近壩庫岸卸荷松動巖體穩定性分析及入庫涌浪計算

閔勇章，凡 亞，劉永波

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

近年來，我國水電事業經歷了一段高速發展期，建成了許多大中型水電站工程。隨著時間的推移，這些電站水庫近壩庫岸卸荷松動巖體普遍存在失穩風險，并可能造成涌浪危害，安全形勢非常嚴峻。本文結合工程實際，在對近壩庫岸卸荷松動巖體進行穩定性分析的前提下，選用美國土木工程師協會推薦公式進行涌浪計算，預測到壩體處涌浪高度接近壩頂高程會危及壩體及下游安全。因此，需對卸荷松動巖體進行適當支護處理，實施后監測數據顯示：變形趨于收斂，卸荷松動巖體整體處于穩定狀態。

1 工程概況

川西某水電站采用水庫大壩、首部式地下引水發電系統開發，樞紐主要建筑物由礫石土心墻堆石壩、引水發電系統、泄洪放空系統組成。攔河大壩最大壩高240 m，電站總裝機容量2 600 MW，水庫正常蓄水位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，具有季調節能力，電站于2016年12月建成發電。

泄洪放空系統由1條深孔泄洪洞、2條開敞式泄洪洞和1條放空洞組成，按洞軸線大致平行方式布置于右岸(平面位置見圖1)。泄洪洞進口位于雙叉溝堆積體對岸下游至象鼻溝間的坡段，距離大壩軸線約900 m，進口自然邊坡高500～600 m，地形坡度45°～55°。

圖1 泄洪洞進口平面地質示意

2 卸荷松動巖體基本地質條件

在右岸象鼻溝上游側和1號泄洪洞進口下游側之間、距壩軸線約900 m的坡體上，發育一處松動巖帶XJ7-SD(見圖2)。地理位置屬近壩庫岸，地形呈山脊狀，三面臨空，高程1 640～1 785 m，坡度一般50°～60°，局部平緩，植被稀疏，出露巖體主要為花崗巖。

松動巖帶裂隙發育，主要以J1、J4、J6三組裂隙為主(見表1)，延伸長大，裂面普遍銹染張開。J4組裂隙陡傾發育，常以裂隙密集帶出現，裂面普遍張開30～40 cm，局部大于1 m(見圖3)，形成拉裂縫；J1、J6組裂隙均為順坡向發育，延伸長大，常構成邊坡的滑移控制面，同其他結構面組合完備。受裂隙切割影響，淺表部巖體松動變形嚴重，巖體結構以塊裂～碎裂結構為主。

松動巖帶面積約0.6萬m2，總方量約為10～15萬m3，前緣(A區)面積約0.3 萬m2，總方量約7～8萬m3，A區巖體受J1(潛在底滑面)、J6(潛在底滑面)與J4(后緣切割面)切割影響，易形成潛在不穩定塊體，可能產生沿J1、J6的滑移變形破壞。

圖2 XJ7-SD松動巖帶全貌

圖3 XJ7-SD松動巖帶細部巖體發育特征(圖1中照片7-1、7-2處)

組別產狀性狀特征J4N65°～85°W/NE∠75°～80°發育程度高,延伸長大,常以裂密帶形式產出J6N20°～35°W/NE∠30°～40°較發育,起伏粗糙,延伸較長大,常構成邊坡的滑移控制面J1N10°～25°E /SE∠20°～38°發育程度較低,延伸較長大

3 穩定性分析

松動巖帶在地形上受三面臨空、坡陡及結構面不利組合影響，裂隙張開，并產生拉裂變形；巖體松動明顯，天然狀態下小型崩塌時有發生，現狀處于基本穩定狀態；局部邊緣地段處于臨界穩定狀態，在爆破震動、暴雨、地震等工況下可能產生較大塌滑。 A區處在水庫水位變幅帶附近，在水庫蓄水初期、運行期及水位驟降期，受庫水侵蝕浸泡、動水壓力及涌浪的作用下易引發失穩變形，造成較大近壩庫岸垮塌，并產生一定規模涌浪，危及大壩運行安全。

選取5條剖面、 9種不同組合模式對松動巖帶邊坡進行穩定性計算(力學參數見表2)。結果表明，天然狀態下邊坡整體穩定，短暫工況及偶然工況下相當一部分不滿足設計要求(見表3)，存在失穩可能。

