楊房溝水電站尾水出口邊坡穩(wěn)定性分析及處理方案

趙鵬，吳疆，周勇，潘兵

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州，310014)

1 工程基本情況

1.1 工程概況

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，是規(guī)劃中該河段的第6級(jí)水電站。電站樞紐主要建筑物包括擋水建筑物、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物等。

尾水出口為引水發(fā)電系統(tǒng)尾部建筑物，布置在二道壩與楊房溝之間，1#和2#尾水洞出口距離二道壩分別為90m和140m。尾水出口邊坡坡高接近400m，邊坡走向接近N35°W，2260m高程以下地形坡度40°～50°，2260m～2350m高程地形坡度60°～70°，局部呈陡崖地貌。尾水出口自2001.65m高程尾水出口平臺(tái)以上分別布置了2060m、2030m高程兩級(jí)馬道。

1.2 基本地質(zhì)情況

尾水出口邊坡巖性為花崗閃長(zhǎng)巖，巖體以次塊狀結(jié)構(gòu)為主。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭露的情況，開挖面以Ⅲ類巖體為主，但表層2m～7m范圍坡體為強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷巖體，為IV類巖體。邊坡開挖中未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模斷層，但發(fā)育多條小斷層和擠壓破碎帶，這些IV級(jí)結(jié)構(gòu)面均為巖塊巖屑型，大部分傾向坡內(nèi)，其中部分結(jié)構(gòu)面傾向坡外，且與坡面夾角較小，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性具有不利影響。

邊坡開挖整體成型相對(duì)較好，但坡表結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，受斷層、節(jié)理切割影響，特別是開口線部位強(qiáng)卸荷區(qū)、順坡向優(yōu)勢(shì)節(jié)理發(fā)育部位或在不利結(jié)構(gòu)面組合情況下，局部出現(xiàn)了開挖卸荷導(dǎo)致的淺層巖體松弛拉裂、塊體穩(wěn)定問題。

1.3 初期支護(hù)方案

尾水出口邊坡按照從高至低的順序，分層分序開挖，一次開挖高程15m，每30m設(shè)一級(jí)馬道，共設(shè)3級(jí)馬道，馬道高程分別為2060m、2030m、2001.65m，邊坡開挖坡比為1∶0.3。尾水出口邊坡主要采用系統(tǒng)錨噴支護(hù)，針對(duì)開挖過(guò)程中揭露的Ⅲ2類圍巖，支護(hù)參數(shù)為：系統(tǒng)錨桿：φ25/φ28，L=6m/9m@2.0m×2.0m，外露10cm；掛網(wǎng)噴混凝土：系統(tǒng)掛鋼筋網(wǎng)φ6.5@15cm×15cm，系統(tǒng)噴C25混凝土，厚15cm；預(yù)應(yīng)力錨索：隨機(jī)布置預(yù)應(yīng)力錨索T=1000kN/2000kN，L=30m/40m。針對(duì)開挖過(guò)程中揭露的Ⅲ1類圍巖，支護(hù)參數(shù)為：系統(tǒng)錨桿：φ25/φ28，L=4.5m/6m@2.0m×2.0m，外露10cm；掛網(wǎng)噴混凝土：系統(tǒng)掛鋼筋網(wǎng)φ6.5@15cm×15cm，系統(tǒng)噴C25混凝土，厚15cm；預(yù)應(yīng)力錨索：隨機(jī)布置預(yù)應(yīng)力錨索T=1000kN/2000kN，L=30m/40m。

2 尾水出口邊坡三維模型及基本參數(shù)

2.1 三維模型建立

圖1為尾水出口邊坡開挖數(shù)值計(jì)算模擬的整體三維模型，該數(shù)值計(jì)算模型范圍：220m×300m×350m(x×y×z)，模型底部高程為1900m。模型坐標(biāo)系設(shè)置如下：x軸為垂直河流流向的E-W向，y軸為順河流流向的N-S向，z軸為鉛直向。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工方案，擬定了相應(yīng)的分序開挖模型，模型中每開挖步的開挖高程約為30m。

圖1 尾水出口邊坡整體三維模型

2.2 巖體本構(gòu)模型及力學(xué)參數(shù)取值

本計(jì)算中的巖體本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，巖體物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值

2.3 巖體結(jié)構(gòu)面本構(gòu)模型與參數(shù)

