大石門水利樞紐工程壩后左岸高邊坡處理及穩定分析

董武斌

(水利部新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

近年來，隨著社會經濟的快速發展，我國的水利工程項目越來越多。但是，有些工程由于邊坡失穩而造成了重大工程事故，不但遭受了巨大的經濟損失，而且造成了人員傷亡。所以，高邊坡的穩定已成為我國水利水電工程中一個比較嚴峻的問題，它不但直接關系著工程修建的可行性，而且對工程的建設投資和安全運行有很大影響，甚至嚴重制約著工程的進度和項目建設投產運行的成敗。工程上一般常把高邊坡的坡度在30°～60°稱為陡坡，60°～90°稱為急坡[1]。

邊坡工程巖土特性復雜多變，破壞模式、計算參數及計算理論等都存在諸多的不確定性，所以在邊坡支護結構變形的分析與處理過程中，一定要充分考慮這些不確定因素，找出邊坡支護結構變形的具體原因，并得出正確的分析結論及處理建議，消除造成該結構變形的因素，使結構重新恢復穩定狀態，并保證結構在處理之后可以安全使用[2]。

1 工程概況[3]

大石門水利樞紐工程位于新疆且末縣車爾臣河中游河段，是一項以灌溉、防洪為主，兼有發電等綜合利用的水利工程。總庫容1.27×108m3；攔河壩最大壩高132.8 m，電站裝機60 MW，發電引水流量82.0 m3/s。大石門水利樞紐工程為Ⅱ等大(Ⅱ)型工程，電站廠房為3級建筑物[4]，根據邊坡失穩對建筑物的危害程度確定大壩下游廠房左岸邊坡為3級邊坡[5]。抗震設計烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度取為0.26 g。

2 邊坡地質條件

大壩后壩坡左側岸坡自然坡度約63°～70°，坡高壁陡，坡頂高達166 m，上部為上更新統砂卵礫石層(Q3al) ，厚35～40 m；中部為中更新統砂卵礫石層(Q2al) ，厚95～100 m；下部為侏羅系泥巖、砂巖夾煤層。

3 原始邊坡穩定安全性分析[6]

3.1 計算原理

本工程邊坡開挖前后的邊坡穩定計算采用FLAC3D計算，FLAC3D中高邊坡安全系數計算采用的是強度折減系數法。強度折減法為使坡體剛好達到臨界破壞狀態，對其強度參數進行折減，FLAC3D中采用的是摩爾-庫倫準則(Mohr-Coulumb)，影響邊坡穩定性的參數為黏聚力c和內摩擦角φ，將原始黏聚力c和內摩擦角φ同時除以一個折減系數K，然后進行數值計算。通過不斷增大或減小K值，反復進行計算直至達到臨界破壞狀態。假設此時的黏聚力和內摩擦角為ccr和φcr，所對應的安全系數為Kcr=1，可以得到邊坡的安全系數為：

3.2 邊坡模型及穩定分析

通過FLAC3D及fish函數的計算，得到整個模型在邊坡開挖前后的安全系數，之后再來確定邊坡的穩定性，同時可以預測最危險滑動體的位置，以便后期施工采取相應的工程措施進行防護。見圖1、圖2。

圖1 左岸高邊坡削坡前網格模型示意圖

圖2 左岸高邊坡削坡后網格模型示意圖

利用FLAC3D對開挖前整體模型進行穩定性計算。模型整體基本穩定，安全系數達到1.15，最危險滑動體出現在待開挖的邊坡范圍附近，最大剪應變率為5.48e-3，位于坡腳附近，也是滑動體最有可能滑出的位置。

由于上游左壩肩外存在砂礫石覆蓋的巨厚古河槽，長度超過2 km，雖然經過灌漿處理，但處理長度未及古河槽邊界，范圍較小，左壩肩仍存在繞壩滲流的情況。

壩后左岸原始邊坡內部砂礫石含水量低，Q2al區域砂礫石呈現膠結。水庫蓄水后，由于存在繞壩滲流的情況，大壩下游左岸砂礫石邊坡內部存在一定程度的滲水，對原有邊坡的穩定將造成不利影響。見圖3、圖4。

圖3 邊坡開挖前整體穩定性分析

圖4 典型剖面原始邊坡剪應變率云圖及速度矢量

4 邊坡處理方案

該左岸高邊坡緊臨電站廠址區，最近距離約40 m，蓄水后邊坡易失去穩定，對工程產生不利影響。對大壩下游左岸砂礫石岸坡進行處理，砂礫石岸坡削坡高度約134 m，該邊坡級別為3級，對建筑物危害程度為嚴重，確定需對該高陡邊坡進行削坡處理。邊坡開挖底高程自下部基巖面開始，確定邊坡開挖高程為2 216 m，邊坡開挖坡度1∶1，每10 m設一馬道[7]，馬道寬2 m，在高程2 266及2 306 m處各設一級寬8 m馬道，底部砂礫石與基巖接觸面馬道寬5 m。邊坡采用掛網噴混凝土支護[8]，2 266 m以下高程邊坡布置φ100排水管[9]，各級寬馬道處布置排水溝與順坡面布置的5處排水溝相連，將坡面雨水排至下游河道。高邊坡寬馬道平臺處各設置一道被動防護網對落石進行多級攔護，另在上壩交通洞及廠房交通洞洞頂布置鋼制φ75排水[10]花管，向上深入約30 m，以利于排出繞壩滲流至邊坡的內水。見圖5、圖6。

圖5 高邊坡開挖平面示意圖

圖6 高邊坡處理典型剖面圖

5 開挖邊坡穩定分析計算

利用FLAC3D對開挖后前整體模型進行穩定性計算。邊坡開挖后模型整體較為穩定，安全系數達到1.47，邊坡的最大剪應變率相比開挖前降低很多，開挖邊坡后新坡面的安全系數有所提高。見圖7、圖8。

圖7 邊坡開挖后整體穩定性分析

圖8 開挖完成后典型剖面剪應變率云圖及速度矢量

施工期為保證河谷施工區人員設施安全，通過對不同開挖高程時邊坡的穩定進行分析。施工期最危險的滑動面出現在當邊坡自上部開挖約40 m時。由于應力釋放，坡面向上及向外側發生位移，危險滑動面出現在外坡面表層。經計算，邊坡表層危險滑動面安全系數為1.13。見圖9。

圖9 施工期開挖邊坡最危險滑動面分析

6 結 語

綜上所述，原始邊坡基本穩定，但工程建成后，受壩肩的滲流及壩后泄洪建筑物泄洪的影響，存在滑坡危險。對邊坡進行開挖噴護處理，并且在邊坡內布設排水洞，排出壩肩可能存在的滲水。經過處理后，消除了邊坡滑坡的危險，保證了壩后交通設施以及廠房的安全。

經對施工期邊坡開挖不同高程時的邊坡穩定計算，在邊坡開挖至第四級時，邊坡外表層穩定性較低。本工程邊坡開挖施工過程中，通過對外邊坡表層進行預處理，并對邊坡進行變形觀測及采取合理組織施工進度，將施工進度計劃里非關鍵線路的廠房施工安排在邊坡處理完成后。現大石門水利樞紐過程大壩下游左岸高邊坡與廠房已完成，在整個施工過程中未發生危害人員安全、工程安全的滑坡以及落石傷人，初步達到了邊坡處理的預期效果。