大崗山水電站右岸壩肩邊坡深層加固研究

商開衛 張公平

摘要：大崗山水電站右岸壩肩邊坡具有高地應力、高地震烈度、卻荷風化強烈的顯著特點，受巖脈、卻荷裂隙、斷層切割影響，形成了一系列關健塊體，而在開挖過程中，這些塊體底部剪出口附近受到開挖卻荷、爆破震動和地下水作用等因素的影響，出現了沿邊界結構面的多次變形開裂與錯動。對右岸開挖邊坡變形開裂的機理進行深入研究，從邊坡的開挖穩定、變形及塑性破壞區等方面，對原設計擬定的三種深層加固方案進行比選分析，選用方案二作為推薦優化方案。為了保證深層抗剪結構施工過程的整體穩定性，建議先開挖并回填低高程的三層杭剪洞，然后再進行高高程的抗剪洞施工。

關鍵詞：深層混凝土杭剪結構；剛體極限平衡；數值模擬；施工工序；大崗山水電站

中圖分類號：P642；TV642.4+5 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.033

隨著我國水電建設規模的不斷擴大，工程建設中遇到很多大型復雜巖質高邊坡問題川，而這些巖石高邊坡往往具有斷層、節理、軟弱發育的特點，其施工期及運行期的穩定性是水電站建設順利實施的關鍵。

大崗山水電站位于大渡河中游上段的四川省雅安市石棉縣境內，為大渡河干流規劃的第14個梯級電站。工程樞紐建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1135.0m，最大壩高210m，總庫容7.42億m3，水電站裝機容量2600MW。

壩址區兩岸邊坡具有“兩高一強烈”（高地應力、高地震烈度、卸荷風化強烈）的顯著特點，自然坡度一般為40°～65°，相對高差一般在600m以上。基巖主要巖性為澄江期花崗巖類。兩岸1250m高程以上分布有一定厚度的崩坡積層。壩址區巖脈、擠壓破碎帶、斷層和節理裂隙發育。其中，右岸發育的XL316-1和F231等卸荷裂隙密集帶和斷層，成為影響右岸邊坡穩定的控制性因素。此外，由于中、陡傾角的順坡向節理裂隙較為發育，加之壩址區邊坡“兩高一強烈”的顯著特點，因此右岸工程區在施工開挖過程中形成了上、下游200m范圍內高度約300m、體積近500萬m3的一系列不穩定塊體，使邊坡的穩定問題變得十分突出。

筆者對右岸邊坡進行了系統研究，清晰地揭示了右岸邊坡變形開裂的機理；首先，從邊坡的開挖穩定、變形及塑性破壞區等方面對原設計擬定的三種深層加固方案進行了深入比選，甄選出推薦的加固方案；然后，基于推薦加固方案，開展優化設計研究；最后，通過研究每層抗剪洞的施工時序對邊坡穩定性的影響，提出抗剪洞施工程序的建議，為現場施工提供了科學依據。

1 右岸邊坡變形開裂的機理研究

順坡向、中傾坡外的F231斷層貫通右岸邊坡，總體產狀SN/E∠40°～50°，斷層破碎帶寬7～30cm，由碎裂巖、角礫巖、碎粉巖組成，自F231斷層至開挖坡面的水平距離從下游往上游逐步增大。隨著拱肩槽邊坡的開挖，卸荷裂隙密集帶XL316-1和斷層F231剪出口的阻滑巖體被逐步挖除，右岸邊坡的穩定條件逐步惡化，加之開挖爆破震動和地下水作用等因素的影響，邊坡在2009年5月3日、8月16日、9月1日相繼出現裂縫（見圖1）。

第1次和第2次裂縫主要分布在破碎帶βj601和β62附近，說明潛在不穩定塊體的后緣出現拉裂變形現象；第3次裂縫主要沿β219輝綠巖脈分布，說明潛在不穩定塊體的上游側裂面出現開裂變形現象。由此清晰地揭示了右岸邊坡潛在滑塊的邊界條件和其變形開裂的機理。