數(shù)值模擬中采用的主要初始參數(shù)如表2所示，圖2為工程邊坡區(qū)域開挖揭露的主要IV級(jí)結(jié)構(gòu)面空間分布情況。

表2 結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)

圖2 尾水出口邊坡模型中模擬的主要結(jié)構(gòu)面

2.4 初始地應(yīng)力場(chǎng)

尾水出口邊坡開挖面主要位于邊坡淺部卸荷巖體中，水平開挖深度最大約30m，根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)，這些區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)受河谷地形地貌的影響相對(duì)較大。圖3給出了天然狀態(tài)下尾水出口邊坡典型剖面的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布情況。工程邊坡淺層一定深度范圍內(nèi)卸荷特征明顯，高高程部位以自重應(yīng)力為主，岸坡應(yīng)力從上至下初始地應(yīng)力水平呈增高趨勢(shì)。在邊坡開挖區(qū)，最大主應(yīng)力一般在10MPa以內(nèi)，最小主應(yīng)力一般在2MPa以內(nèi)，其中坡腳部位應(yīng)力水平相對(duì)較高。

圖3 天然邊坡典型剖面初始地應(yīng)力場(chǎng)分布特征

3 尾水出口邊坡開挖響應(yīng)特征及穩(wěn)定分析

尾水出口邊坡的穩(wěn)定性不僅受到自然條件下穩(wěn)定特征的控制，還與施工期邊坡具體的開挖支護(hù)方案和運(yùn)行期的各類工程因素等關(guān)系密切，因此，本文利用3DEC數(shù)值模擬軟件，對(duì)后續(xù)施工期間的邊坡開挖響應(yīng)特征進(jìn)行模擬，并對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.1 邊坡開挖至2060m高程馬道階段

3.1.1 邊坡開挖變形特征

圖4給出了尾水出口邊坡開挖至2060m高程時(shí)坡體變形的累計(jì)與分布情況；圖5給出了坡體變形分量分布情況，三個(gè)分量分別以順河流方向、水平面朝向坡外、鉛直向下為負(fù)。在該階段，邊坡的主要變形為典型的向臨空面的卸荷回彈變形，開挖坡面的累計(jì)變形量值約為2mm～5mm，其中1#尾水出口邊坡變形量級(jí)略高，主要集中在開口線附近，卸荷變形特征也相對(duì)明顯。

圖4 邊坡開挖至2060m高程的典型剖面累計(jì)變形分布

圖5 邊坡開挖至2060m高程的橫河向變形(左)、順河向變形(中)和鉛直向變形(右)分布

根據(jù)以上計(jì)算成果可以看出，尾水出口邊坡2060m高程以上開挖過(guò)程中，坡體具有較好的整體穩(wěn)定特征，邊坡開挖以卸荷回彈變形為主。

3.1.2 邊坡穩(wěn)定性分析

在數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過(guò)強(qiáng)度折減法，對(duì)邊坡開挖過(guò)程中的變形特征及穩(wěn)定性進(jìn)行分析。圖6是邊坡2060m高程以上開挖完成后，不同強(qiáng)度折減系數(shù)下的位移云圖(強(qiáng)度折減系數(shù)范圍為1.0～1.6)。其中在強(qiáng)度折減系數(shù)為1.4的情況下，2#尾水出口邊坡區(qū)域存在塊體滑移失穩(wěn)現(xiàn)象，該塊體主要有由f24、f38、f44等結(jié)構(gòu)面組合而成，可以認(rèn)為當(dāng)前開挖階段，該塊體的安全系數(shù)在1.3～1.4；當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)為1.6時(shí)，受不利結(jié)構(gòu)面f16、L11影響，1#尾水出口邊坡中下部區(qū)域也表現(xiàn)出明顯的非連續(xù)變形特征，該區(qū)域淺層巖體存在一定失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 尾水出口邊坡開挖至2060m階段不同強(qiáng)度折減系數(shù)下坡體位移分布

由上述分析可知，尾水出口邊坡2060m高程以上開挖后，邊坡仍處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，但局部仍存在潛在塊體穩(wěn)定問題，其中2#尾水出口邊坡區(qū)域存在由f24、f38、f44等結(jié)構(gòu)面組合而成的潛在不穩(wěn)定塊體，其安全系數(shù)在1.3～1.4。總體上看，此階段開挖對(duì)尾水出口邊坡整體穩(wěn)定性的影響較小，但對(duì)開挖影響區(qū)內(nèi)局部塊體穩(wěn)定具有一定影響。