表2松動巖帶XJ7-SD結構面力學指標建議值

表3 穩定計算成果(未支護狀態)

計算剖面模型組合工況持久短暫偶然1號-1剖面①J6傾角23°長50 m+J4傾角80°長59 m2.1991.9371.451②J6傾角23°長80 m+J4傾角80°長47 m1.9721.7651.2021號-2剖面①J6傾角40°長80 m+J4傾角80°長152 m1.0390.6350.7902號-1剖面①J6傾角23°長50 m+J4傾角80°長147 m1.3581.1211.016②J6傾角23°長80 m+J4傾角80°長122 m1.4020.8430.9843號-1剖面①J6傾角23°長50 m+J4傾角80°長112 m1.5441.3001.137②J6傾角23°長80 m+J4傾角80°長108 m1.4581.2541.0183號-2剖面①J6傾角23°長50 m+J4傾角80°長167 m1.6581.4081.232②J6傾角23°長80 m+J4傾角80°長210 m1.3010.8380.987邊坡穩定目標安全系數1.25～1.301.15～1.201.05～1.10

4 涌浪計算

為查明松動巖體失穩入庫引發的涌浪對大壩安全運行的影響程度，準確預測壩體位置涌浪高度，為松動巖體支護處理提供依據，特選取沿J6滑動方向典型剖面(見圖4)，對巖體入庫涌浪進行分析計算，滑動模式確定為J4與J6組合、沿J6面產生滑動。

初始速度計算選用美國土木工程師協會推薦公式，如下：

(1)

式中，f為滑面或巖體結構面摩擦系數，f=0.425；α為滑面及巖體結構面傾角，(°)，α=34°；H為變形體水上部分重心至水面高度，m，H=22.5 m；W為滑動體單寬重量，kN，W=99 258.87 kN；c為黏聚力，kPa，c=110 kPa；L為滑塊與滑動面接觸長度(沿滑動方向)，m，L=133 m。

圖4 XJ7-SD松動巖帶沿J6滑動方向典型計算剖面

將各參數代入公式(1)，計算得Vs=2.242 8 m/s。

涌浪計算選用中國水利水電科學研究院經驗公式，如下：

(2)

式中，η為壩上浪高，m；V為滑速，m/s，V=2.242 8 m/s；Vm為滑體入水前水上部分體積，m3，Vm=150 533 m3；K1為與距滑坡點距離有關的系數，此處入水點距離壩軸線900 m，根據關系曲線(見圖5)，選取K1=0.11；n為計算系數，在1.3～1.5間，此處選取n=1.4。

將各參數代入公式(2)，計算得壩上浪高η=6.743 m，正常蓄水位為1 690 m，加上涌浪高度為1 696.743 m，接近壩頂高程1 697 m，考慮其他因素的影響，存在翻壩的可能性，從而可能影響水庫安全運行。

5 支護處理與變形監測

設計采用在一定范圍內松動巖體邊坡上布置系統錨索(錨索深度穿過J4裂隙形成的拉裂縫)的支護方式，并輔以監測措施，以保證工程邊坡及大壩運行安全。

圖5 系數K1與滑體入水點距離L關系曲線

穩定性計算表明(見表4)，支護后邊坡穩定系數滿足規范要求。支護實施后及電站蓄水運行以來，內觀和外觀監測成果顯示，該邊坡變形已趨于收斂(見圖6)，未見異常，邊坡整體處于穩定狀態。

表4 加支護后穩定計算成果

圖6 各測點變形時間過程線

6 結 論

川西某水電站壩前右岸象鼻溝上游與泄洪洞進口之間山脊巖體卸荷強烈、松動，呈帶狀分布，穩定性差。通過定性分析及定量計算對卸荷松動巖體的變形機制及穩定性進行研究表明，在短暫及偶然工況下部分邊坡存在失穩可能。由于該松動巖體地理位置處在近壩庫岸，遂對其進行失穩入庫涌浪分析，預測首浪高度接近壩頂高程，有翻壩風險，危及壩體及下游安全。在此前提下，提出卸荷松動巖體加固處理措施，并輔以監測手段，對支護后的邊坡變形進行觀測，結果顯示變形趨于收斂，卸荷松動巖體整體處于穩定狀態，保障了水庫安全有序運行，對類似近壩庫岸處理有一定借鑒意義。