（1）潛在滑塊是以傾向坡里的βj601、β62、β85和β4等巖脈破碎帶為后緣切割面，以β219、β223等NWW向巖脈破碎帶、近EW向的第④組裂隙為上游側切割面，以卸荷裂隙密集帶XL316-1和F231斷層為控制性底滑面，組合形成一系列潛在不穩定塊體。

（2）邊坡的變形開裂主要由于XL316-1和F231剪出口的阻滑巖體被逐步挖除，潛在滑塊沿底滑面XL316-1和F231產生滑移變形，因此引起塊體后緣面和側裂面附近產生張開變形。該潛在的滑動模式總體上是一種受右岸邊坡地質結構面控制、伴隨開挖引起的滑移一拉裂變形，呈現由下游往上游、從低到高發展的牽引漸進式破壞。

針對右岸邊坡特定的滑移一牽引一拉裂式的破壞機理，對滑坡體下部特別是控制性底滑面卸荷裂隙密集帶XL316-1和斷層F231采取必要的加固處理措施，對維持邊坡的整體穩定性具有至關重要的作用。

2 邊坡的深層加固方案比選

2.1 比選方案的擬定

大崗山水電站右岸壩肩邊坡穩定的控制性因素是不利軟弱結構面的切割、組合作用而形成的大范圍不穩定空間結構滑體。其治理深度超過傳統邊坡治理深度，因此推薦采用以抗剪洞和錨固洞為基礎的治理措施，以提高巖體的強度和傳力能力[2]。抗剪洞和錨固洞處理措施的針對性強，實施難度相對較小，有利于對邊坡治理的施工工期進行控制[3]。

大崗山水電站右岸邊坡的治理包括淺層和深層兩種加固措施，其中淺層加固措施為錨索支護、深層加固措施為抗剪洞和錨固洞。為給方案比選提供技術支持，擬定了3種不同的深層加固方案，見表1。方案二的布置見圖2。

2.2 三維極限平衡分析結果比較

采用三維邊坡穩定分析可視化軟件SLOPE3D[4]對右岸邊坡兩個潛在塊體（各塊體的空間分布及滑裂面展布情況見圖3、圖4）的穩定性進行分析。表2給出了采用不同加固措施后邊坡的安全系數。從表2可以看出：

（1）由于塊體①的邊界條件較為模糊，F208和F231斷層在LPV-LPV剖面之間高程存在一定落差，目前的加固方案對該塊體起加固作用的只有1270m、1240m以及1210m這三個高程的抗剪洞，因此方案二的加固效果比方案一差，但仍滿足邊坡加固規范規定的下限值。

（2）塊體②的邊界條件清晰，邊坡開挖后的計算結果表明，采用3種加固方案后潛在滑塊的安全系數均滿足規范要求的上限值。

2.3 位移、應力及塑性區對比分析

針對大崗山水電站右岸壩肩邊坡的加固治理工程，采用FLAC3D軟件分析加固措施對右岸邊坡變形及穩定性的影響。計算參數采用地質建議值，邊坡開挖、預應力錨索、抗剪洞等的施工嚴格按實際施工時序考慮。為分析加固措施對開挖邊坡表觀變形的影響，選取關鍵點KC5、KC6、KC7、KC8進行分析。關鍵點布置及LPⅥ-LPⅥ剖面位置見圖5，三維數值模型見圖6。

2.3.1 位移對比分析

為了分析3種深層加固方案的加固效果，分以下4種工況進行模擬：工況一為錨索支護；工況二為錨索支護+加固方案一；工況三為錨索支護+加固方案二；工況四為錨索支護+加固方案三。表3為不同工況下邊坡開挖至1070m高程時關鍵點橫河向和豎直向位移對照表。圖7為邊坡開挖至980m高程時，4種工況下LPⅥ-LPⅥ剖面的橫河向位移云圖。

由表3可知，不同的加固方案對邊坡關鍵點的位移影響比較明顯，與工況一比較，工況二、三、四下的橫河向位移均明顯減小，但方案一、方案二的橫河向位移比較接近，方案三的位移最小，說明方案三加固效果最好。但從豎直向回彈變形來看，與工況一比較，工況二、三、四均有所增加，其中工況四的回彈變形最大，但此變形對邊坡的局部和整體穩定性影響較小。

