緬甸滾弄水電站左岸廠房高邊坡穩定性研究

曾曉波， 彭森良

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司， 云南 昆明 650000)

1 工程地質條件概況

滾弄水電站位于緬甸撣邦境內，項目裝機1 400 MW，最大壩高104 m，采用混凝土重力壩型，初擬正常蓄水位高程519 m。

該電站采用壩后式廠房方案，廠房部位開挖將在左岸壩肩部位形成高邊坡。由圖1可知，左岸廠房主要開挖邊坡在高程404.5 m以上，開挖邊坡高度約175 m。

圖1 左岸廠房邊坡典型地質剖面

廠房左岸岸坡地質條件較復雜，表部覆蓋層較厚，一般10～15 m，成分多為黏土夾塊石。其中在高程480～560 m范圍分布有B4崩塌堆積體，厚度一般20～40 m，方量約50×104m3，組成成分為塊石、礫石夾黏土。廠房區域受背斜的影響，邊坡部位的地層巖性分布差異性也比較大。邊坡下部下伏基巖為厚層狀巖屑角礫巖(P1S3-1(a))，巖層走向與邊坡斜交，總體為縱向坡，完整性較好，總體穩定性較好；邊坡中上部下伏基巖為鈣質細砂巖(P1S3-1(b))，巖層層面多順坡分布，且順層泥化夾層的存在對邊坡穩定影響較大，為邊坡開挖所面臨的主要地層單元。此外，該部位還發育Ⅲ級結構面F15，該斷層主要由斷層泥、碎裂巖及方解石等組成，根據平洞資料顯示，構造帶附近的鈣質砂巖泥化現象較為嚴重，對邊坡巖體的穩定性影響較大。

P1S3-1(b)砂巖地層層間泥化夾層或泥化現象多在弱上風化帶及強風化帶內較為明顯，弱下及微新砂巖內此類現象呈減少趨勢。左岸廠房邊坡開挖后，在高程480 m以上邊坡多為弱上風化帶，此類泥化夾層等軟弱結構面較為發育，對邊坡穩定影響較大；高程480 m以下開挖邊坡的巖體多為弱下及微新的砂巖，此類軟弱結構面較少，總體對開挖邊坡穩定影響較小。

根據廠房左岸山坡完成的3個平硐資料(即PD121、PD141和PD123)統計，廠房左岸邊坡巖體節理分布規律性強，主要發育有兩組節理(見圖2)，組(Ⅰ)N5°～35°E，NW∠30°～60°；組(Ⅱ)N65°～85°W，SW∠20°～40°。根據開挖邊坡與節理組的空間分布，兩組節理走向均與開挖邊坡走向交角較小，中緩傾上游或下游偏坡外，視傾角具有順坡向的趨勢。因此，該兩組節理對邊坡穩定影響較大。

圖2 左岸廠房邊坡節理赤平面法線極點投影分布

2 邊坡失穩變形判斷

通過上述的開挖邊坡工程地質特性和節理空間發育特征定性分析，廠房左岸開挖邊坡的穩定性較為突出。根據組成邊坡巖、土體特性，結構面發育及其組合關系，對邊坡可能形成失穩變形做出如下判斷。

2.1 B4崩塌堆積體松散介質邊坡

B4崩塌堆積體厚約20～40 m，上部碎石質黏土結構密實，下部大塊石、孤石松散架空，邊坡開挖后殘余部分穩定性極差。松散體內部存在產生圓弧形破壞或沿堆積體與基巖面產生滑動破壞的可能。

2.2 P1S3-1(b)紫紅色鈣質細砂巖邊坡

該層砂巖順坡分布，緩傾坡外，層間小斷層、擠壓面發育，泥化現象較為普遍，抗剪強度低，對邊坡穩定較為不利，在其他結構面組合切割下，邊坡沿其產生擠壓變形或失穩的可能性較大，應及時加強支護。

2.3 P1S3-1(a)巖屑角礫巖邊坡

該層巖屑角礫巖呈厚層～巨厚層狀，巖體完整、塊度大，無大的不利組合結構面分布，總體穩定性良好。局部存在節理的相互切割，可能存在小規模的楔形滑塊。

3 邊坡穩定性分析評價

為進一步對開挖邊坡的穩定性進行驗算，根據滾弄水電站左岸廠房邊坡開挖設計方案(見圖1)，結合野外工程地質平面測繪及勘探資料的收集整理，對不同工程部位采用差別化分析，建立合理工況模型，考慮不良地質體B4、巖層分布、順層砂巖泥化夾層、斷層、卸荷等在邊坡開挖卸荷過程中的應力應變變化情況，并應用強度折減法計算出邊坡開挖卸荷的安全系數，從而對邊坡開挖卸荷過程中的穩定性做出定量評價。地質單元計算本構模型采用修正的彈塑性Mohr-Coulomb模型(簡稱為M-C模型) ，同時考慮了兩組優勢節理對邊坡穩定的影響。

