阿爾塔什水利樞紐大壩右岸高邊坡W19危巖體穩定分析

秦 國 強

(新疆水利水電勘測設計研究院， 新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程位于葉爾羌河中游河段，西南距新疆莎車縣城約130 km，坐標：北緯37°57′20″，東經76°27′25″，見圖 1。工程是葉爾羌河干流目前唯一在建的控制性水利樞紐工程，任務集灌溉、發電、防洪和改善生態。水利樞紐建筑物主要包括：攔河大壩、導流洞、發電引水洞、泄洪排沙洞及電站廠房等。水庫總庫容22.40×108m3，正常蓄水位1 820 m，最大壩高162.8 m，電站裝機容量755 MW，年發電量23.32億kW·h，屬大(1)型Ⅰ等工程。

工程具有“三高一深”的特點，即：高壩位于高地震烈度區，大壩右岸高邊坡和壩基深厚覆蓋層[1-2]。

2 右岸邊坡地質條件

阿爾塔什水利樞紐工程大壩段河水水面高程1 667 m，右岸坡頂高程2 250 m，坡高583 m，屬超高邊坡，高程1 845 m以下坡度為50°～70°，184 5 m以上近似直立(見圖 2)，由此造就了大壩右岸邊坡工程第1大重難點——邊坡高陡。

根據現場對右岸邊坡發育的隨機結構面進行大量的量測、統計分析，右岸高陡邊坡主要發育有以下三組結構面，即產狀為NW300°—NE10°∠ 60°～80°的卸荷裂隙，產狀為SW230°∠30°～50°的層面與50°～110°∠50°～70°的結構面。這些結構面與傾向NW或NE的邊坡臨空面相互切割組合，在邊坡表面形成了諸多體積大小不等的潛在不穩定塊體。這些塊體在降雨、地震等情況下可能發生滑塌破壞，直接關系著大量水利樞紐建構筑物以及施工人員的安全。

圖1 阿爾塔什水利樞紐地理位置圖

圖2 阿爾塔什壩址河谷地貌圖

本次研究結合水工建筑物的布置，對右岸高邊坡中所存在的潛在不穩定體失事所造成的危害大小與損毀建筑物的范圍進行了分區與分類(見圖 3)，通過對各區的危巖體進行詳細的調查與測量，對各區內的危巖體方量進行了估算，本次研究即針對其中規模最大的W19號危巖體。

圖3 右岸高陡邊坡危巖體分布示意圖

3 W19主要特征及失穩模式分析

3.1 主要特征

通過對W19危巖體進行專項調查與測量，得出W19分布高程在1 931 m～2 105 m之間，位于壩肩以上陡坡面，出露面積22 320 m2，厚度在4.0 m～34.0 m之間，平均厚度為11.3 m，總方量25.3萬m3。

3.2 失穩模式分析

根據在W19巖體內進行的調查與結構面測量可知，該危巖體屬于楔形體失穩破壞模式[3-6]，主要是在右岸高邊坡內發育有三組主要的結構面，分別是傾向NW的陡傾角的卸荷裂隙，傾向SW的中緩傾角的層面，另外還有一組垂直邊坡表面發育的傾向E/SE的陡傾角的隨機結構面，在幾組結構面相互組合能夠形成可能失穩的楔形體，兩個底滑面主要是卸荷裂隙和傾向E/SE的陡傾角結構面(見圖 4和圖 5)。

圖4 下游臨空面看W19內發育的卸荷裂隙

圖5 上游臨空面看W19內發育的卸荷裂隙

4 W19穩定性分析

通過對各種方法適用性進行對比分析，采用三維剛體極限平衡法對W19危巖體的穩定性進行分析評價[7-11]。

4.1 計算工況與計算條件

計算工況選擇在天然狀況、天然狀況考慮降雨和天然狀況遭遇地震三種工況條件下的穩定狀況。

關于降雨工況對邊坡內地下水的考慮。本區域內多年平均降水量51.6 mm，多年平均蒸發量2 244.9 mm，表明區內降雨量稀少，蒸發量大。冬季天氣寒冷，最大積雪厚度14 cm。但根據現場調查情況，壩址區降雨時間相對比較集中，且雨季多在每年的5月—7月，且在壩址區上下游山前多見泥石流形成的沖洪積扇地貌以及泥石流對地表侵蝕后形成的沖溝，表明一次極端暴雨的降水量是比較大的。

