锦屏一级水电站雾化区左岸Ⅳ-Ⅵ号山梁稳定性分析及加固措施研究

张公平，曾 勇，唐忠敏

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072；2.四川大学水电学院，四川 成都 610065)

1 前 言

1.1 工程概况

锦屏一级水电站位于四川省盐源县、木里县交界的雅砻江干流，是雅砻江水能资源最富集的中、下游河段五级水电开发中的第一级。电站以发电为主，兼有防洪﹑拦沙等作用。水库正常蓄水位1 880.00m，总库容77.6亿m3，调节库容49.1亿m3，为年调节水库。电站装机容量3 600MW，枢纽由挡水﹑泄水及消能、引水发电等永久性建筑物组成，挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，最大坝高305m，坝顶高程1 885.00m。泄水及消能建筑物由拱坝坝身4个表孔+5个深孔+2个放空底孔+1条右岸泄洪洞及坝后水垫塘+二道坝组成。

锦屏一级水电站坝址区河谷狭窄，谷坡陡峻，岩体松弛卸荷、变形拉裂现象严重，地质条件复杂。左岸坡体存在Ⅳ～Ⅵ号山梁变形拉裂岩体，变形拉裂岩体除发育f2、f5、f9、煌斑岩脉等地质构造外，还发育有深部裂缝，天然条件下，雾化区左岸边坡现状稳定，但稳定安全度不高。同时，枢纽泄洪流量大，水头高，空中泄流落差大，泄洪雾化问题十分突出，泄洪雨雾对边坡稳定性的影响较大，泄洪雾化区边坡在泄洪雾化降雨的影响下边坡稳定安全度降低，有可能发生边坡失稳。

1.2 边坡安全控制标准

根据水电枢纽工程等级划分及设计安全标准[1]，锦屏一级水电站工程规模为大(1)型，工程等别为一等，其永久性主要建筑物-混凝土拱坝、泄水消能建筑物、引水及地下厂房建筑物等按1级建筑物设计。其临时性水工建筑物—围堰、导流洞等按3级建筑物设计。泄洪雾化区左岸Ⅵ号山梁边坡位于水垫塘及二道坝左右两侧，如其失稳，主要影响水垫塘及二道坝等1级永久性主要建筑物。Ⅳ号山梁边坡位于下游围堰左侧及左导流洞出口上方，如其失稳，主要影响下游围堰左侧及左导流洞出口等3级临时水工建筑物。根据水工建筑物边坡等级划分标准[2]，Ⅵ号山梁边坡为1级边坡，Ⅳ号山梁边坡为2级边坡。在采用极限平衡方法稳定分析时，其边坡安全控制标准见表1。

表1 锦屏一级泄洪雾化区左岸边坡设计安全系数

2 左岸雾化区边坡基本地形地质条件

Ⅳ～Ⅵ号山梁位于坝轴线下游Ⅵ勘探线至III勘探线之间。地貌上为两山梁夹一浅切冲沟，沟形在1 800m高程以上明显，在此高程以下消失。坡体1 920m高程以下由杂谷脑组第二段第6、7、8层大理岩组成，坡度约60°～70°；1 920m高程以上为杂谷脑组第三段砂板岩，坡度约40°～50°。岩层产状N10°～35°E，NW∠30°～45°，走向与天然边坡基本一致，倾向坡里，属典型的反向坡。

该部位是枢纽区左岸深部裂缝发育的典型地段，坡体内规模相对较大的结构面有：

f2断层：发育在1 650～1 700m高程之间第6层大理岩中，基本顺层展布，产状N30°～40°E，NW∠40°～56°，走向与天然边坡基本一致，倾向坡里，对坡体稳定不起控制作用。

f5断层：产状N35°～45°E，SE∠70°～80°，斜穿分布于坝区左岸岩体内，在Ⅵ勘探线下游出露于坡面，与谷坡小角度相交，陡倾坡外，构成了控制Ⅳ～Ⅵ号山梁前缘稳定的重要切割边界。

f9断层：出露于左岸1 920m高程以上的Ⅵ～A勘探线之间，沿走向方向延伸长度约300m，顺倾向方向终止于1 720m高程附近。断层产状N60°～70°E，SE∠70°～80°，根据其岩性和切割关系分析，可能成为岸坡整体失稳的潜在后缘滑动面。

