錦屏一級水電站霧化區左岸Ⅳ-Ⅵ號山梁穩定性分析及加固措施研究

張公平，曾 勇，唐忠敏

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072；2.四川大學水電學院，四川 成都 610065)

1 前 言

1.1 工程概況

錦屏一級水電站位于四川省鹽源縣、木里縣交界的雅礱江干流，是雅礱江水能資源最富集的中、下游河段五級水電開發中的第一級。電站以發電為主，兼有防洪﹑攔沙等作用。水庫正常蓄水位1 880.00m，總庫容77.6億m3，調節庫容49.1億m3，為年調節水庫。電站裝機容量3 600MW，樞紐由擋水﹑泄水及消能、引水發電等永久性建筑物組成，擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高305m，壩頂高程1 885.00m。泄水及消能建筑物由拱壩壩身4個表孔+5個深孔+2個放空底孔+1條右岸泄洪洞及壩后水墊塘+二道壩組成。

錦屏一級水電站壩址區河谷狹窄，谷坡陡峻，巖體松弛卸荷、變形拉裂現象嚴重，地質條件復雜。左岸坡體存在Ⅳ～Ⅵ號山梁變形拉裂巖體，變形拉裂巖體除發育f2、f5、f9、煌斑巖脈等地質構造外，還發育有深部裂縫，天然條件下，霧化區左岸邊坡現狀穩定，但穩定安全度不高。同時，樞紐泄洪流量大，水頭高，空中泄流落差大，泄洪霧化問題十分突出，泄洪雨霧對邊坡穩定性的影響較大，泄洪霧化區邊坡在泄洪霧化降雨的影響下邊坡穩定安全度降低，有可能發生邊坡失穩。

1.2 邊坡安全控制標準

根據水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準[1]，錦屏一級水電站工程規模為大(1)型，工程等別為一等，其永久性主要建筑物-混凝土拱壩、泄水消能建筑物、引水及地下廠房建筑物等按1級建筑物設計。其臨時性水工建筑物—圍堰、導流洞等按3級建筑物設計。泄洪霧化區左岸Ⅵ號山梁邊坡位于水墊塘及二道壩左右兩側，如其失穩，主要影響水墊塘及二道壩等1級永久性主要建筑物。Ⅳ號山梁邊坡位于下游圍堰左側及左導流洞出口上方，如其失穩，主要影響下游圍堰左側及左導流洞出口等3級臨時水工建筑物。根據水工建筑物邊坡等級劃分標準[2]，Ⅵ號山梁邊坡為1級邊坡，Ⅳ號山梁邊坡為2級邊坡。在采用極限平衡方法穩定分析時，其邊坡安全控制標準見表1。

表1 錦屏一級泄洪霧化區左岸邊坡設計安全系數

2 左岸霧化區邊坡基本地形地質條件

Ⅳ～Ⅵ號山梁位于壩軸線下游Ⅵ勘探線至III勘探線之間。地貌上為兩山梁夾一淺切沖溝，溝形在1 800m高程以上明顯，在此高程以下消失。坡體1 920m高程以下由雜谷腦組第二段第6、7、8層大理巖組成，坡度約60°～70°；1 920m高程以上為雜谷腦組第三段砂板巖，坡度約40°～50°。巖層產狀N10°～35°E，NW∠30°～45°，走向與天然邊坡基本一致，傾向坡里，屬典型的反向坡。

該部位是樞紐區左岸深部裂縫發育的典型地段，坡體內規模相對較大的結構面有：

f2斷層：發育在1 650～1 700m高程之間第6層大理巖中，基本順層展布，產狀N30°～40°E，NW∠40°～56°，走向與天然邊坡基本一致，傾向坡里，對坡體穩定不起控制作用。

f5斷層：產狀N35°～45°E，SE∠70°～80°，斜穿分布于壩區左岸巖體內，在Ⅵ勘探線下游出露于坡面，與谷坡小角度相交，陡傾坡外，構成了控制Ⅳ～Ⅵ號山梁前緣穩定的重要切割邊界。

f9斷層：出露于左岸1 920m高程以上的Ⅵ～A勘探線之間，沿走向方向延伸長度約300m，順傾向方向終止于1 720m高程附近。斷層產狀N60°～70°E，SE∠70°～80°，根據其巖性和切割關系分析，可能成為岸坡整體失穩的潛在后緣滑動面。

