長河壩水電站泄洪洞出口邊坡穩定性分析

劉 永 波，　黃 亞 奇，　蒙 富 強

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072)

長河壩水電站泄洪洞出口邊坡穩定性分析

劉 永 波，黃 亞 奇，蒙 富 強

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：長河壩水電站泄洪洞出口位于大渡河右岸砂場溝附近，出口邊坡巖體強卸荷、順坡裂隙發育。通過地質宏觀判斷和赤平投影分析得知，受順坡裂隙與其他結構面組合影響，坡面呈現臺階狀地貌，局部邊坡在天然狀態下處于臨界穩定狀態，開挖后易產生滑移拉裂和傾倒拉裂破壞。通過計算分析，其結果與邊坡穩定性現狀基本一致，表明計算所用參數合理。在邊坡開挖施工后或在偶然工況下處于失穩狀態，經過采取后續支護加固施工措施及其監測，該邊坡整體穩定，僅局部產生掉塊和塌方。

關鍵詞：長河壩水電站；地質宏觀判斷；赤平投影；臺階狀地貌；穩定性計算；監測

1概述

長河壩水電站是以單一發電為主的大型水庫電站。采用水庫大壩、首部式地下引水發電系統。攔河大壩最大壩高為240 m，電站總裝機容量為

2 600 MW，水庫正常蓄水位高程1 690 m，正常蓄水位以下庫容為10.15億m3，總庫容為10.75億m3。

長河壩水電站泄水建筑物由三條泄洪洞、一條放空洞組成，布置在右岸山體內。三條泄洪洞從左至右依次為1#泄洪洞、2#泄洪洞和3#泄洪洞，三條泄洪洞平行布置，洞軸線方位角均為N13°3′7″E，水平間距60 m。放空洞布置在3#泄洪洞右側，洞軸線方位角為N11°26′57″E，與3#泄洪洞軸線間距為80～115 m。

泄洪洞出口邊坡高陡，工程邊坡最高約300 m且地震烈度高，邊坡的穩定安全至關重要。筆者根據該區域地形地質條件，對出口區邊坡進行了宏觀地質判斷，采用赤平投影法、Morgenstern- Price(M-P)法分析其穩定性，反演確定結構面物理力學參數，并結合相應的監測成果進行了驗證。

2基本地質條件

泄洪洞出口位于大渡河右岸，1#泄洪洞出口位于砂場溝上游200 m處，該區位于河流的凹岸，地形坡度為40°～59°。2#泄洪洞出口位于砂場溝上游側約65 m處，砂場溝垂直大渡河且呈NW向發育，坡度41°～46°。3#泄洪洞出口位于砂場溝下游約25 m處，該段斜坡在高程1 700 m以下為陡壁，地形坡度為66°～78°。

泄洪洞出口邊坡基巖裸露，巖性主要為晉寧～澄江期灰色中?；◢弾r(γ2(4))，局部穿插輝綠巖脈(βu)。該部位無區域性斷裂通過，地質構造以次級小斷層、擠壓破碎帶、節理裂隙(或裂隙密集帶)、巖脈(輝綠巖、石英脈)為特征。根據勘探平洞和地質調查資料，邊坡下部巖體強卸荷深度為16.5～27 m，弱卸荷深度為42.5～60.5 m，無控制性軟弱結構面分布。地下水主要為基巖裂隙潛水，受地表降水補給向河床排泄，分布于裂隙巖體和斷層帶附近，受斷層或巖脈阻水而局部富集。

巖體中主要發育J7、J1、J5、J6、J8等組裂隙，邊坡巖體呈塊裂結構，局部呈次塊狀～鑲嵌結構。

3穩定性分析與計算

3.1宏觀地質判斷

根據地質測繪和前期勘探資料，對泄洪洞出口區邊坡進行了宏觀地質判斷，認為其穩定性主要受順坡緩傾角裂隙J1控制，其變形破壞模式主要有：

(1)臺階狀滑移拉裂破壞。

在泄洪洞出口上游側可見兩級較明顯的緩坡。由于J1組裂隙緩傾上游偏坡外，且因河流轉彎而形成側向臨空，以其為底滑面、J7組裂隙為后緣面、J5組裂隙為側向切割面發生滑移拉裂破壞形成臺階狀邊坡。

