下坂地水利樞紐工程壩肩邊坡穩(wěn)定性分析及處理

【摘要】以新疆下坂地水利樞紐工程為實(shí)例，采用赤平投影法及剛體極限平衡法計(jì)算，并結(jié)合中科院對高邊坡穩(wěn)定性研究成果，對壩肩邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析及處理，為邊坡的穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)和工程設(shè)計(jì)施工提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】下坂地水利樞紐工程；壩肩邊坡；穩(wěn)定性分析

1、工程概況

下坂地水利樞紐工程位于新疆塔里木河主流葉爾羌河主要支流之一的塔什庫爾干河中下游，該工程是塔里木河流域進(jìn)期綜合治理規(guī)劃中唯一的山區(qū)水利樞紐工程，其主要任務(wù)是以生態(tài)補(bǔ)水和春旱供水為主，結(jié)合發(fā)電。工程距塔什庫爾干縣縣城45km，距喀什市315km。屬II等大（2）型工程，主要建筑物由攔河壩、導(dǎo)流泄洪洞、引水發(fā)電洞和電站廠房等工程組成；大壩采用瀝青混凝土心墻沙礫石壩，壩高78m，正常蓄水位2960m，水庫總庫容8.67億m3，調(diào)節(jié)庫容6.93億 m3，水電站總裝機(jī)容量為15萬KW，工程施工總工期55個(gè)月。主體工程于2006年4月開工，2007年9月樞紐工程截流，2010年1月通過水庫下閘蓄水驗(yàn)收，水庫進(jìn)入蓄水運(yùn)行，2010年6月通過首臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)驗(yàn)收上網(wǎng)發(fā)電，末臺(tái)機(jī)組于2011年1月并網(wǎng)發(fā)電，2011年9月主體工程全部完工。

2、地質(zhì)概況

塔什庫爾干河流域?qū)傥骼鰟兾g高山區(qū)，位于帕米爾高原，受構(gòu)造和巖性的控制，流經(jīng)塔什庫爾干縣附近的塔什庫爾干斷陷盆地，盆地呈南北向展布，長250km，寬10km，高程3000-3300m，地形平緩，在縣城以北10余公里與由北流來的支流匯合進(jìn)入高山峽谷區(qū)，河流曲折東行115km匯入葉爾羌河。峽谷區(qū)河谷寬度多為200-310m，河床高程3000-1900m，兩岸山峰高程4000-5000m，相對高差2000m左右，山勢險(xiǎn)峻，無植被覆蓋。壩址位于峽谷區(qū)入口下游34km處，水庫區(qū)主要位于瓦恰河谷地邊緣，河谷寬闊，水流平緩，為一良好的水庫庫盆。

3、左壩肩邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 邊坡形態(tài)特征

左壩肩基巖邊坡傾向140°，自然邊坡坡角54°，坡高約540m，邊坡3140m高程發(fā)育一寬約15～20m的反傾凹槽，以下呈三角錐形山體，上下游兩側(cè)各發(fā)育風(fēng)化洼槽，受其形態(tài)影響，3140m高程以上山體產(chǎn)生的崩塌塊體均沿此兩側(cè)洼槽滾落分流。而壩肩崩塌塊體則主要來源于3140m高程以下的三角錐體。該三角錐邊坡3000m高程以上表層巖體極其破碎，危石及不穩(wěn)定巖體廣泛分布于該高程以上邊坡坡面，3000m高程以下邊坡坡面表觀比較完整。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

采用赤平投影法及剛體極限平衡法計(jì)算，并結(jié)合中科院對高邊坡穩(wěn)定性研究成果，可得出如下結(jié)論：

（1）左岸邊坡在各種工況下都處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）受卸荷裂隙、片麻理及構(gòu)造裂隙相互組合，邊坡不穩(wěn)定塊體發(fā)育。不穩(wěn)定塊體分布發(fā)育規(guī)律為：隨邊坡高度增大其深度變深，縱向范圍延伸更大，巖體結(jié)構(gòu)更加破碎。

（3）根據(jù)邊坡與裂隙關(guān)系赤平投影圖3-1組合分析認(rèn)為：上游邊坡受片麻理中軟弱面及卸荷裂隙的影響，與其它裂隙組合，巖體呈塊狀，邊坡巖體沿片麻理崩塌破壞是該部位邊坡主要的破壞模式。正向邊坡中片麻理d及高傾角a、c裂隙相互切割影響，巖體呈塊狀，在風(fēng)化剝蝕作用下，巖塊沿局部高陡坡面崩塌破壞是該邊坡的主要破壞模式。下游側(cè)向邊坡中，現(xiàn)狀邊坡中結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角大于結(jié)構(gòu)面傾角，但在其它外因如降雨、地震作用下，邊坡將會(huì)產(chǎn)生階梯狀滑移破壞，階梯狀滑移破壞亦是該面邊坡的主要破壞模式。