深部裂缝发育带：总体产状N25°～35°E，SE∠50°～80°，宏观上形成了一平行岸坡展布的拉裂带，向下延伸终止于1 700m高程，向上延伸在进入砂板岩后都表现为松弛张开的卸荷裂隙，1 700m高程以上部位深部裂缝及其旁侧受其影响的一定宽度内的岩体为Ⅳ2级岩体，1 700m高程以下部位无深部裂缝发育的岩体为Ⅲ1级岩体。该深部裂隙发育带的存在构成了控制Ⅳ～Ⅵ号山梁深层稳定的重要切割边界。

左岸雾化区Ⅳ～Ⅵ号山梁平面地质图见图1，典型地质剖面见图2、3。

3 泄洪雾化预测与边坡渗流分析

3.1 泄洪雾化预测

泄洪“雾化”是泄水建筑物泄洪时伴生雨和雾的统称，其主要的雾化源主要有三个：泄洪水流空中掺气扩散、挑射水舌在空中碰撞消能和水舌入水激溅形成泄流。影响泄洪雾化强度和范围的因素十分复杂。

根据1∶50泄洪雾化模型试验，参考二滩工程泄洪雾化原型观测成果，得出设计洪水条件下，锦屏一级大坝坝身4个表孔和5个深孔同时泄洪时坝身泄洪雾化降雨预测成果(见图4)。

图1 Ⅳ～Ⅵ号山梁典型地质平切图及典型剖面位置

3.2 边坡渗流分析成果

根据坝身泄洪雾化预测成果，开展了锦屏一级水电站泄洪雾化区边坡泄洪雾化条件下的渗流分析，其主要结论如下：

(1)在无坡面防护措施、无山体地下排水情况下，泄洪雾化区左岸边坡饱和区顶高程约为1 800m。

(2)在有坡面防护措施、无山体地下排水情况下，泄洪雾化区左岸边坡饱和区顶高程约为1 740m。

(3)在有坡面防护措施、山体地下排水情况下，泄洪雾化区左岸边坡饱和区顶高程约为1 670m。

图2 Ⅵ-Ⅵ典型地质剖面

图3 Ⅳ-Ⅳ典型地质剖面

图4 设计洪水工况，4表孔+5深孔全开坝身泄洪雾化降雨预测等值线(mm/h)

4 边坡加固设计

根据对Ⅳ～Ⅵ号山梁基本地质条件、泄洪雾化降雨预测和渗流分析，初步拟定左岸Ⅳ～Ⅵ号山梁加固措施如下：

4.1 坡面截、防、排水系统

对边坡设置系统的周边截水沟和坡面排水沟，从而形成了系统、可靠的坡面排水网络；根据泄洪雾化降雨预测成果，对于泄洪雾化雨强度超过50mm/h以上的区域、坡面地质条件相对较差的断层出露区域、对防渗排水要求较高的抗力体区域采用了坡面贴坡混凝土防护(厚50cm)，对于泄洪雾化雨强度10～50mm/h的区域采用了挂网、喷聚丙烯纤维混凝土防护(厚15cm)；对于雾化区范围内的坡面均设置坡面排水孔。

4.2 地下排水系统布置

为降低坡体内裂隙水作用、加强坡体内的排水效果，在山体内约50m水平深度顺河向布置了4层地下山体排水洞，并在排水洞间用排水孔相连形成排水孔幕，确保坡面以里40、50m范围内岩体在雾化条件和暴雨条件下处于疏干状态。

