床中心線向左岸坡內取920m)，垂直向900m(從高程600m到高程1500m)。有限元模型對卸荷及風化界線，巖體質量分類界線，β101、β99、β6、β184、β166、β79、β28、β21等巖脈和 f172、f112、f67、f33等斷層進行了細致模擬，共剖分單元2260個，結點4672個，其中開挖單元147個。

4 有限元分析及評價

4.1 變形分析

在邊坡開口線及各級馬道外緣選取12個關鍵點(見圖3)。邊坡關鍵點在邊坡開挖過程中的累積變形量隨開挖的變化見圖4。各開挖步下關鍵點的變形增量及累積變形增量見表4。開挖完成累積變形矢量圖見圖5。從變形計算結果可見:

表3 左岸邊坡巖脈及斷層的物理力學參數

圖3 關鍵點位置

(1)總體上，纜機平臺PLIII－PLIII剖面左岸邊坡開挖支護后，水平方向位移基本指向坡內，在垂直方向上表現為向上回彈變形。開挖至壩頂高程時，邊坡最大水平變形為53.3mm(向坡內)，最大垂直向變形為90.0mm(豎直向上)。

(2)在下挖過程中，各開挖步產生的水平變形增量大多指向坡內，且隨著開挖量的增大及開挖高程的下降，水平變形增量顯著增大，但在1135～1225m高程開挖時，水平變形增量又隨著開挖高程的下降而顯著減小。各開挖步產生的最大水平變形增量從0.5mm逐步增大到18.5mm，又從18.5mm減小到2.7mm。

(3)在下挖過程中，各開挖步產生的垂直變形增量一般表現為向上的回彈型變形，最大垂直變形增量隨著開挖高程的下降先增大后減小，垂直變形增量在3.7～21.7mm范圍內變化。

(4)從變形隨開挖的變化過程來看，一是開挖引起的回彈變形范圍隨開挖逐級增大;二是各級邊坡開挖對鄰級邊坡變形的影響最為顯著，對較遠坡段的影響逐步減弱。后繼邊坡開挖使開挖邊坡變形逐步增大，最終趨于平穩。

表4 纜機平臺PLIII－PLIII剖面左岸邊坡開挖過程中觀測點位移值

4.2 應力分析

左岸纜機PLIII－PLIII剖面邊坡的初始應力場及開挖至壩頂高程時的應力場主應力云圖見圖6(圖中主應力以拉為正，壓為負;應力單位MPa);邊坡開挖至壩頂高程時邊坡淺表層拉應力區見圖7。從圖中可見:

(1)邊坡大主應力基本與坡面平行，小主應力基本與坡面垂直。邊坡初始應力場基本上處于零應力或雙向受壓狀態，這對邊坡穩定有利。邊坡表面局部存在最大量值為0.125MPa的拉應力，但分布范圍及深度均不大，對邊坡整體穩定性影響不大。

(2)邊坡開挖至壩頂高程時，邊坡大主應力基本與開挖面平行，而小主應力基本與開挖面垂直。開挖面上的大主應力主要為壓應力，量值約為0～2.0MPa，坡腳最大壓應力約為2.0MPa;小主應力主要為低壓或低拉應力，最大拉應力約為0.06MPa，水平深度3～5m，處在系統錨桿的有效支護范圍內。

(3)邊坡開挖至壩頂高程時，邊坡拉應力分布范圍極小，對邊坡局部穩定性影響很小，表明預應力錨索起到了良好的支護作用。

4.3 塑性區分布

邊坡在初始地應力條件下以及邊坡開挖至壩頂高程時的塑性區見圖8。從圖中可見:

(1)從初始應力場塑性區的分布特征上看，邊坡塑性區主要沿Ⅴ類巖體底部界限呈條帶狀分布并呈貫通趨勢，表明邊坡淺表層的不穩定性較為突出，且邊坡的安全裕度不大。左岸纜機PLIII－PLIII剖面邊坡最危險滑動模式:是以Ⅴ類巖體底部界線為底滑面、剪出口位于坡腳的滑動模式。

(2)邊坡開挖完成后，邊坡塑性區被開挖邊坡截斷，在1300m高程以上邊坡和纜機平臺1270m高程以下邊坡形成兩段貫通的塑性區。1390m高程以上邊坡的塑性區埋深較大，預應力錨索的深度難以貫穿Ⅴ類巖體，因此1390～1300m高程鎖固段邊坡的預應力錨索對于抑制“以Ⅴ類底部界線為底滑面、剪出口位于1300m高程坡腳的滑動模式”的變形破壞至關重要;纜機平臺以下1270～1195m高程坡段Ⅴ類巖體中塑性區水平埋深較淺，處在預應力錨索的有效加固范圍內，因此預應力錨索的及時跟進是確保該坡段邊坡穩定性的關鍵。

圖4 各關鍵點累積變形隨開挖的變化曲線

圖5 開挖完成累積位移矢量圖

圖6 主應力云圖

5 結 語

圖7 開挖至壩頂高程時拉應力區分布

本文采用二維彈塑性有限元方法模擬左岸纜機PLIII－PLIII剖面邊坡開挖支護施工過程，研究邊坡在逐層開挖逐層支護過程中的應力－變形演化規律、預應力錨索對邊坡的加固支護效應以及對邊坡穩定性的影響，主要結論如下:

圖8 塑性區

(1)由計算成果分析可知，加固后的邊坡處于整體穩定狀態。開挖引起的回彈變形范圍隨開挖逐級增大;各級邊坡開挖對鄰級邊坡變形的影響最為顯著，對較遠坡段的影響逐步減弱。后繼邊坡開挖使開挖邊坡變形逐步增大，最終趨于平穩。

(2)邊坡開挖至壩頂高程時，邊坡大主應力基本與開挖面平行，小主應力基本與開挖面垂直。邊坡面拉應力分布范圍極小，對邊坡局部穩定性影響很小，表明預應力錨索起到了良好的支護作用。

(3)1390～1300m高程鎖固段邊坡的預應力錨索對于抑制“以Ⅴ類底部界線為底滑面、剪出口位于1300m高程坡腳的滑動模式”的變形破壞至關重要;纜機平臺以下1270～1195m高程坡段Ⅴ類巖體中的滑動破壞模式，其水平埋深較淺，在預應力錨索的有效加固范圍內，因此預應力錨索的及時跟進是確保該坡段邊坡穩定性的關鍵。

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