3.2 邊坡開挖至2030m高程馬道階段

3.2.1 邊坡開挖變形特征

圖7、圖8給出了尾水出口邊坡開挖至2030m高程的累計(jì)變形及變形分量的分布情況，在該階段，邊坡的主要變形仍然為典型的向臨空面的卸荷回彈變形。其中新開挖面的累計(jì)變形一般在2mm～6mm左右，局部受斷層影響，表現(xiàn)出一定的非連續(xù)變形特征，如1#尾水出口邊坡下游側(cè)開口線附近，受斷層f68影響，斷層上盤巖體變形在10mm～15mm，與優(yōu)勢(shì)節(jié)理、卸荷裂隙組合后，可能存在局部巖體松弛和坍塌破壞風(fēng)險(xiǎn)。2030m開挖平臺(tái)的累計(jì)變形一般可達(dá)到6mm～12mm，主要為向上的卸荷回彈變形。此開挖階段，下部開挖對(duì)邊坡上部(2060m高程以上)開口線以外淺表巖體有一定影響，變形增量一般在1mm～3mm，影響范圍一般在開口線外10m左右。其中1#尾水出口邊坡開口線外巖體，因其臨空卸荷條件十分不利(受楊房溝影響)，受下部開挖施工擾動(dòng)影響相對(duì)明顯，范圍一般可達(dá)到邊坡開口線外20m以上。

圖7 邊坡開挖至2030m高程的典型剖面累計(jì)變形分布

圖8 邊坡開挖至2030m高程的橫河向變形(左)、順河向變形(中)和鉛直向變形(右)分布

綜上，在本階段邊坡巖體的主要變形仍然為典型的向臨空面的卸荷回彈變形，整體變形量值相對(duì)較小，表明邊坡仍具備一定的整體穩(wěn)定性。另外，局部開挖邊坡開口線附近存在一定的卸荷松弛變形問題。

3.2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

圖9是尾水出口邊坡在不同強(qiáng)度折減系數(shù)下的位移云圖(強(qiáng)度折減系數(shù)范圍為1.0～1.6)。在強(qiáng)度折減系數(shù)為1.5的情況下，邊坡部分區(qū)域出現(xiàn)變形顯著增長(zhǎng)情況，2030m高程以上2#尾水出口邊坡區(qū)域存在塊體滑移失穩(wěn)現(xiàn)象；當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)為1.6時(shí)，1#尾水出口邊坡2030m以上斷層f16坡面出露區(qū)域存在較明顯的非連續(xù)變形特征。

圖9 尾水出口邊坡開挖至2030m高程階段不同強(qiáng)度折減系數(shù)下坡體位移分布

2#尾水出口邊坡永久開挖面部位存在由f24、f38、f44等結(jié)構(gòu)面組合而成的潛在不穩(wěn)定塊體，塊體分布高程在2040m～2080m，水平深度約5m～20m，當(dāng)前階段該塊體的安全系數(shù)在1.4～1.5，作為永久工程邊坡，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際開挖揭示情況并制定針對(duì)性加強(qiáng)支護(hù)方案。

斷層f16對(duì)1#尾水出口邊坡2030m高程以上區(qū)域有一定不利影響，可導(dǎo)致該區(qū)域淺層巖體松弛或局部塊體變形和破壞問題。另外，斷層f16對(duì)臨時(shí)開挖平臺(tái)2030m高程同樣存在一定不利影響，特別是與下部L11及優(yōu)勢(shì)節(jié)理組合后，存在局部坍塌破壞的風(fēng)險(xiǎn)，開挖控制不當(dāng)將會(huì)造成該臨時(shí)施工平臺(tái)的缺失或垮塌，進(jìn)而影響現(xiàn)場(chǎng)排架搭設(shè)和后續(xù)開挖施工，也會(huì)對(duì)該階段施工安全造成一定的不利影響。因此，在邊坡2060m～2030m高程開挖階段，應(yīng)加強(qiáng)斷層f16發(fā)育區(qū)域的巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查工作，分析研究潛在的不利結(jié)構(gòu)面組合交切關(guān)系，必要時(shí)應(yīng)采取針對(duì)性加強(qiáng)錨固措施。

綜上所述，尾水出口邊坡2060m～2030m高程開挖完成后，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但局部存在潛在塊體穩(wěn)定問題。

