某水電站開關站邊坡穩定性分析

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 引 言

開關站作為水力發電系統的重要組成部分，負責接受和分配水力發電機組發出的電能，經主變壓器升高至規定電壓后，實現遠距離外送輸電，尤其是大渡河干流上作為全國能源基地、落實"西電東送"戰略的重要項目之一的某大型水電站，其開關站的選址和工程邊坡的穩定性研究與評價便顯得尤為關鍵。本文在參閱相關文獻的基礎上[1-3]，通過地表地質調查及自然邊坡現狀對開關站邊坡穩定性進行宏觀判斷，并采用極限平衡法對多種工況下的邊坡穩定性進行定量計算，輔以赤平投影進行分析，提出邊坡開挖處理建議，為工程施工安全及永久安全提供設計依據[4-5]

1 邊坡工程的地質條件

1.1 邊坡狀況

開關站位于左壩肩心墻下游側f21斷層與f24斷層之間的略凸起斜坡段(圖1)，天然坡度總體45°～50°，地形略有起伏，具有一定的臺階狀地貌特征，處于上部陡坡與下部緩坡之間，上部陡坡平均坡度約60°，下部緩坡坡度約40°。工程邊坡為直立開挖，開挖坡高約10 m～30 m。

1.2 邊坡巖體結構特征

1.3 邊坡巖體變形破壞特征

邊坡巖體變形破壞主要受f21、f24斷層及同組結構面控制，多表現為旋轉滑移拉裂破壞，其中發育較密集的J4組構成旋轉滑移拉裂的側向切割面；淺表部巖體主要受J1、J6組緩傾角裂隙控制，多產生滑移拉裂，或受結構面切割形成滑移拉裂變形塊體，在地表形成規模較小的空腔和危巖體。

圖1 開關站工程地質平面圖

表1 次級小斷層發育統計表

高高程XPD6#平硐(位置見圖1)揭示，坡體內存在一定程度變形，深度達100 m；變形主要集中在32 m～36 m、59 m～73 m、94 m～97 m處，具有明顯的分帶特征；坡體在50 m深處沿垂向陡傾角裂隙產生傾倒拉裂變形，拉裂縫寬3～4 cm。

2 邊坡穩定性分析

2.1 宏觀判斷

根據地表地質調查及坡體變形破壞跡象判斷，自然邊坡整體處于基本穩定-穩定狀態；但工程邊坡巖體受f21、f24斷層及同組長大結構面控制，多表現為滑移拉裂破壞，當開挖揭露到該組斷層及長大裂隙導致底滑面臨空時，邊坡失穩破壞風險較大。

2.2 極限平衡法計算

選取開關站橫向剖面(圖2)進行穩定性計算。

2.2.1 計算方法及參數選取

采用極限平衡法對開關站邊坡進行穩定性定量評價，計算采用一般條分法、畢肖普法和簡布三種方法；計算工況分天然、地震、暴雨及暴雨+地震四種；各級巖體和結構面物理力學指標建議參數(表2、表3)。

表2 巖體物理力學指標建議值表

表3 結構面力學指標建議值表

2.2.2 計算方案

據前文分析知，開關站橫向剖面(后緣邊坡)主要受控于J3組中陡傾角順坡裂隙或與其同組的f24斷層，穩定性計算主要以該組結構面建模；此外考慮開關站上下部位J7組陡傾角結構面的發育情況，選取J7、J3組合進行穩定性計算(表4)。

圖2 開關站橫向剖面圖

表4 潛在控制面及組合模式一覽表

表5 邊坡穩定性極限平衡分析成果表

計算成果(表5)表明，開關站橫向剖面開挖邊坡整體(f24+坡腳剪斷強卸荷巖體)在天然或暴雨工況下處于基本穩定狀態，在地震或地震+暴雨的不利工況下處于不穩定狀態；J7+J3組合模式在地震、暴雨、暴雨+地震等工況下穩定性系數均小于1，表明后側邊坡局部穩定性較差，處于欠穩定狀態。

3 工程邊坡塊體穩定性赤平投影分析

通過赤平投影對開關站后緣及上、下游側開挖邊坡的塊體穩定性進行分析。

3.1 后緣邊坡

據橫向(后緣邊坡)赤平投影圖(圖3)分析得出：J3組與橫向(后緣)邊坡小角度相交，中傾坡外，邊坡巖體易沿該組順坡裂隙產生滑移拉裂破壞；其中J4組為側向控制面，J7、J2組為后緣拉裂面，傾向坡內的J1、J6組緩傾角結構面則構成塊體失穩的頂部割裂面。

3.2 上游側邊坡

據上游側邊坡赤平投影圖(圖4)分析得出：J4組與上游側邊坡小角度相交，傾角陡立，易產生傾倒變形，在J4組裂密帶部位發生傾倒可能性較大；局部發育的J2、J7組可與J3組組合形成楔形滑移拉裂破壞塊體。

圖3 橫向邊坡赤平投影圖

3.3 下游側邊坡

據下游側邊坡赤平投影圖(圖5)分析得出：J4組與下游側開挖面小角度相交，陡傾坡外，而開關站邊坡屬直立開挖，易沿J4組產生順坡滑移破壞，J3組構成側向滑移面。

4 結 語

開關站工程邊坡的整體穩定性主要受f21、f24斷層及同組長大結構面的控制，破壞方式為滑移拉裂破壞；后緣邊坡在天然狀況下整體處于基本穩定狀態，在地震作用下處于欠穩定狀態，局部塊體失穩的可能性較大；當開挖切露到該組斷層及長大裂隙導致底滑面臨空時，邊坡巖體極易產生失穩破壞。

開關站后緣邊坡局部穩定性較差，易沿J3組中陡傾裂隙發生滑移拉裂變形破壞；上游側邊坡受J4組結構面控制，易發生傾倒拉裂破壞，且在J2、J7組裂隙發育部位，可與J3組合形成楔形滑移拉裂型不穩定塊體；下游側邊坡主要受控于J4組陡傾順坡結構面，穩定性差，易發生滑移破壞。

5 處理建議

(1)可通過灌漿改善f24斷層性狀，或采取預應力錨索支護以改變坡體受力條件等措施，強化后緣邊坡的整體穩定。(2)在系統錨桿支護基礎上，對潛在失穩塊體尤其是J3、J4組裂隙密集發育部位采取針對性加強支護措施，強化局部塊體穩定。(3)開挖中應輔以必要監測手段，動態掌握坡體穩定狀態，為工程施工及安全管理提供科學依據。

圖4 上游側邊坡赤平投影圖

圖5 下游側邊坡赤平投影圖