4.3 系统锚杆加固

对边坡浅表层均采用锚杆系统加固，锚杆均采用φ28mm、32mm砂浆锚杆，长6m、9m，间、排距2.0m×2.0m。

4.4 预应力锚索加固布置

对于煌斑岩脉出露区域、断层f5出露区域、近坝抗力体区域、Ⅳ号山梁深拉裂缝埋深较浅的区域、断层f2出露区域进行系统预应力锚索加固。

4.5 高位危岩主动防护网加固

对于浅表层岩体松散破碎、清坡难度较大、受泄洪雾化降雨影响相对较小的高位危岩体区域均采用挂主动网防护。

4.6 安全监测

根据工程的结构特点和地质条件，对边坡变形、渗流、应力进行全面系统的监测。

5 边坡极限平衡法稳定性分析

5.1 边坡失稳模式分析

根据边坡基本地形、地质条件，分析坡体结构，确定边坡主要存在的失稳模式有：

滑移模式①：以f9断层为后缘面，剪断f9断层以外边坡岩体的深层整体滑移模式。

滑移模式②：以深部裂缝为后缘面，剪断深部裂缝以外边坡岩体的深层整体滑移模式。

滑移模式③：以f5断层为后缘面，剪断f5断层以外边坡岩体的浅层滑移模式。

滑移模式④：以煌斑岩脉为后缘面，剪断煌斑岩脉以外边坡岩体的浅层滑移模式。

滑移模式⑤：在边坡浅表部强卸荷岩体内，以顺坡卸荷裂隙为主要后缘面，剪断边坡岩体的浅层滑移模式。

5.2 计算方法及计算工况

计算采用平面刚体极限平衡Sarma法[3],分别考虑5种工况：

工况1：天然状态；

工况2：天然状态+地震(7度地震)；

工况3：泄洪雾化状态下无任何防排工程措施；

工况4：泄洪雾化状态下有坡面截防排水和地下排水洞系统排水措施。

工况5：泄洪雾化状态下有坡面截防排水和地下排水洞系统排水措施，但考虑排水系统部分失效。

5.3 计算成果

从上游向下游依次选取7个代表性剖面进行刚体极限平衡法稳定性分析，典型剖面位置见图1，计算成果见表2、3。

表2 左岸雾化区极限平衡稳定性分析成果

表3 滑移模式④补充分析成果

注：锚索吨位2 000kN，间排距6m×6m。

5.4 计算结论

在7个典型剖面的二维极限平衡分析中，4-4、3-3、Ⅵ-Ⅵ是Ⅵ号山梁代表性剖面，A-A、1-1、Ⅳ-Ⅳ、2-2是Ⅳ号山梁代表性剖面，根据边坡极限平衡稳定分析成果，可以看出：

(1)天然状况下边坡稳定性评价。工况1：各剖面边坡深层滑动(滑移模式①、②)的稳定安全系数均大于边坡稳定控制标准，但裕度不高，说明天然状况下，边坡整体稳定，但稳定安全度不高。工况1，除滑移模式④外，各剖面边坡浅表层滑动(滑移模式③、⑤)的稳定安全系数均大于边坡稳定控制标准，说明除Ⅳ号山梁煌斑岩脉出露部位存在局部稳定问题需要进行锚索加固外，其余部位边坡天然状况下均能维持局部稳定状态。

(2)地震工况下边坡稳定性评价。无论对于边坡深层整体滑移模式(滑移模式①、②)，还是边坡岩体浅层滑移模式(滑移模式③、④、⑤)，地震工况(工况2)不是边坡稳定性的控制工况。

(3)雾化降雨对边坡稳定性的影响分析。无论是对于深层整体滑移模式(滑移模式①、②)，还是边坡岩体浅层滑移模式(滑移模式③、④、⑤)，在有雾化降雨但无坡面防排措施和地下系统排水的情况下(工况3)，各剖面边坡稳定安全系数较工况1都有大幅下降，部分剖面边坡稳定安全系数甚至小于边坡稳定安全系数控制标准，说明如不采取有效措施减小雾化降雨的影响，边坡可能发生整体或者局部失稳。

(4)边坡坡面防排措施和地下系统排水措施作用分析。各剖面计算成果表明，对于滑移模式①、②，工况4和工况5较工况3的边坡稳定安全系数均有较大程度提高，工况5的边坡稳定安全系数略小于工况4，但均大于边坡稳定安全系数控制标准，说明坡面防排措施和地下系统排水对于维持边坡雾化降雨情况下的边坡整体稳定性是至关重要的。另外，对于滑移模式③～⑤，工况4、5较工况1，各剖面边坡稳定安全系数均有一定程度的提高，坡面防排措施和地下系统排水可以有效改善边坡雾化降雨情况下的浅表层局部稳定性。

(5)Ⅳ号山梁煌斑岩脉出露部位锚索加固作用分析。对于以煌斑岩脉为后缘面的边坡岩体浅层滑移模式(滑移模式④)，在未进行锚索加固的情况下，各计算工况下边坡稳定安全系数均小于边坡稳定安全系数控制标准，采用2 000kN、间排距6m×6m的系统预应力锚索加固后，各控制工况(工况1、2、5)边坡稳定安全系数均大于边坡稳定安全系数控制标准，说明目前的锚索加固措施是合适的，能够确保边坡局部稳定性。