從結(jié)構(gòu)面組合分析結(jié)果看，左壩肩上游及正向邊坡破壞以崩塌為主，下游側(cè)向邊坡將會(huì)以片麻理d、高傾角b、c及緩傾角裂隙a的組合的階梯狀滑移破壞，計(jì)算的天然狀態(tài)下邊坡塊體安全系數(shù)Ks=1.444，Ⅷ度地震下邊坡塊體安全系數(shù)Ks=1.010，結(jié)果表明，左壩肩下游邊坡在Ⅷ度地震時(shí)邊坡中該類塊體接近臨界狀態(tài)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)面組合分析，正面邊坡3140m高程下存在以巖塊崩塌為主的結(jié)構(gòu)面組合。且3000m～3140m高程間邊坡強(qiáng)卸荷深度10～40m，表層巖體已呈松馳狀態(tài)，為Ⅴ類極不穩(wěn)定巖體；3000m高程以下邊坡強(qiáng)卸荷深度7～10m左右，巖體以Ⅳ類為主。

3.3、邊坡處理

（1）邊坡3000高程以上淺層Ⅴ類巖體結(jié)構(gòu)破碎，呈松馳狀態(tài)，自穩(wěn)能力極差，因此必須采取削坡處理；

（2）削坡坡角應(yīng)沿現(xiàn)有坡面形態(tài)進(jìn)行，宜以Ⅴ類巖體為主，范圍以壩肩三角錐為上限，削坡范圍應(yīng)以3000m-3140m為主，沿壩線上下游各50m進(jìn)行削坡，削坡水平深度5～10m左右，方量約為9.46萬m3；

（3）受卸荷裂隙及緩傾角裂隙發(fā)育深度影響，削坡后的邊坡仍存在塊體沿不利結(jié)構(gòu)面崩塌或滑移，因此削坡后2960m～3140m間的邊坡還應(yīng)采用錨索結(jié)合錨噴等綜合措施對壩線上下游各50m范圍內(nèi)邊坡進(jìn)行加固處理，面積約為2.04萬m2；

（4）在高程3140m反坡部位依據(jù)地形修建平臺(tái)，設(shè)置攔網(wǎng)或防護(hù)擋墻，整理上下游側(cè)沖溝，對后沿3140m高程以上的山坡崩塌塊體進(jìn)行分流，消除其對壩體的威脅。

（5）左壩肩邊坡巖體破碎，高達(dá)500余米，PD18、PD23（3240m高程）探硐揭示巖體完整性極差；且水庫蓄水后環(huán)境條件的改變，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步弱化，因而還應(yīng)在PD7、PD18、PD23及3140m高程以上邊坡坡面布設(shè)一定的邊坡變形監(jiān)測設(shè)施，監(jiān)測現(xiàn)狀及未來邊坡的穩(wěn)定性。

4、右壩肩邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 邊坡形態(tài)特征

右壩肩邊坡為一高800余米的基巖邊坡，自然坡角由高至低逐漸變陡；其3200m高程以下為一傾向330°，自然坡角70°～80°的三角錐形陡峭邊坡，3200m高程發(fā)育一緩坡，反坡寬約50m的平臺(tái)；3200m高程下三角錐體上下游側(cè)均發(fā)育風(fēng)化洼槽，其中上游洼槽規(guī)模大而深，下游沖溝規(guī)模小而淺；3200m高程以上邊坡崩塌塊體和風(fēng)化剝落碎石均沿上下游側(cè)洼槽崩落分流。三角錐形邊坡，坡面陡直，不穩(wěn)定塊體不甚發(fā)育，表觀比較完整，下游側(cè)相對較破碎。

4.2 邊坡穩(wěn)定性分析

采用赤平投影法及剛體極限平衡法計(jì)算，并結(jié)合中科院對高邊坡穩(wěn)定性研究成果，可得出如下結(jié)論：

（1）右壩肩岸坡在各種狀態(tài)下整體均處于穩(wěn)定狀態(tài)，僅在上游側(cè)邊坡（3043m高程PD20平硐上游）存在塊體滑動(dòng)的可能。

（2）正向坡因高傾角裂隙與其它裂隙的不利組合，邊坡塊體具有不穩(wěn)定的因素；而邊坡下游坡受卸荷裂隙及構(gòu)造裂隙影響，邊坡不穩(wěn)定塊體比較發(fā)育。不穩(wěn)定塊體發(fā)育規(guī)律為：受風(fēng)化及卸荷影響，不穩(wěn)定塊體由上游到下游、由低到高發(fā)育程度及深度增加，巖體結(jié)構(gòu)逐漸破碎。根據(jù)平硐及結(jié)構(gòu)面調(diào)查認(rèn)為，右壩肩不穩(wěn)定塊體的組合在邊坡坡面分布較廣泛，水平深度一般小于5m，局部可達(dá)23m（PD20）。