(2)局部脫落。

邊坡還發育局部塊體脫落破壞。脫落體的主要結構面相互切割、組合形成組合完備塊體，該區主要由J7、J6、J5三組裂隙切割而成 。

3.2赤平投影分析

根據出口邊坡開挖布置和邊坡結構面發育情況，對邊坡進行了赤平投影分析：

(1)1#泄洪洞邊坡內側開挖坡面走向N13°E，該段主要發育J1、J5、J6、J8四組結構面(表1)。根據赤平投影圖(圖1)分析得知，內側邊坡的局部穩定性如下：

表1　裂隙統計表

圖1　內側邊坡赤平投影圖

對于由J1、J8、J5三組裂隙切割形成的不穩定塊體，其J1組裂隙與坡面近似平行，傾角35°，緩于開挖坡角，易沿該組裂隙產生滑移拉裂破壞；而J5組及J8組裂隙組合構成楔形拉裂體。

(2)2#、3#泄洪洞內側開挖邊坡走向為N12°E。主要發育J7、J1、J5、J6、J8五組裂隙(表2)。根據赤平投影圖(圖2)，內側邊坡(下游側)的局部穩定性狀況見表2。

(1)由于J7組長大陡傾角裂隙與開挖坡面走向近于一致，因此，開挖邊坡可能沿該組裂隙發生傾倒拉裂破壞。

(2)J1為滑移面，J7為后緣拉裂面，J5為側向切割面，且因J1組裂隙傾角為35°左右，緩于坡角，故J7、J5、J1三組裂隙所形成的塊體可向臨空方向發生滑移拉裂破壞。

表2　裂隙統計表

圖2　內側邊坡赤平投影圖

宏觀地質判斷和赤平投影分析結果表明：砂場溝上游泄洪出口自然邊坡坡度受J1裂隙控制，J1裂隙緩傾坡外、偏下游，受其影響形成臺階面，其與砂場溝下游側未見的J1裂隙發育形成的臺階面共同作用使局部天然邊坡處于臨界狀態。邊坡開挖后，受裂隙組合切割影響，形成不穩定塊體，易產生沿J1結構面的滑移拉裂破壞和沿J7結構面的傾倒拉裂破壞。

3.3力學參數反演分析

根據《水電水利工程邊坡設計規范》(DL/T 5353-2006)中的相關規定，采用Morgenstern- Price(M-P)法對泄洪洞出口邊坡進行了二維穩定性計算，反演確定了結構面物理力學參數，計算軟件為美國GEO-SLOPE公司出品的Geostudio2007軟件。

(1)邊坡滑動模式。

從地質調查情況看，出口邊坡的穩定性主要受緩傾坡外的裂隙J1控制，因此而選取了典型剖面(J1-1剖面和J1-2剖面)進行計算分析。J1-1剖面和J1-2剖面的地質結構與計算模型見圖3～6(J1組裂隙在泄洪洞出口邊坡以5～10 m間距發育，結合開挖坡比選擇有代表性的兩條J1-1、J1-2作為底滑面進行計算分析)。

圖3　出口邊坡J1裂隙工程地質剖面圖

圖4　J1-1計算模型圖

圖5　出口邊坡J1-1剖面計算模型圖

圖6　出口邊坡J1-2剖面計算模型圖

(2)地震動參數。

根據中國地震局批復的地震安全性評價成果，工程區場地50 a超越概率10%的基巖水平峰值加速度為172 gal，相應的地震基本烈度為Ⅷ度。本計算水平地震加速度取0.15 g。