深部裂縫發育帶：總體產狀N25°～35°E，SE∠50°～80°，宏觀上形成了一平行岸坡展布的拉裂帶，向下延伸終止于1 700m高程，向上延伸在進入砂板巖后都表現為松弛張開的卸荷裂隙，1 700m高程以上部位深部裂縫及其旁側受其影響的一定寬度內的巖體為Ⅳ2級巖體，1 700m高程以下部位無深部裂縫發育的巖體為Ⅲ1級巖體。該深部裂隙發育帶的存在構成了控制Ⅳ～Ⅵ號山梁深層穩定的重要切割邊界。

左岸霧化區Ⅳ～Ⅵ號山梁平面地質圖見圖1，典型地質剖面見圖2、3。

3 泄洪霧化預測與邊坡滲流分析

3.1 泄洪霧化預測

泄洪“霧化”是泄水建筑物泄洪時伴生雨和霧的統稱，其主要的霧化源主要有三個：泄洪水流空中摻氣擴散、挑射水舌在空中碰撞消能和水舌入水激濺形成泄流。影響泄洪霧化強度和范圍的因素十分復雜。

根據1∶50泄洪霧化模型試驗，參考二灘工程泄洪霧化原型觀測成果，得出設計洪水條件下，錦屏一級大壩壩身4個表孔和5個深孔同時泄洪時壩身泄洪霧化降雨預測成果(見圖4)。

圖1 Ⅳ～Ⅵ號山梁典型地質平切圖及典型剖面位置

3.2 邊坡滲流分析成果

根據壩身泄洪霧化預測成果，開展了錦屏一級水電站泄洪霧化區邊坡泄洪霧化條件下的滲流分析，其主要結論如下：

(1)在無坡面防護措施、無山體地下排水情況下，泄洪霧化區左岸邊坡飽和區頂高程約為1 800m。

(2)在有坡面防護措施、無山體地下排水情況下，泄洪霧化區左岸邊坡飽和區頂高程約為1 740m。

(3)在有坡面防護措施、山體地下排水情況下，泄洪霧化區左岸邊坡飽和區頂高程約為1 670m。

圖2 Ⅵ-Ⅵ典型地質剖面

圖3 Ⅳ-Ⅳ典型地質剖面

圖4 設計洪水工況，4表孔+5深孔全開壩身泄洪霧化降雨預測等值線(mm/h)

4 邊坡加固設計

根據對Ⅳ～Ⅵ號山梁基本地質條件、泄洪霧化降雨預測和滲流分析，初步擬定左岸Ⅳ～Ⅵ號山梁加固措施如下：

4.1 坡面截、防、排水系統

對邊坡設置系統的周邊截水溝和坡面排水溝，從而形成了系統、可靠的坡面排水網絡；根據泄洪霧化降雨預測成果，對于泄洪霧化雨強度超過50mm/h以上的區域、坡面地質條件相對較差的斷層出露區域、對防滲排水要求較高的抗力體區域采用了坡面貼坡混凝土防護(厚50cm)，對于泄洪霧化雨強度10～50mm/h的區域采用了掛網、噴聚丙烯纖維混凝土防護(厚15cm)；對于霧化區范圍內的坡面均設置坡面排水孔。

4.2 地下排水系統布置

為降低坡體內裂隙水作用、加強坡體內的排水效果，在山體內約50m水平深度順河向布置了4層地下山體排水洞，并在排水洞間用排水孔相連形成排水孔幕，確保坡面以里40、50m范圍內巖體在霧化條件和暴雨條件下處于疏干狀態。