3.3 邊坡開挖至2001.65m高程平臺(tái)階段

3.3.1 邊坡開挖變形特征

圖10、圖11給出了邊坡2030m～2001.65m高程開挖階段的累計(jì)變形及變形分量的分布情況。在該階段，邊坡的主要變形仍然為典型的向臨空面的卸荷回彈變形，其中新開挖面的累計(jì)變形一般在4mm～10mm，卸荷變形特征在邊坡開口線附近表現(xiàn)的較為明顯。2001.65m高程開挖平臺(tái)的累計(jì)變形一般可達(dá)到10mm～15mm，主要為向上的卸荷回彈變形。

圖10 邊坡開挖至2001.65m高程的典型剖面累計(jì)變形分布

圖11 邊坡開挖至2001.65m高程的橫河向變形(左)、順河向變形(中)和鉛直向變形(右)分布

綜上，在本階段邊坡巖體的主要變形仍然為典型的向臨空面的卸荷回彈變形，整體變形量值相對(duì)較小，表明邊坡仍具備一定的整體穩(wěn)定性。

3.3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

圖12為尾水出口邊坡在不同強(qiáng)度折減系數(shù)下的位移云圖(強(qiáng)度折減系數(shù)范圍為1.0～1.6)。與前一開挖梯段相似，2#尾水出口邊坡區(qū)域存在由f24、f38、f44等結(jié)構(gòu)面組合而成的潛在不穩(wěn)定塊體，該塊體的安全系數(shù)在1.4～1.5；1#尾水出口邊坡上部區(qū)域變形及穩(wěn)定性受斷層f16影響較明顯，該部位安全系數(shù)在1.5左右。

圖12 尾水出口邊坡開挖至2001.65m高程階段不同強(qiáng)度折減系數(shù)下坡體位移分布

整體上，尾水出口邊坡2030m～2001.65m高程開挖階段對(duì)其整體穩(wěn)定性影響較小，在坡面部分卸荷松弛塊體被挖除后，邊坡安全系數(shù)可普遍維持在1.4以上，邊坡整體穩(wěn)定性較好。

3.4 小結(jié)

通過(guò)對(duì)尾水出口邊坡開挖模擬及穩(wěn)定性分析，可以看出工程邊坡具備一定的整體穩(wěn)定性，但局部存在塊體穩(wěn)定問題。其中2#尾水出口區(qū)域存在由f24、f38、f44等結(jié)構(gòu)面組合而成的潛在不穩(wěn)定塊體，該塊體的安全系數(shù)在1.4～1.5；1#尾水出口區(qū)域邊坡整體穩(wěn)定性較好，其下部區(qū)域的穩(wěn)定性較中上部偏低，整體安全系數(shù)可達(dá)到1.5左右，坡體局部受不利結(jié)構(gòu)面f16、L11影響，存在淺層塊體變形及穩(wěn)定問題。

綜上，應(yīng)主要針對(duì)2#尾水出口邊坡存在的潛在不穩(wěn)定塊體、1#尾水出口邊坡的斷層影響區(qū)，制定加強(qiáng)支護(hù)方案。

4 尾水出口邊坡加強(qiáng)支護(hù)措施

4.1 1#尾水出口邊坡加強(qiáng)支護(hù)措施

針對(duì)f16斷層影響區(qū)，在1#尾水出口2060m～2030m高程邊坡原支護(hù)方案基礎(chǔ)上，增設(shè)部分預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)錨固(見圖13)：

圖13 1#尾水出口2030m～2060m高程工程邊坡預(yù)應(yīng)力錨索布置示意

(1)2052m高程布置3根預(yù)應(yīng)力錨索WS-M50-WS-M52，T=1000kN、L=30m錨索和T=2000kN、L=40m錨索長(zhǎng)短間隔布置，間距5m，下傾15°；

(2)2047m高程布置1根預(yù)應(yīng)力錨索WS-M53，T=2000kN，L=40m錨索，下傾15°；

(3)2042m高程布置4根預(yù)應(yīng)力錨索WS-M54～WS-M57，T=1000kN、L=30m錨索和T=2000kN、L=40m錨索長(zhǎng)短間隔布置，下傾15°。

4.2 2#尾水出口邊坡加強(qiáng)支護(hù)措施

針對(duì)斷層f24、f38、f44組合形成的不利塊體，在2#尾水出口2060m～2030m高程邊坡原支護(hù)方案基礎(chǔ)上，增設(shè)部分預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)錨固(見圖14)：