5.5 坡脚岩体阻滑作用敏感性分析

根据对地质剖面的分析，对于边坡深层整体滑移模式(滑移模式①、②)，深部拉裂缝以外区域的坡脚Ⅲ2类、Ⅳ1类岩体对于维持Ⅳ～Ⅵ号山梁的整体稳定起着非常重要的作用[4]，考虑到泄洪雨雾可能对坡脚岩体产生软化作用，选取了代表性的剖面，在适当降低坡脚岩体抗剪断参数的情况下，对坡脚岩体的阻滑作用进行敏感性分析，主要成果见表4、5。

表4 以f9为后缘面滑移模式

表5 以深部拉裂缝为后缘面滑移模式

计算结果表明，无论是对于滑移模式①，还是对于滑移模式②，f9断层及深部拉裂缝以外的坡脚岩体对于维持边坡的整体稳定都起着相当大的作用。考虑到雾化降雨可能对坡脚岩体产生软化作用从而影响边坡的整体稳定，需要对雾化雨严重部位的边坡表层部位进行有效的防护。

5.6 深部加固措施作用分析

根据极限平衡分析成果，Ⅳ～Ⅵ号山梁整体稳定，但稳定安全度不高。为了提高边坡的整体稳定性，拟采用系统锚索和抗剪锚固洞等加固措施对于边坡进行加固处理。下面就针对滑移模式②，选取了代表性的Ⅳ-Ⅳ剖面，对上述加固措施对于改善边坡整体稳定性的作用进行了分析。主要的支护参数如下：

A型支护为：自高程1 750～1 650m高程，布置300t(L=80m锚索)，间排距4m×4m。

B型支护为：在高程1 730m、1 785m各布置一层抗剪锚固洞，每层3条，间距50m，洞室断面5m×7m(采用混凝土的抗剪指标来代替置换部分深拉裂缝的指标)。

计算结果见表6。

表6 支护条件下滑移模式②计算成果

计算结果表明，无论是大范围的系统锚索支护，还是抗剪锚固洞进行支护，对提高边坡整体稳定性都是非常有限的，通过对边坡施加大规模的深层支护来大幅度提高Ⅳ～Ⅵ号山梁整体稳定性是不可行的。

6 边坡三维离散元稳定性分析

边坡刚体极限平衡法稳定性分析表明，Ⅳ～Ⅵ号山梁现状稳定，但安全裕度不高。为了进一步分析边坡的稳定特征和潜在不稳定区域，采用了三维离散元分析软件对边坡的稳定情况进行了分析[5]。

6.1 计算模型

Ⅵ号山梁和Ⅳ号山梁的计算模型分别见图5、6所示。为了考察主要结构面、节理和层面组合下可能出现的边坡破坏模式，模型中除模拟了f2、f5、f9、煌斑岩脉、深部裂缝等主要构造之外，还对NW向节理和NE向节理等次要结构面进行了模拟。

6.2 计算工况及分析思路

为了较好地分析边坡潜在的不稳定区域，分析采用了天然工况下强度折减的计算方法，即按比例折减强度参数c和f，通过位移场变化确定潜在不稳定区域范围和稳定程度。

6.3 主要计算成果

计算揭示的Ⅵ、Ⅳ号山梁边坡潜在的不稳定区域分布分别见图7、8。计算成果表明：

(1)Ⅵ号山梁潜在不稳定区域主要位于f5或煌斑岩脉出露部位，随着折减系数的增大，不稳定区域的范围随之增加，但不稳定区域基本均位于断层f5和煌斑岩脉上盘，说明天然状况下，Ⅵ号山梁整体稳定，可能发生的边坡稳定问题主要是以f5或煌斑岩脉为后缘边界，剪断其外侧岩体的局部失稳破坏。这与第5章中4-4、3-3、Ⅵ-Ⅵ剖面滑移模式②、③、⑤的分析结论是一致的。

(2)对于Ⅳ号山梁而言，其潜在不稳定区域主要位于深部裂缝、f9断层下游坡面出露部位，以及高高程的危岩体。随着折减系数的增大，高高程危岩体的不稳定区域的范围有所增大，深部裂缝、f9断层下游坡面出露部位不稳定区域的范围增加并不明显，说明天然状况下，Ⅳ号山梁整体稳定。这与第5章中A-A、1-1、Ⅳ-Ⅳ、2-2剖面滑移模式①、②的分析结论是一致的。