4.3 系統錨桿加固

對邊坡淺表層均采用錨桿系統加固，錨桿均采用φ28mm、32mm砂漿錨桿，長6m、9m，間、排距2.0m×2.0m。

4.4 預應力錨索加固布置

對于煌斑巖脈出露區域、斷層f5出露區域、近壩抗力體區域、Ⅳ號山梁深拉裂縫埋深較淺的區域、斷層f2出露區域進行系統預應力錨索加固。

4.5 高位危巖主動防護網加固

對于淺表層巖體松散破碎、清坡難度較大、受泄洪霧化降雨影響相對較小的高位危巖體區域均采用掛主動網防護。

4.6 安全監測

根據工程的結構特點和地質條件，對邊坡變形、滲流、應力進行全面系統的監測。

5 邊坡極限平衡法穩定性分析

5.1 邊坡失穩模式分析

根據邊坡基本地形、地質條件，分析坡體結構，確定邊坡主要存在的失穩模式有：

滑移模式①：以f9斷層為后緣面，剪斷f9斷層以外邊坡巖體的深層整體滑移模式。

滑移模式②：以深部裂縫為后緣面，剪斷深部裂縫以外邊坡巖體的深層整體滑移模式。

滑移模式③：以f5斷層為后緣面，剪斷f5斷層以外邊坡巖體的淺層滑移模式。

滑移模式④：以煌斑巖脈為后緣面，剪斷煌斑巖脈以外邊坡巖體的淺層滑移模式。

滑移模式⑤：在邊坡淺表部強卸荷巖體內，以順坡卸荷裂隙為主要后緣面，剪斷邊坡巖體的淺層滑移模式。

5.2 計算方法及計算工況

計算采用平面剛體極限平衡Sarma法[3],分別考慮5種工況：

工況1：天然狀態；

工況2：天然狀態+地震(7度地震)；

工況3：泄洪霧化狀態下無任何防排工程措施；

工況4：泄洪霧化狀態下有坡面截防排水和地下排水洞系統排水措施。

工況5：泄洪霧化狀態下有坡面截防排水和地下排水洞系統排水措施，但考慮排水系統部分失效。

5.3 計算成果

從上游向下游依次選取7個代表性剖面進行剛體極限平衡法穩定性分析，典型剖面位置見圖1，計算成果見表2、3。

表2 左岸霧化區極限平衡穩定性分析成果

表3 滑移模式④補充分析成果

注：錨索噸位2 000kN，間排距6m×6m。

5.4 計算結論

在7個典型剖面的二維極限平衡分析中，4-4、3-3、Ⅵ-Ⅵ是Ⅵ號山梁代表性剖面，A-A、1-1、Ⅳ-Ⅳ、2-2是Ⅳ號山梁代表性剖面，根據邊坡極限平衡穩定分析成果，可以看出：

(1)天然狀況下邊坡穩定性評價。工況1：各剖面邊坡深層滑動(滑移模式①、②)的穩定安全系數均大于邊坡穩定控制標準，但裕度不高，說明天然狀況下，邊坡整體穩定，但穩定安全度不高。工況1，除滑移模式④外，各剖面邊坡淺表層滑動(滑移模式③、⑤)的穩定安全系數均大于邊坡穩定控制標準，說明除Ⅳ號山梁煌斑巖脈出露部位存在局部穩定問題需要進行錨索加固外，其余部位邊坡天然狀況下均能維持局部穩定狀態。

(2)地震工況下邊坡穩定性評價。無論對于邊坡深層整體滑移模式(滑移模式①、②)，還是邊坡巖體淺層滑移模式(滑移模式③、④、⑤)，地震工況(工況2)不是邊坡穩定性的控制工況。

(3)霧化降雨對邊坡穩定性的影響分析。無論是對于深層整體滑移模式(滑移模式①、②)，還是邊坡巖體淺層滑移模式(滑移模式③、④、⑤)，在有霧化降雨但無坡面防排措施和地下系統排水的情況下(工況3)，各剖面邊坡穩定安全系數較工況1都有大幅下降，部分剖面邊坡穩定安全系數甚至小于邊坡穩定安全系數控制標準，說明如不采取有效措施減小霧化降雨的影響，邊坡可能發生整體或者局部失穩。

(4)邊坡坡面防排措施和地下系統排水措施作用分析。各剖面計算成果表明，對于滑移模式①、②，工況4和工況5較工況3的邊坡穩定安全系數均有較大程度提高，工況5的邊坡穩定安全系數略小于工況4，但均大于邊坡穩定安全系數控制標準，說明坡面防排措施和地下系統排水對于維持邊坡霧化降雨情況下的邊坡整體穩定性是至關重要的。另外，對于滑移模式③～⑤，工況4、5較工況1，各剖面邊坡穩定安全系數均有一定程度的提高，坡面防排措施和地下系統排水可以有效改善邊坡霧化降雨情況下的淺表層局部穩定性。

(5)Ⅳ號山梁煌斑巖脈出露部位錨索加固作用分析。對于以煌斑巖脈為后緣面的邊坡巖體淺層滑移模式(滑移模式④)，在未進行錨索加固的情況下，各計算工況下邊坡穩定安全系數均小于邊坡穩定安全系數控制標準，采用2 000kN、間排距6m×6m的系統預應力錨索加固后，各控制工況(工況1、2、5)邊坡穩定安全系數均大于邊坡穩定安全系數控制標準，說明目前的錨索加固措施是合適的，能夠確保邊坡局部穩定性。