（3）根據(jù)邊坡與裂隙關(guān)系赤平投影圖3-2組合分析認(rèn)為：正向邊坡主要破壞以高傾角裂隙與緩傾角裂隙組合孤立塊體崩塌破壞及小型滑移破壞。下游側(cè)向邊坡中片麻理、高傾角裂隙為邊坡側(cè)向及后沿邊界，緩傾角裂隙為底滑面，組合切割沿緩傾角裂隙面滑移破壞是右壩肩下游邊坡的主要破壞模式。

根據(jù)結(jié)構(gòu)面組合分析結(jié)果，對右壩肩正向邊坡及下游邊坡采用剛體極限平衡法計(jì)算得出：右壩肩正向坡組合塊體在天然狀態(tài)下安全系數(shù)Ks=1.154，Ⅷ度地震下邊坡塊體安全系數(shù)Ks=0.779；右壩肩下游向坡組合塊體在天然狀態(tài)下安全系數(shù)Ks=1.235，Ⅷ度地震下邊坡塊體安全系數(shù)Ks=0.856。結(jié)果表明，右壩肩正向坡及下游邊坡在Ⅷ度地震時(shí)邊坡中該類塊體為不穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)邊坡結(jié)構(gòu)面組合條件及計(jì)算結(jié)果可知，3200m高程下邊坡表層存在結(jié)構(gòu)面不利組合的塊體。3040m～3200m間邊坡巖體受風(fēng)化及卸荷影響（卸荷深度5m，平硐PD20揭示局部地段卸荷裂隙發(fā)育深度可達(dá)23m），表層巖體破碎，為Ⅴ類極不穩(wěn)定巖體；3040m高程以下邊坡巖體以Ⅳ類為主，邊坡巖體受結(jié)構(gòu)面的不利組合，邊坡存在具有不穩(wěn)定的塊體。

4.3 邊坡處理

（1）正向邊坡3040m高程以下表觀比較完整，但局部發(fā)育少量的危巖體，因而應(yīng)對邊坡表層進(jìn)行形態(tài)整理，清除撬挖局部不穩(wěn)定塊體。

（2）壩線3040高程以上邊坡及壩線偏下游坡淺層巖體結(jié)構(gòu)破碎，穩(wěn)定性較差，因此應(yīng)對其進(jìn)行削坡處理。建議削坡范圍上游以壩肩三角錐為限，沿壩軸線上下游各50m對坡面中3040～3200m高程間對大壩有威脅Ⅴ類極不穩(wěn)定巖體邊坡進(jìn)行削坡，一般削坡深度2m～5m，削坡方量約5.3萬m3。

（3）鑒于削坡后仍存在不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面組合，因而削坡后的邊坡，還應(yīng)采用錨索（主要針對壩線上下游各50m內(nèi)淺部及深部不利的卸荷裂隙）結(jié)合錨噴等綜合措施，對2960～3200m高程間沿壩線上下游各50m寬度的邊坡進(jìn)行處理，面積約2.79萬m2。

（4）在高程3200m上的邊坡反坡平臺(tái)宜設(shè)置防護(hù)擋墻或防護(hù)網(wǎng)，以便對3200m高程以上的山坡崩塌塊體進(jìn)行有效分流。

（5）右壩肩邊坡高陡，高達(dá)800余米，PD20、PD27（3240m高程）探硐揭示巖體完整性較差；且水庫蓄水后環(huán)境的改變，是否存在變形問題還應(yīng)進(jìn)一步研究，因而應(yīng)在PD6、PD20、PD27及3200m高程以上邊坡坡面布設(shè)一定的邊坡變形監(jiān)測設(shè)施，監(jiān)測現(xiàn)狀及未來邊坡的穩(wěn)定性。

5、結(jié)束語

下坂地水利樞紐工程是塔里木河流域近期綜合規(guī)劃中唯一的山區(qū)水利樞紐工程，其戰(zhàn)略地位重要，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，兩岸山體巖石破碎，壩址覆蓋層厚度達(dá)150m，且地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工條件艱苦，技術(shù)難度大，具有“三高一深”的特點(diǎn)，即高邊坡、高海拔、高地震烈度（基本烈度Ⅷ度）、深覆蓋層的工程特點(diǎn)，有“地質(zhì)博物館”之稱。工程區(qū)域兩岸高陡邊坡一般為600-800米高，巖體分化破碎嚴(yán)重，邊坡較陡，施工布置極為困難，經(jīng)參建各方的共同努力，通過對壩肩的邊坡穩(wěn)定性的處理，邊坡的穩(wěn)定性大為增強(qiáng)。邊破穩(wěn)定問題是常見且具有很大破環(huán)性的工程問題之一，通過本文的分析，闡明高邊坡工程地質(zhì)問題的分析方法，希望對類似工程的建設(shè)者提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]覃新聞，黃小寧，王廷勇.對下坂地水庫壩基垂直防滲試驗(yàn)綜述[J].基礎(chǔ)工程技術(shù)，2004年增刊：1-8.

[2]《新疆塔里木河流域近期綜合治理下坂地水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》

作者簡介：李磊（1984-），男，漢，新疆阜康市人，大學(xué)本科，工程師，主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。