本次計算對危巖體在降雨工況下底滑面的水壓力的處理方式為：假定危巖體不透水，僅在其滑面與后緣面存在地下水。對于單滑面滑移模式，假定滑面上的孔壓系數ru=0.1，這里孔壓系數的定義公式為：

(1)

式中:rw、rd分別為水與巖石的重度，kN/m3；h與H分別為計算點處的水壓力與塊體高度，m。初步估計，當ru=0.1時，等價于滑面上的水頭h為該點處塊體高度H的1/3。

對于地震工況，工程區基本烈度為Ⅷ度，設防烈度取Ⅸ度，工程區基巖50 a超5%概率水平向動峰值加速度0.227g，100 a超2%概率水平向動峰值加速度0.32g[12-14]。

本次研究對阿爾塔什右岸高邊坡的危巖體進行穩定性分析時，按100 a超越概率為2%的基巖峰值加速度a=0.320g進行穩定性計算。

《水工建筑物抗震設計規范》[15](SL 51247—2018)建議，采用剛體極限平衡法進行土石壩的抗震穩定計算方法，即通過在每個土條的重心處施加一個水平與豎直向地震力，相應不同的設防烈度，規范規定了其水平向與豎直向的加速度分量。具體的規定如下：

圖6 考慮降雨時坡體內地下水及水壓力的分布形式

(1) 計算地震作用效應采用擬靜力法時，隨建筑物高度作用在質點i上水平向地震慣性力代表值采用下式計算：

Fi=ahξGeiαi/g

式中：Fi為作用在質點i上水平向地震慣性力代表值，kN；ah為水平向設計地震加速度代表值，m/s2；ξ為地震作用的效應折減系數，一般取值0.25；Gei為集中于質點i的重力作用標準值，kN；αi為質點i的動態分布系數；g為重力加速度，9.8m/s2。

(2) 進行抗震計算當采用擬靜力法時，質點i的動態分布系數αi取值如圖7所示，其中αm在設計烈度為7°、8°和9°時，分別取值3.0、2.5和2.0。

圖7 系數αi沿高程的分布情況

考慮到危巖體的高度較小，本次計算時在其重心處施加一個沿豎向放大的水平方向的地震加速度，但對豎直向地震加速度不予考慮。

4.2 計算參數

計算時各結構面的力學參數見表1。

表1 不同類型結構面的參數建議值與計算取值

注：巖石重度γ=27 kN/m3。

在本次計算中，對于邊坡中發育的陡傾角卸荷裂隙，其抗剪強度參數按張開有充填物的結構面取值，對巖層層面按有泥膜的巖層層面參數取值，參考周邊其他類似工程摩擦系數f和黏聚力c(MPa)均取較大值更穩妥，其它結構面的抗剪強度參數按閉合結構面取值。

對于安全系數控制標準取值，據《水利水電工程邊坡設計規范》[16](SL 386—2007)，阿爾塔什水利樞紐為大(1)型一等工程，考慮到右岸邊坡安全在整個樞紐工程中的重要性，將右岸邊坡級別設為I級，在進行穩定性分析計算時，天然狀況、正常蓄水位工況下安全系數取值大于1.25，地震工況下安全系數取值大于1.10。

4.3 計算結果

根據對W19危巖體現場調查，該危巖體內卸荷裂隙十分發育，其出露情況見圖4、圖5。在現場對該區發育的隨機結構面進行了大量的量測，統計結果見圖8。

圖8 危巖體W19分區的結構面統計結果

根據結構面的統計結果，并結合現場調查情況，該區主要發育有以下2組結構面：

(1) J1：5°∠80°，卸荷裂隙。

(2) J2：230°∠30°，層面。

邊坡面的產狀為0°∠70°，交棱線產狀為278.8°∠20.8°。

該危巖體在下游方向臨空，其產狀為30°∠70°。該分區的失穩模式見圖9。從圖中可以看出，因J1與J2的交棱線位于滑動區，可能會發生楔體破壞。結構面相互切割形成的塊體的空間形狀見圖10。