5.5 坡腳巖體阻滑作用敏感性分析

根據對地質剖面的分析，對于邊坡深層整體滑移模式(滑移模式①、②)，深部拉裂縫以外區域的坡腳Ⅲ2類、Ⅳ1類巖體對于維持Ⅳ～Ⅵ號山梁的整體穩定起著非常重要的作用[4]，考慮到泄洪雨霧可能對坡腳巖體產生軟化作用，選取了代表性的剖面，在適當降低坡腳巖體抗剪斷參數的情況下，對坡腳巖體的阻滑作用進行敏感性分析，主要成果見表4、5。

表4 以f9為后緣面滑移模式

表5 以深部拉裂縫為后緣面滑移模式

計算結果表明，無論是對于滑移模式①，還是對于滑移模式②，f9斷層及深部拉裂縫以外的坡腳巖體對于維持邊坡的整體穩定都起著相當大的作用。考慮到霧化降雨可能對坡腳巖體產生軟化作用從而影響邊坡的整體穩定，需要對霧化雨嚴重部位的邊坡表層部位進行有效的防護。

5.6 深部加固措施作用分析

根據極限平衡分析成果，Ⅳ～Ⅵ號山梁整體穩定，但穩定安全度不高。為了提高邊坡的整體穩定性，擬采用系統錨索和抗剪錨固洞等加固措施對于邊坡進行加固處理。下面就針對滑移模式②，選取了代表性的Ⅳ-Ⅳ剖面，對上述加固措施對于改善邊坡整體穩定性的作用進行了分析。主要的支護參數如下：

A型支護為：自高程1 750～1 650m高程，布置300t(L=80m錨索)，間排距4m×4m。

B型支護為：在高程1 730m、1 785m各布置一層抗剪錨固洞，每層3條，間距50m，洞室斷面5m×7m(采用混凝土的抗剪指標來代替置換部分深拉裂縫的指標)。

計算結果見表6。

表6 支護條件下滑移模式②計算成果

計算結果表明，無論是大范圍的系統錨索支護，還是抗剪錨固洞進行支護，對提高邊坡整體穩定性都是非常有限的，通過對邊坡施加大規模的深層支護來大幅度提高Ⅳ～Ⅵ號山梁整體穩定性是不可行的。

6 邊坡三維離散元穩定性分析

邊坡剛體極限平衡法穩定性分析表明，Ⅳ～Ⅵ號山梁現狀穩定，但安全裕度不高。為了進一步分析邊坡的穩定特征和潛在不穩定區域，采用了三維離散元分析軟件對邊坡的穩定情況進行了分析[5]。

6.1 計算模型

Ⅵ號山梁和Ⅳ號山梁的計算模型分別見圖5、6所示。為了考察主要結構面、節理和層面組合下可能出現的邊坡破壞模式，模型中除模擬了f2、f5、f9、煌斑巖脈、深部裂縫等主要構造之外，還對NW向節理和NE向節理等次要結構面進行了模擬。

6.2 計算工況及分析思路

為了較好地分析邊坡潛在的不穩定區域，分析采用了天然工況下強度折減的計算方法，即按比例折減強度參數c和f，通過位移場變化確定潛在不穩定區域范圍和穩定程度。

6.3 主要計算成果

計算揭示的Ⅵ、Ⅳ號山梁邊坡潛在的不穩定區域分布分別見圖7、8。計算成果表明：

(1)Ⅵ號山梁潛在不穩定區域主要位于f5或煌斑巖脈出露部位，隨著折減系數的增大，不穩定區域的范圍隨之增加，但不穩定區域基本均位于斷層f5和煌斑巖脈上盤，說明天然狀況下，Ⅵ號山梁整體穩定，可能發生的邊坡穩定問題主要是以f5或煌斑巖脈為后緣邊界，剪斷其外側巖體的局部失穩破壞。這與第5章中4-4、3-3、Ⅵ-Ⅵ剖面滑移模式②、③、⑤的分析結論是一致的。

(2)對于Ⅳ號山梁而言，其潛在不穩定區域主要位于深部裂縫、f9斷層下游坡面出露部位，以及高高程的危巖體。隨著折減系數的增大，高高程危巖體的不穩定區域的范圍有所增大，深部裂縫、f9斷層下游坡面出露部位不穩定區域的范圍增加并不明顯，說明天然狀況下，Ⅳ號山梁整體穩定。這與第5章中A-A、1-1、Ⅳ-Ⅳ、2-2剖面滑移模式①、②的分析結論是一致的。