图5 Ⅵ号山梁基本模型(左)和块体模型(右)

图6 Ⅳ号山梁基本模型(左)、基本模型中的结构面(中)、和块体模型(右)

图7 离散元分析计算揭示的Ⅵ号山梁边坡潜在不稳定区域分布

图8 离散元分析计算揭示的Ⅳ号山梁边坡潜在不稳定区域分布

(3)天然工况下，Ⅳ～Ⅵ号山梁稳定安全度较低的区域主要包括：Ⅵ号山梁f5断层、煌斑岩脉出露部位，Ⅳ号山梁深部裂缝、f9断层下游侧出露部位和高高程危岩体区域。这些部位应该予以重点加固。

7 结 语

(1)根据对基本地质条件分析，结合二维刚体极限平衡法分析成果，对左岸Ⅳ～Ⅵ号山梁整体稳定性起控制作用的主要结构面为断层f9和深部裂缝。天然状况下，对于以上述结构面为后缘面、剪断结构面以外岩体的深层整体滑移模式，边坡稳定安全系数均大于边坡稳定安全系数控制标准，但安全裕度不高，说明天然状况下，Ⅳ～Ⅵ号山梁整体稳定，但稳定安全度不高。

(2)三维离散元法分析成果表明，Ⅵ号山梁f5断层、煌斑岩脉出露部位，Ⅳ号山梁深部裂缝、f9断层下游侧出露部位和高高程危岩体区域是潜在不稳定部位，需要对这些部位进行重点加固。二维刚体极限平衡法分析成果也表明，以f5或煌斑岩脉为后缘边界、剪断其外侧岩体的滑移模式的稳定安全系数较低，以煌斑岩脉为后缘面的滑移模式的边坡稳定安全系数甚至小于边坡稳定安全系数控制标准，说明Ⅳ～Ⅵ号山梁存在局部稳定问题，需要对上述区域进行系统锚索加固才能确保边坡的局部稳定性。

(3)相比于地震，雾化降雨为左岸Ⅳ～Ⅵ号山梁整体稳定性的控制性因素，在未设置坡面防排水措施和地下系统排水措施的情况下，边坡整体稳定性和局部稳定性较天然工况下均有大幅度降低，部分剖面的边坡稳定安全系数甚至小于边坡稳定安全系数控制标准，说明采取坡面防排措施和地下系统排水措施来降低雾化降雨的影响是必要的。

(4)二维刚体极限平衡法分析成果表明，通过系统锚索或抗剪锚固洞来大幅提高Ⅳ～Ⅵ号山梁的整体稳定性是不可行的，但通过采用边坡坡面防排措施和地下系统排水措施来降低雾化降雨的影响，维持边坡的整体稳定性的方案是可行的。采用边坡坡面防排措施和地下系统排水措施后，边坡的整体稳定性得到显著改善，说明上述措施是有效的。

(5)二维刚体极限平衡法分析成果还表明，f9断层及深部拉裂缝以外的坡脚岩体对于维持边坡的整体稳定作用明显，为防止雾化降雨对坡脚岩体产生软化作用，需要对雾化雨严重部位的边坡表层部位进行有效的防护。

(6)采用2 000kN、间排距6m×6m的系统预应力锚索加固后，Ⅵ号山梁煌斑岩脉出露部位各工况下边坡稳定安全系数均大于边坡稳定安全系数控制标准，说明目前的锚索加固措施是合适的，能够确保边坡局部稳定性。

[1] 水电枢纽工程等级划分及设计安全标准(DL 5180-2003)[S].北京：中国电力出版社，2003.

[2] 水电水利工程边坡设计规范(DL/T 5353-2006)[S].北京：中国电力出版社，2007.

[3] 陈祖煜，汪小刚，杨健，贾志欣，王玉杰.岩质边坡稳定分析[M].中国水利水电出版社，2005.

[4] 刘明，黄润秋，严明.锦屏一级水电站Ⅳ～Ⅵ山梁雾化边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2006，25(1).

[5] 锦屏一级水电站左岸雾化区Ⅳ-Ⅵ梁高边坡稳定性与加固处理研究报告[R].武汉：Itasca(武汉)咨询有限公司，2007.