烏東德水電站右岸拱肩槽邊坡穩定性研究

李會中，王吉亮，黃孝泉，楊 靜，劉沖平，白 偉，馮 龍

(1.長江勘測規劃設計研究院，武漢 430010;2.三峽大學，湖北 宜昌 443002;3.上海交通大學，上海 200240)

我國西南地區一系列在建或擬建的大型水電樞紐工程多居高山峽谷地區，巖石高邊坡極其復雜，其穩定性對工程安全具有重要影響。對此，眾多學者采用包括現場工程地質條件的系統調研及室內綜合分析［1－2］、變形機制的理論研究［3－4］、大型三維數值計算［5－6］、以及人工智能方法［7－8］等研究手段，針對高邊坡穩定問題開展了一系列深入的研究，并取得了豐富的成果，眾多的研究無疑推動了人們對該地區巖石高邊坡變形及穩定性的本質認識。

本文以金沙江烏東德水電站右岸拱肩槽人工邊坡為工程背景，以現場工程地質條件的系統調研為基礎，將宏觀地質分析與數值模擬相結合，分層次對人工邊坡整體穩定與局部穩定問題進行了系統研究。

1 工程概況

擬建烏東德水電站是金沙江下游河段4個水電梯級中的最上游梯級，以發電為主，兼顧防洪、航運、攔沙等綜合利用效益，是西電東送骨干電源點之一，大壩采用拋物線混凝土雙曲拱壩，壩高265 m，設計正常蓄水位975 m，相應庫容58.63億 m3，裝機容量10 200 MW。

壩址河谷呈狹窄“V”型，兩岸地形基本對稱(見圖1)。右岸自然邊坡高約1 630 m，高程1 100 m以下平均坡度65°，坡高約300 m;高程1 100～1 300 m平均坡度約32°，高程1 300 m以上平均坡度50°。

圖1 烏東德水電站壩址區三維影像圖Fig.1 Three-dimensional diagram of the dam site of Wudongde hydropower station

根據邊坡走向，將右岸拱肩槽人工邊坡分為4個坡段，分別為上游橫河向坡、上游側向坡、正面坡和下游邊坡，如圖2。邊坡巖體由前震旦系會理群褶皺基底地層組成，地層近橫河向展布，陡傾下游偏右岸。斷層不發育，地表僅見6條斷層，其中僅f42可能于正面坡和上游側向坡高程1 110 m附近出露;平洞內揭露的斷層僅有f62－1可能于上游側邊坡高程990 m附近出露。主要發育2組優勢裂隙，其中:優勢裂隙1產狀為260°～280°∠40°～60°，即順河向、傾坡內、中傾角裂隙;優勢裂隙2產狀為60°～80°∠50°，即順河向、傾坡外、中傾角裂隙。主要結構面特征見表1。

圖2 右岸拱肩槽邊坡工程地質平面圖Fig.2 Plan view of the engineering geology of slope at the right abutment

表1 主要的結構面特征表Table 1 Characteristics of major structural planes

2 物理力學參數與設計開挖坡比

2.1 物理力學參數

以巖體與結構面工程地質特征為基礎，以現場和室內試驗成果為依據，以規程規范及類似工程為參考，綜合確定巖體與結構面物理力學參數(如表2、表 3)。

2.2 設計開挖坡比

參考類似水電工程人工邊坡設計坡比［9－11］、《水利水電工程地質手冊》［12］建議的巖石邊坡開挖坡比，依據烏東德壩址區自然邊坡穩定坡比調查結果，確定右岸拱肩槽邊坡開挖坡比(見表4)。

表2 巖體物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of rock mass

表3 結構面抗剪強度參數Table 3 Shear strength parameters of structural planes

表4 設計開挖坡比Table 4 Designed magnitudes of slope excavation

3 整體穩定性分析與評價

3.1 工程地質分析與評價

拱肩槽人工邊坡巖質堅硬;上游橫河向坡、上游側向坡、正面坡和下游邊坡分別為斜向坡、橫向坡、反向坡、斜向坡結構;斷層與裂隙總體不發育，多短小;邊坡主要為非卸荷與弱卸荷巖體，局部即頂部或淺表部存在強卸荷巖體(圖3中黃色區域);巖體質量主要為Ⅱ1～Ⅲ1級，少量Ⅲ2級，如圖3。人工邊坡結構有利、卸荷不發育、巖體質量優良，整體穩定性較好。

3.2 數值模擬計算

采用三維離散元程序(3DEC)對拱肩槽邊坡進行模擬計算［13］，計算模型如圖4，由于拱肩槽與引水洞進口邊坡聯合開挖，故將引水洞進口邊坡一并建模。模型中開挖步設置與設計馬道一致，共分24個開挖步。在計算模型中考慮了結構面對邊坡穩定性的影響，主要結構面(見圖5)包括:①層面:產狀為180°∠85°;②確定性結構面:主要包括模型范圍內的斷層及主要長大裂隙，如f42等。