圖9 危巖體W19區的失穩模式圖

圖10 由結構面切割形成的危巖體W19空間形狀

經計算，該塊體的幾何參數為：

① 塊體體積V=25.3×104m3。

② 塊體自重W=717.79×104kN。

③ 底滑面J1面積：22 127 m2。

④ 底滑面J2面積：5 468.2 m2。

在進行穩定性分析時，卸荷裂隙參數按“張開有充填物的卸荷裂隙”的參數取值，層面按“有泥膜的巖層層面”的參數取值，表2列出了該塊體各工況下的穩定分析成果。

表2 危巖體W19各工況下的穩定分析成果

4.4 敏感性分析

考慮到W19危巖體的重要性，此小節對卸荷裂隙的傾向作敏感性分析[17]。

根據現場結構面的量測結果，W19發育的卸荷裂隙的產狀NW330°—NE20°∠50°～80°，而邊坡面的平均產狀為0°∠70°。這表明隨著卸荷裂隙的產狀由NW向NE方向過渡時，與層面的交棱線方向在上游方向由走向山里逐漸向臨空面過渡。受地形的限制，若要使卸荷裂隙與層面相互組合在邊坡面上形成可動塊體，卸荷裂隙與層面的交棱線在上下游方向與邊坡面存在交點。此外，當卸荷裂隙的傾向由NW向NE向過渡時，其與層面的交棱線的傾角逐漸變緩，同時所形成的塊體體積也逐漸變大。

(1) 卸荷裂隙的產狀為350°∠80°，層面產狀為220°∠50°，交棱線產狀268.07°∠38.53°。

圖11為由結構面切割形成的塊體的空間形狀。該塊體的幾何參數為：

① 塊體體積V=2.34×104m3。

② 塊體自重W=63.44×104kN。

③ 側滑面(卸荷裂隙J1)的面積：5 811.4 m2。

④ 底滑面(層面J2)的面積：879.67 m2。

表3列出了相應的計算結果。

表3 卸荷裂隙產狀為350°∠80°時危巖體W19各工況下的穩定分析成果

注：考慮極端降雨工況時，受側滑面揚壓力作用，塊體將脫離側滑面沿層面單面滑動。

(2) 卸荷裂隙產狀為0°∠80°，層面產狀為220°∠50°，交棱線產狀276.64°∠33.24°。

圖12為由結構面切割形成的空間塊體形狀，該塊體的幾何參數為：

圖11 卸荷裂隙產狀為350°∠80°時切割形成的塊體的空間形狀

① 塊體體積V=12.69×104m3。

② 塊體自重W=342.89×104kN。

③ 側滑面(卸荷裂隙J1)的面積為：15 383 m2。

④ 底滑面(層面J2)的面積為：2 904 m2。

表4列出了相應的計算結果。

表4 卸荷裂隙產狀為0°∠80°時危巖體W19各工況下的穩定分析成果

注：考慮極端降雨工況時，受側滑面揚壓力作用，塊體將脫離側滑面沿層面單面滑動。

圖12 卸荷裂隙產狀為0°∠80°時切割形成的塊體的空間形狀

5 結 論

采用三維剛體極限平衡法對阿爾塔什右岸邊坡表面分布的危巖體W19進行了穩定性分析研究，結果表明：

(1) 危巖體W19巖層層面傾向坡里(層面產狀為230°∠30°)，且走向與邊坡走向基本平行，而卸荷裂隙傾向坡外(卸荷裂隙產狀為5°∠80°)，且走向與邊坡面基本平行(邊坡面產狀為0°∠70°)，這一特定的組合模式導致了交棱線傾向上游且傾角相對較緩，從而使的楔體的穩定性較好，在不同工況下的穩定安全系數均滿足規范要求。

(2) 卸荷裂隙產狀為350°∠80°，層面產狀為220°∠50°和卸荷裂隙產狀為0°∠80°，層面產狀為220°∠50°在極端降雨工況時，受側滑面揚壓力作用，塊體將脫離側滑面沿層面單面滑動，滑動塊體體積分別為2.34×104m3和12.69×104m3，需盡量清除表面危巖孤石，然后采用錨桿結合主被動柔性防護技術以及錨索結合框格梁進行支護。