3.1 計算模型的建立

結合邊坡開挖設計方案，建立二維有限元計算模型，考慮到邊界條件對計算結果的影響，計算模型如圖3所示。

3.2 地質參數取值

根據滾弄壩址區現場巖體力學實驗結構及野外工程地質測繪、勘探成果，擬選定計算參數如表1所示。

圖3 廠房開挖邊坡有限元計算模型

表1 廠房邊坡開挖穩定計算各地質單元計算參數

3.3 順坡向節理及軟弱結構面的考慮

假定節理組a，其主要節理面的法向量和切向量分別為naα、taα，其中α=1，2，作為兩個相互垂直的坐標軸。局部壓應力及圍繞著節理面的剪應力可表示為：

Pa=-na·σ·na

τaα=na·σ·taα

假定剪應力的數值為：

節理面上的法向應變為：

εan=na·ε·na

則節理面上的切向應變為：

γaα=naεtaα+taαεna

采用線性應變進行彈塑性分解：

dε=dεel+dεpl

若存在多個節理面，則假定該節理面序號為i，其中i=a代表節理面，i=b代表巖體材料。則：

當所有節理面在某一點閉合，且巖體材料的彈性行為為線性及各項同性。不同于基于應變狀態判定在每一步迭代過程中節理面是否閉合，本計算中采用基于平面應力問題的一種方法判定節理是否張開。當節理面上的壓應力不大于0時，該節理面為張開。即：

pa≤0

在這種情況下巖體材料就不存在產生節理面上的正應變彈性剛度，也可能不存在產生沿著節理面的剪應變彈性剛度。因此，節理面的張開在該點將會產生一種各項異性的彈性響應，當滿足下式時，則節理面為張開狀態。

εan(ps)el≤εanel

式中εanel——為節理面上的法向彈性應變；

εan(ps)el——為節理面上的切向應變。

根據平面應力問題方法計算可得：

式中E——為巖體材料的楊氏模量；

ν——為巖體材料的泊松比。

則有：

σaα=taα·σ·taα

式中σaα——為節理面上的法向應力。

節理組a的滑動破壞面上有：

fa=τa-Pa·tanβa-da=0

式中da——為節理組a的粘聚力；

βa——為節理組a的內摩擦角。

當fa<0時，則節理面不發生滑動，當fa=0時，節理面發生滑動，此時，節理組上的非線性應變為：

ψa——為節理組的剪脹角。

其中，當節理面上為純粹的剪切流動時，取ψa=0；若考慮節理組滑動過程中發生剪切張開，則取ψa>0。

某一節理組在一點上的剪切滑動，將不改變其他節理組在該點的破壞準則及剪脹角。因此，每組節理在同一點上的剪切滑動力學行為是相對獨立的。

3.4 計算工況的模擬及節理面

根據滾弄水電站左岸廠房邊坡開挖施工方案設計，模擬開挖工況分9步進行，在計算中對開挖的模擬采用殺死單元的方法來實現，每一層開挖完成后及時支護，對支護的模擬簡化設置有一定允許位移的邊界條件。

根據現場地質調查、勘探成果，本計算主要考慮兩岸有影響的斷層等結構面的組合，兼顧節理統計結果。假設廠房邊坡開挖后節理閉合，咬合性能良好，取剪脹角為0進行計算。

3.5 邊坡失穩的判定

邊坡失穩破壞的判定方法為有限元強度折減法，本計算采用計算不收斂方法來判定，并同時給出發生破壞時的正應力、剪應力、塑性區、位移云圖加以說明。

3.6 計算成果分析

結合上述計算理論及計算步驟，得出了有限元計算成果。圖4給出了邊坡開挖完成后計算模型的正應力場、剪應力場、塑性區及位移場分布。

由圖4、5可以看出，由于設計在開挖過程中及時支護，整體位移不大，開挖“卸荷”對邊坡穩定性影響小。開挖過程中左岸廠房邊坡B4崩塌體附近(高程523 m附近)，巖體變形相對較大，局部產生塑性變形，位移約4.7 mm。因此，開挖過程中需及時支護，避免產生較大的位移，造成邊坡失穩。

計算過程中，當取安全系數K=1.27時，有限元計算不收斂，左岸廠房邊坡卸荷產生塑性變形較大，認為邊坡失穩。因此，采用強度折減法得出的安全系數取為1.27。

根據計算結果的分析，由有限元強度折減法得出的壩肩邊坡削坡的安全穩定系數為K=1.27，考慮到一定的安全儲備，該值較小，建議邊坡開挖過程中務必做到及時監測、及時支護，盡量避免造成邊坡失穩。同時，B4崩塌體部位對邊坡穩定影響較大，建議在開挖過程中予以足夠重視，除了全部挖除該堆積體外，應對下伏砂巖地層進行強支護處理，在478 m高程以上設置預應力錨索加固，防止邊坡沿泥化夾層等軟弱結構面變形失穩。

(a)正應力場分布(單位：Pa)

圖5 K=1.27時第四級削坡完成后附近位移場分布(單位：m)

4 廠房邊坡開挖及支護處理建議

廠房左岸邊坡復雜的地質條件主要受控于B4崩塌堆積體以及P1S3-1(b)的紫紅色細砂巖的泥化夾層及軟弱結構面的分布。

B4崩塌堆積體在左岸廠房邊坡開挖后已基本挖除。但由于該崩塌堆積體在空間上底界分布存在差異，邊坡開挖時尚有少量殘存，有可能導致滑塌或圓弧形滑動。因此現場開挖過程針對B4崩塌堆積體的空間分布特征應全部清除。

P1S3-1(a)的巖屑角礫巖開挖邊坡穩定問題不突出。P1S3-1(b)的細砂巖由于存在順坡的泥化夾層或擠壓帶等軟弱結構面，其力學強度較低，對邊坡穩定極為不利。因此，根據左岸山坡的工程地質特性，建議在邊坡開挖設計時，考慮放緩砂巖地段的開挖坡比，對于底部因開挖體型需垂直開挖的，其開挖臺階不宜過高，建議控制在15 m范圍內。在開挖過程中，每臺邊坡開挖到位時，需及時支護，包括錨筋樁、長錨桿以及后續必要的預應力錨索等。由于砂巖的阻水性能良好，邊坡設置排水孔時應適當加密，確保邊坡地下水的排泄暢通可減輕邊坡變形破壞的風險。