(3)計算工況。

根據規范要求，穩定性計算工況包括持久狀況、短暫狀況和偶然狀況。其中，持久狀況考慮基本荷載自重；短暫狀況考慮降雨及霧化；偶然狀況為基本組合+地震荷載。

(4)反演計算成果分析。

在考慮連通率的條件下，結構面參數f′=0.65，c′=0.15 MPa；巖體強度參數f′=0.8，c′=0.5 MPa。

根據地質調查及前期反演計算成果確定結構面連通率取92%，相應的強度參數見表3。

表3　出口邊坡穩定分析結構面強度參數表

天然條件下安全系數計算結果見表4。根據《水電水利工程邊坡設計規范》(DL/T 5353-2006)，長河壩水電站泄洪洞出口邊坡在持久狀況、短暫狀況和偶然狀況下的設計安全系數分別應達到1.25～1.3、1.15～1.2和1.05～1.1。

由上述計算結果得出持久狀態下最小安全系數為1.17～1.182，偶然狀態(地震)下安全系數為1.004～1.102，與邊坡穩定性現狀基本一致，表明計算所用參數是合理的。

表4　天然狀態下安全系數計算成果表

4邊坡監測成果分析

圖7　泄洪洞出口邊坡1-1剖面M46各測點變形時間過程線圖

經分析研究后確定，將泄洪洞出口邊坡分一期支護及二期開挖支護。一期邊坡為自然邊坡，二期邊坡開挖坡比為1：0.25。一、二期邊坡深層支護布置系統錨索P=1 500～3 000 kN，L=25～50 m，間排距5 m，淺層防護采用錨噴支護并布置排水孔。在出口邊坡中監測布置了4條斷面，多點位移計變形較小，如布置在高程1 605 m處的多點位移計M46變形時程曲線(圖7)，變形速率小，處于收斂狀態。監測結果表明邊坡整體處于穩定狀態。

5結語

(1)宏觀地質判斷和赤平投影分析表明：砂場溝上游泄洪洞出口自然邊坡受J1裂隙控制，坡面形成臺階面，砂場溝下游側未見J1裂隙發育形成的臺階面，局部天然邊坡處于臨界狀態。邊坡開挖后，受裂隙組合切割影響形成不穩定塊體，易產生沿J1裂隙的滑移拉裂破壞和沿J7裂隙傾倒拉裂破壞。

(2)穩定性計算分析表明：泄洪洞出口邊坡在持久狀況下最小安全系數為1.17～1.182，偶然狀況(地震)下安全系數為1.004～1.102，與邊坡穩定性現狀基本一致，表明反演計算確定的參數是合理的。

(3)邊坡監測資料顯示：邊坡開挖支護后，整體處于穩定狀態。

參考文獻：

[1]鄧榮貴，張倬元，周德培.峽谷河段高陡斜坡巖體變形與穩定性研究[M]. 成都：西南交通大學出版社，2000.

[2]馮文凱，石豫川，劉漢超.西南某水電站閘址區高邊坡特征及其程效應研究[J]. 巖石力學與工程學報，2004，23(8):1388-1393.

[3]楊緒波，黃潤秋，沈軍輝，等.紫坪鋪水電站2#泄洪洞進水口邊坡變形特征及其機制研究[J]. 巖石力學與工程學報，2005，24(2)：2036～2040.

[4]宋勝武，鞏滿福，雷承第. 峽谷地區水電工程高邊坡的穩定性研究[J].巖石力學與工程學報，2006， 25(2)：227～233.

[5]沈鳳生，冀春樓，李斌，郭朝文.小浪底高邊坡穩定分析研究[J].巖土工程學報，1998，20(2)：6～9.

[6]王思敬，李焯芬. 三峽永久船閘巖石工程整體質量[J]. 巖石力學與工程學報，2001，20(5)：589-596.

劉永波(1981-)， 男，河南許昌人，工程師，學士，從事水電工程勘察技術工作；

黃亞奇(1983-)，男，四川遂寧人，工程師，學士，從事水電工程施工技術工作；

蒙富強(1980-)，男，廣西百色人，工程師，碩士，從事水工結構設計與研究工作.

(責任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-03-08

文章編號:1001-2184(2015)04-0085-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:P642;TV7;TV221;F642

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