另外，邊坡開挖至980m高程時，不同工況下邊坡內部變形機制也有所不同。工況一邊坡內部巖體的滑動位移主要沿X1316-1和F231、X19-15和F208兩組組合滑面滑動，但在實施抗剪洞等加固措施后，滑坡變形不僅在量值上明顯減小，而且范圍也明顯縮小，X1316-1和F231形成的組合滑面基本消失，其中方案一和方案二加固效果相當，方案三的加固效果最好。

總的來說，邊坡采用深層加固措施后，坡體內部的變形得到有效改善，滑坡變形明顯減小，有利于提高邊坡的穩定性。從位移變形上分析，方案三的加固效果最好。

2.3.2 應力對比分析

圖8為右岸邊坡在不同工況下開挖至980m高程時LPⅥ-LPⅥ剖面的第一主應力云圖。分析可知，在不同工況下，當邊坡開挖至980m高程并實施加固后，坡面上的最大壓應力約為4.0mPa，坡面基本處于零拉應力或雙向受壓狀態。此外，采用深層加固方案后，邊坡淺表層的應力狀態基本保持不變，坡體內部抗剪洞、錨固洞、斜井附近壓應力有所增大，但其壓應力均小于混凝土的抗壓強度，其中方案二對坡體內部應力的調整范圍最大，說明方案二更能充分發揮混凝土置換結構的性能，更有利于邊坡的穩定。

2.3.3 塑性區對比分析

4種工況下邊坡開挖至1070m高程時X1316-1滑面的塑性區分布見圖9，圖中的藍色部分為未屈服狀態。由圖9可知，當考慮加固方案時，工況一出現的沿X1316-1和F231形成的貫通的塑性區已經完全被打斷并且沿其他結構面分布的塑性區范圍也有所減小。從3種深層加固方案對塑性區打斷的效果來看，方案二的加固效果最突出。

以上兩種計算方法對3種深層加固方案的分析結果表明，相比單純的淺層加固措施，實施深層和淺層的綜合加固治理措施后，邊坡的安全系數明顯提高，邊坡的穩定性與安全性得到進一步保證。由于在進行右岸邊坡深層加固措施研究之前，1315m高程以上已完成了系統錨索的支護，如若再對1315m高程以上進行削坡處理，勢必會造成資源的浪費，因此方案三缺乏可操作性。相比于方案一和方案三，方案二在確保邊坡滿足規范允許最小安全系數的前提下，對坡體內部應力的調整范圍和塑性區的打斷范圍上是最顯著的，因此選用方案二作為推薦方案開展優化設計。

3 深層加固方案的優化設計

3.1 優化后的深層加固方案

綜合右岸邊坡的開挖變形、穩定分析以及錨固洞受力特征分析結果，針對擬定的三種加固方案，推薦方案二作為實施加固方案，并基于以下兩點對方案二進行優化設計，優化的右岸邊坡深層加固支護方案見圖10。

（1）LPⅣ-LPⅣ剖面的安全系數較低（正常工況下的安全系數分別為1.009、1.134、1.204），穩定性相對較差。由于抗剪洞布置在低高程剪出段壓剪破壞區更能發揮作用，因此在坡體的LPⅣ-LPⅣ剖面、高程1060m部位增設一條抗剪洞。該抗剪洞主要是針對F231斷層進行加固，以提高滑面的抗剪能力。

（2）由于XL316-1是卸荷裂隙密集帶，局部發育寬度達14m，目前的抗剪洞呈現夾心餅結構，其寬度明顯不足，以至于不能夠有效發揮其抗剪能力，因此在1240m和1210m高程采用錨固洞和抗剪洞的組合形式對XL316-1進行加固處理，以此對滑裂面軟弱部位進行補強加固，阻止邊坡下滑。

同時，由于錨固洞屬于埋人式懸臂結構，如果承受彎矩、剪力過大，可能會產生破壞，因此需要對錨固洞加固結構進行優化。在優化方案中，Ⅱ～Ⅲ2類巖體和Ⅳ類巖體的錨固洞長度分別為10、15m，布置在1240m和1210m高程的錨固洞長度相比于方案二均減小10m。