圖3 各坡段巖體質量分級立視圖Fig.3 Elevation view of the rock mass quality classification of each slope segment

圖4 邊坡計算模型Fig.4 Slope model for calculation

計算成果如圖5，從中可以看出:邊坡巖體變形量較小，呈現較好的穩定狀態。從巖體變形隨強度折減系數間的突變規律來看，當強度折減系數為1.7時，變形總量和變形范圍較為明顯，經驗判斷邊坡穩定系數應在1.6～1.7之間。

4 局部穩定性分析與評價

4.1 塊體模式分析

拱肩槽邊坡主要結構面特征見表1，邊坡傾向及坡角見表5。

圖5 邊坡計算成果(變形狀態)Fig.5 Calculated deformation condition of artificial slope

表5 邊坡傾向及坡角Table 5 Dip direction and dip of artificial slope

拱肩槽邊坡處，斷層等定位結構面不發育，由表1分析可知，不具備組合定位塊體的邊界條件，只能組合半定位和隨機塊體。

上游橫河向坡，以優勢裂隙2與層面為底滑面，以優勢裂隙1為頂部切割面，組合可形成雙滑面型塊體(塊體1)。

上游側向坡，以f62－1為下游切割面，優勢裂隙1為頂部切割面，優勢裂隙2為底滑面，組合可形成平面滑動型塊體(塊體2);以f42為頂部切割面，優勢裂隙2為底滑面，層面為下游切割面，組合可形成平面滑動型塊體(塊體3);以優勢裂隙1為頂部切割面，優勢裂隙2為底滑面，層面為下游切割面，組合可形成平面滑動型塊體(塊體4)。

正面坡邊坡結構為反向坡，斷層、裂隙、層面組合無法形成塊體，層面反傾，主要破壞模式為傾倒型。

下游邊坡以優勢裂隙1與層面為底滑面，優勢裂隙2為頂部切割面，組合可形成雙滑面型塊體(塊體5)。

各坡段可能形成的塊體模式見表6。

4.2 塊體規模與埋深分析

壩址右岸坡面裂隙長度統計分析表明，裂隙長度分布區間大體可分為30～60 m，10～30 m，5～10 m，所占比例分別為5.4%，23.7%，70.9%，可見以5～30 m裂隙為主，累計占94.6%。因此，塊體邊界面延伸長度中，出于工程安全考慮，優勢裂隙長度按30 m計，而斷層和層間剪切帶按坡面調查實際長度計，以空間幾何方法可計算出各塊體規模與埋深，計算結果見表7。

表6 塊體模式表Table 6 Modes of blocks

表7 塊體規模與埋深Table 7 Block scales and depths

4.3 塊體穩定性宏觀地質分析

塊體的穩定性主要取決于三方面因素:①組成塊體的結構面幾何特征，如產狀和連通性等;②組成塊體的結構面性狀，如粗糙起伏程度、張開度、充填物等;③組成塊體的結構面卸荷松弛張開特征。

依據塊體穩定性控制因素，結合烏東德水電站壩址區右岸拱肩槽邊坡實際情況，塊體穩定性評價標準如表8。

表8 塊體穩定性評價標準Table 8 Evaluation standard of block stability

依據上述評價標準對拱肩槽邊坡可能組合塊體進行了穩定性評價，如表9。從表可知，塊體滑面或交棱線傾向與坡面傾向夾角均較小，結合表1中結構面性狀，可以判定:除上游側向坡處塊體2，3穩定性稍差外，其它坡段塊體均處于基本穩定狀態。

表9 塊體穩定性宏觀評價表Table 9 Result of block stability evaluation

5 結論

(1)烏東德水電站右岸拱肩槽邊坡結構有利、卸荷不發育、巖體質量優良，整體穩定性較好;數值模擬結果顯示邊坡開挖過程中坡體變形場穩定，穩定系數在1.6～1.7之間。宏觀地質評價及數值模擬皆表明右岸拱肩槽邊坡整體穩定性較好。

(2)通過塊體分析，確定了各坡段可能形成的塊體模式、方量、埋深等特征。依據控制塊體穩定性的結構面幾何特征、工程性狀和卸荷特征3個因素，建立了塊體穩定性評價標準，并依此對拱肩槽邊坡可能構成的塊體穩定性進行了評價，結果表明除上游側向坡可能形成的塊體穩定性稍差外，其它坡段可能形成的塊體均處于基本穩定狀態。

(3)鑒于上述穩定性評價與認識，建議以系統噴錨加固、地表(下)排(截)水、變形監測為基礎，并輔以針對塊體的錨固或清除等措施。施工程序上，建議單級邊坡開挖支護完成后方可下一級邊坡開挖。

(4)施工過程中拱肩槽邊坡可能出現塊體的具體位置及穩定性評價需以全面、系統的施工地質工作為基礎進一步明確，并據此調整優化相應工程措施。

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