圖5 Ⅵ號山梁基本模型(左)和塊體模型(右)

圖6 Ⅳ號山梁基本模型(左)、基本模型中的結構面(中)、和塊體模型(右)

圖7 離散元分析計算揭示的Ⅵ號山梁邊坡潛在不穩定區域分布

圖8 離散元分析計算揭示的Ⅳ號山梁邊坡潛在不穩定區域分布

(3)天然工況下，Ⅳ～Ⅵ號山梁穩定安全度較低的區域主要包括：Ⅵ號山梁f5斷層、煌斑巖脈出露部位，Ⅳ號山梁深部裂縫、f9斷層下游側出露部位和高高程危巖體區域。這些部位應該予以重點加固。

7 結 語

(1)根據對基本地質條件分析，結合二維剛體極限平衡法分析成果，對左岸Ⅳ～Ⅵ號山梁整體穩定性起控制作用的主要結構面為斷層f9和深部裂縫。天然狀況下，對于以上述結構面為后緣面、剪斷結構面以外巖體的深層整體滑移模式，邊坡穩定安全系數均大于邊坡穩定安全系數控制標準，但安全裕度不高，說明天然狀況下，Ⅳ～Ⅵ號山梁整體穩定，但穩定安全度不高。

(2)三維離散元法分析成果表明，Ⅵ號山梁f5斷層、煌斑巖脈出露部位，Ⅳ號山梁深部裂縫、f9斷層下游側出露部位和高高程危巖體區域是潛在不穩定部位，需要對這些部位進行重點加固。二維剛體極限平衡法分析成果也表明，以f5或煌斑巖脈為后緣邊界、剪斷其外側巖體的滑移模式的穩定安全系數較低，以煌斑巖脈為后緣面的滑移模式的邊坡穩定安全系數甚至小于邊坡穩定安全系數控制標準，說明Ⅳ～Ⅵ號山梁存在局部穩定問題，需要對上述區域進行系統錨索加固才能確保邊坡的局部穩定性。

(3)相比于地震，霧化降雨為左岸Ⅳ～Ⅵ號山梁整體穩定性的控制性因素，在未設置坡面防排水措施和地下系統排水措施的情況下，邊坡整體穩定性和局部穩定性較天然工況下均有大幅度降低，部分剖面的邊坡穩定安全系數甚至小于邊坡穩定安全系數控制標準，說明采取坡面防排措施和地下系統排水措施來降低霧化降雨的影響是必要的。

(4)二維剛體極限平衡法分析成果表明，通過系統錨索或抗剪錨固洞來大幅提高Ⅳ～Ⅵ號山梁的整體穩定性是不可行的，但通過采用邊坡坡面防排措施和地下系統排水措施來降低霧化降雨的影響，維持邊坡的整體穩定性的方案是可行的。采用邊坡坡面防排措施和地下系統排水措施后，邊坡的整體穩定性得到顯著改善，說明上述措施是有效的。

(5)二維剛體極限平衡法分析成果還表明，f9斷層及深部拉裂縫以外的坡腳巖體對于維持邊坡的整體穩定作用明顯，為防止霧化降雨對坡腳巖體產生軟化作用，需要對霧化雨嚴重部位的邊坡表層部位進行有效的防護。

(6)采用2 000kN、間排距6m×6m的系統預應力錨索加固后，Ⅵ號山梁煌斑巖脈出露部位各工況下邊坡穩定安全系數均大于邊坡穩定安全系數控制標準，說明目前的錨索加固措施是合適的，能夠確保邊坡局部穩定性。

[1] 水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準(DL 5180-2003)[S].北京：中國電力出版社，2003.

[2] 水電水利工程邊坡設計規范(DL/T 5353-2006)[S].北京：中國電力出版社，2007.

[3] 陳祖煜，汪小剛，楊健，賈志欣，王玉杰.巖質邊坡穩定分析[M].中國水利水電出版社，2005.

[4] 劉明，黃潤秋，嚴明.錦屏一級水電站Ⅳ～Ⅵ山梁霧化邊坡穩定性分析[J].巖石力學與工程學報，2006，25(1).

[5] 錦屏一級水電站左岸霧化區Ⅳ-Ⅵ梁高邊坡穩定性與加固處理研究報告[R].武漢：Itasca(武漢)咨詢有限公司，2007.