LPⅣ-LPⅣ剖面中，1210m和1240m高程錨固洞優化后的內力變化見表4；原設計方案二和優化方案下，1240m高程錨固洞的彎矩分布、剪力分布與滑裂面的相互關系見圖11、圖12。

（1）優化后的1240m高程錨固洞，由于前端沒有延伸進入到巖脈β202內部，錨固洞的彎矩和剪力只是受開挖邊坡潛在滑體下滑力作用，因此原方案二中錨固洞受力突變現象消失，優化后的錨固洞承受的最大彎矩和剪力明顯減小，錨固洞受力更為合理，可以安全正常地發揮作用。

（2）對于1210m高程錨固洞，優化后錨固洞承受的最大彎矩為26MN·m，最大剪力為8MN，同方案二比較，錨固洞受力仍較合理，可保證錨固洞安全正常地發揮作用。因此，把錨固洞長度縮短10m是合理的。

3.2 優化方案邊坡的穩定性復核

根據三維極限平衡分析結果（表5）可知，采用優化加固方案后，塊體①和塊體②的安全系數均能夠滿足邊坡在施工期和運行期的穩定性要求。

4 混凝土深層抗剪結構施工程序設計

為了分析抗剪洞的施工時序對邊坡穩定性的影響，假定塊體②為右岸邊坡深層滑動的控制性破壞模式。圖13為6層抗剪洞和斜井與塊體②的空間關系。表6為抗剪洞逐層開挖及回填混凝土后邊坡在正常工況下安全系數的變化。

由表6可知，開挖①、②、③層抗剪洞后，塊體②的安全系數降低了0.087。回填混凝土后，安全系數提高了0.175。而④、⑤、⑥這三層抗剪洞開挖后，塊體②的安全系數降低了0.025，回填混凝土后，安全系數提高了0.096。因此，為了保證抗剪洞施工過程中邊坡的整體穩定性，建議的施工時序和塊體②的安全系數變化見表7。計算結果表明，建議的施工工序基本滿足邊坡施工期的穩定性要求。

5 結語

通過對大崗山水電站右岸壩肩邊坡變形開裂機理的研究發現，該邊坡的潛在滑動模式是一種滑移一牽引一拉裂式破壞，由于其控制范圍廣、控制性結構面埋深較大，因此傳統的邊坡治理方式不適用。為此提出一套以抗剪洞和錨固洞為主的深層治理方案，輔以系統的淺層治理措施，并在加固治理中得到成功運用。

（1）右岸壩肩邊坡的潛在滑塊是以傾向坡里的β62、β85等巖脈破碎帶為后緣切割面，以β219、β223等NWW向巖脈破碎帶、近EW向的第④組裂隙為上游側切割面，以卸荷裂隙密集帶XL316-1和斷層F231為控制性底滑面組合形成的一系列潛在不穩定塊體。該變形模式呈現出由下而上、從低到高發展的牽引漸進式破壞。

（2）針對右岸邊坡的變形開裂機理，設計提出了以抗剪洞為主的深層治理方案。從邊坡的開挖穩定、變形及塑性破壞區等方面，對設計擬定的3種深層加固方案進行了深入的比選分析。選用方案二作為推薦方案并開展相應的優化設計工作。

（3）優化方案中，增設1060m高程抗剪洞，并在1240m和1210m高程采用錨固洞和抗剪洞的組合形式對XL316-1裂隙密集帶進行加固處理，同時對錨固洞的結構進行優化，Ⅱ～Ⅲ2類巖體和Ⅳ類巖體的錨固洞長度分別取10、15m。

（4）通過研究每層抗剪洞開挖及回填混凝土后邊坡安全系數的變化，在保證深層抗剪結構施工過程中邊坡整體穩定的前提下，建議先進行低高程的3層抗剪洞施工，然后再進行高高程的3層抗剪洞施工。

（5）大崗山水電站右岸壩肩邊坡治理措施的有效性是整個工程成敗的關鍵因素之一。目前的監測結果表明，邊坡加固處理效果良好，變形收斂、變形穩定滿足設計控制要求。

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