圖14 2#尾水出口2030m～2060m高程工程邊坡預(yù)應(yīng)力錨索布置示意

(1)2055m高程布置3根預(yù)應(yīng)力錨索WS-M63-WS-M65，T=1000kN、L=30m錨索和T=2000kN、L=40m錨索長(zhǎng)短間隔布置，間距5m，下傾15°；

(2)2050m高程布置3根預(yù)應(yīng)力錨索WS-M66～WS-M68，T=1000kN、L=30m錨索和T=2000kN、L=40m錨索長(zhǎng)短間隔布置，間距5m，下傾15°。

5 尾水出口邊坡監(jiān)測(cè)成果分析

尾水出口邊坡共埋深14個(gè)表面變形測(cè)點(diǎn)、4套多點(diǎn)位移計(jì)、11組錨桿應(yīng)力計(jì)和3臺(tái)錨索測(cè)力計(jì)。出口邊坡開挖完成后，監(jiān)測(cè)成果如下：

(1)表面變形測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)：目前臨空向最大累計(jì)位移10.6mm、順河向最大累計(jì)位移-8.2mm、垂直向最大累計(jì)位移12.7mm，累計(jì)水平及沉降變形量小。

(2)多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)：目前多點(diǎn)位移計(jì)變形量介于0.8mm～2.34mm之間，各多點(diǎn)位移計(jì)變形量小。

(3)錨桿應(yīng)力計(jì)：目前實(shí)測(cè)錨桿應(yīng)力介于-1.08MPa～63.80MPa，月變化量介于-6.18MPa～2.85MPa，變化量小。

(4)錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)：100t錨索測(cè)力計(jì)實(shí)測(cè)荷載介于1045.4kN～1072.9kN，監(jiān)測(cè)錨索目前荷載占設(shè)計(jì)荷載比率為104.54%～107.29%，月變化量介于-4.7kN～-0.2kN，荷載損失率介于-3.67%～0.63%。

監(jiān)測(cè)成果表明：多點(diǎn)位移計(jì)、表面變形觀測(cè)、錨桿應(yīng)力計(jì)和錨索測(cè)力計(jì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)值穩(wěn)定或收斂，按要求支護(hù)后邊坡穩(wěn)定性較好。

6 結(jié)語(yǔ)

本文利用楊房溝水電站尾水出口邊坡揭露的地質(zhì)條件，通過(guò)3DEC軟件建立三維模型以及進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析邊坡開挖過(guò)程中的開挖響應(yīng)特征以及邊坡穩(wěn)定性，找出開挖過(guò)程中潛在的不利因素，并制定相應(yīng)的針對(duì)性加強(qiáng)支護(hù)措施，從而保證施工期的安全性及運(yùn)行期的邊坡整體穩(wěn)定性。主要結(jié)論如下：

(1)尾水出口邊坡在開挖施工過(guò)程中，主要變形特征為向臨空面的卸荷回彈變形，邊坡的累計(jì)變形量隨開挖高程由高至低呈現(xiàn)逐步遞增的規(guī)律，下部坡腳一帶地應(yīng)力偏高，相應(yīng)的開挖卸荷也相對(duì)明顯，邊坡典型部位的開挖變形量值總體在20mm以內(nèi)，其中卸荷變形特征相對(duì)明顯區(qū)域主要集中在開口線附近。

(2)工程邊坡具備一定的整體穩(wěn)定性，但局部存在塊體穩(wěn)定問題。其中2#尾水出口區(qū)域存在由f24、f38、f44等結(jié)構(gòu)面組合而成的潛在不穩(wěn)定塊體，該塊體的安全系數(shù)在1.4～1.5；1#尾水出口區(qū)域邊坡整體穩(wěn)定性較好，其下部區(qū)域的穩(wěn)定性較中上部偏低，整體安全系數(shù)可達(dá)到1.5左右，坡體局部受不利結(jié)構(gòu)面f16、L11影響，存在淺層塊體變形及穩(wěn)定問題。

(3)針對(duì)尾水出口邊坡局部存在的塊體穩(wěn)定問題，通過(guò)在塊體、斷層影響區(qū)域增設(shè)錨索的方式加強(qiáng)邊坡支護(hù)，提高了塊體的安全系數(shù)，保證了邊坡的整體穩(wěn)定性。

(4)邊坡開挖完成后，通過(guò)邊坡監(jiān)測(cè)成果可以看出，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)值穩(wěn)定或收斂，表明按要求支護(hù)后邊坡的穩(wěn)定性較好。