长河坝水电站泄洪洞出口边坡稳定性分析

2015-02-01刘永波，黄亚奇，蒙富强

四川水力发电 2015年4期

关键词：泄洪洞裂隙边坡

刘永波，　黄亚奇，　蒙富强

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都　610072)

长河坝水电站泄洪洞出口边坡稳定性分析

刘永波，黄亚奇，蒙富强

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

摘要：长河坝水电站泄洪洞出口位于大渡河右岸砂场沟附近，出口边坡岩体强卸荷、顺坡裂隙发育。通过地质宏观判断和赤平投影分析得知，受顺坡裂隙与其他结构面组合影响，坡面呈现台阶状地貌，局部边坡在天然状态下处于临界稳定状态，开挖后易产生滑移拉裂和倾倒拉裂破坏。通过计算分析，其结果与边坡稳定性现状基本一致，表明计算所用参数合理。在边坡开挖施工后或在偶然工况下处于失稳状态，经过采取后续支护加固施工措施及其监测，该边坡整体稳定，仅局部产生掉块和塌方。

关键词：长河坝水电站；地质宏观判断；赤平投影；台阶状地貌；稳定性计算；监测

1概述

长河坝水电站是以单一发电为主的大型水库电站。采用水库大坝、首部式地下引水发电系统。拦河大坝最大坝高为240 m，电站总装机容量为

2 600 MW，水库正常蓄水位高程1 690 m，正常蓄水位以下库容为10.15亿m3，总库容为10.75亿m3。

长河坝水电站泄水建筑物由三条泄洪洞、一条放空洞组成，布置在右岸山体内。三条泄洪洞从左至右依次为1#泄洪洞、2#泄洪洞和3#泄洪洞，三条泄洪洞平行布置，洞轴线方位角均为N13°3′7″E，水平间距60 m。放空洞布置在3#泄洪洞右侧，洞轴线方位角为N11°26′57″E，与3#泄洪洞轴线间距为80～115 m。

泄洪洞出口边坡高陡，工程边坡最高约300 m且地震烈度高，边坡的稳定安全至关重要。笔者根据该区域地形地质条件，对出口区边坡进行了宏观地质判断，采用赤平投影法、Morgenstern- Price(M-P)法分析其稳定性，反演确定结构面物理力学参数，并结合相应的监测成果进行了验证。

2基本地质条件

泄洪洞出口位于大渡河右岸，1#泄洪洞出口位于砂场沟上游200 m处，该区位于河流的凹岸，地形坡度为40°～59°。2#泄洪洞出口位于砂场沟上游侧约65 m处，砂场沟垂直大渡河且呈NW向发育，坡度41°～46°。3#泄洪洞出口位于砂场沟下游约25 m处，该段斜坡在高程1 700 m以下为陡壁，地形坡度为66°～78°。

泄洪洞出口边坡基岩裸露，岩性主要为晋宁～澄江期灰色中粒花岗岩(γ2(4))，局部穿插辉绿岩脉(βu)。该部位无区域性断裂通过，地质构造以次级小断层、挤压破碎带、节理裂隙(或裂隙密集带)、岩脉(辉绿岩、石英脉)为特征。根据勘探平洞和地质调查资料，边坡下部岩体强卸荷深度为16.5～27 m，弱卸荷深度为42.5～60.5 m，无控制性软弱结构面分布。地下水主要为基岩裂隙潜水，受地表降水补给向河床排泄，分布于裂隙岩体和断层带附近，受断层或岩脉阻水而局部富集。

岩体中主要发育J7、J1、J5、J6、J8等组裂隙，边坡岩体呈块裂结构，局部呈次块状～镶嵌结构。

3稳定性分析与计算

3.1宏观地质判断

根据地质测绘和前期勘探资料，对泄洪洞出口区边坡进行了宏观地质判断，认为其稳定性主要受顺坡缓倾角裂隙J1控制，其变形破坏模式主要有：

(1)台阶状滑移拉裂破坏。

在泄洪洞出口上游侧可见两级较明显的缓坡。由于J1组裂隙缓倾上游偏坡外，且因河流转弯而形成侧向临空，以其为底滑面、J7组裂隙为后缘面、J5组裂隙为侧向切割面发生滑移拉裂破坏形成台阶状边坡。

(2)局部脱落。

边坡还发育局部块体脱落破坏。脱落体的主要结构面相互切割、组合形成组合完备块体，该区主要由J7、J6、J5三组裂隙切割而成。

3.2赤平投影分析

根据出口边坡开挖布置和边坡结构面发育情况，对边坡进行了赤平投影分析：

(1)1#泄洪洞边坡内侧开挖坡面走向N13°E，该段主要发育J1、J5、J6、J8四组结构面(表1)。根据赤平投影图(图1)分析得知，内侧边坡的局部稳定性如下：

表1　裂隙统计表

图1　内侧边坡赤平投影图

对于由J1、J8、J5三组裂隙切割形成的不稳定块体，其J1组裂隙与坡面近似平行，倾角35°，缓于开挖坡角，易沿该组裂隙产生滑移拉裂破坏；而J5组及J8组裂隙组合构成楔形拉裂体。

(2)2#、3#泄洪洞内侧开挖边坡走向为N12°E。主要发育J7、J1、J5、J6、J8五组裂隙(表2)。根据赤平投影图(图2)，内侧边坡(下游侧)的局部稳定性状况见表2。

(1)由于J7组长大陡倾角裂隙与开挖坡面走向近于一致，因此，开挖边坡可能沿该组裂隙发生倾倒拉裂破坏。

(2)J1为滑移面，J7为后缘拉裂面，J5为侧向切割面，且因J1组裂隙倾角为35°左右，缓于坡角，故J7、J5、J1三组裂隙所形成的块体可向临空方向发生滑移拉裂破坏。

表2　裂隙统计表

图2　内侧边坡赤平投影图

宏观地质判断和赤平投影分析结果表明：砂场沟上游泄洪出口自然边坡坡度受J1裂隙控制，J1裂隙缓倾坡外、偏下游，受其影响形成台阶面，其与砂场沟下游侧未见的J1裂隙发育形成的台阶面共同作用使局部天然边坡处于临界状态。边坡开挖后，受裂隙组合切割影响，形成不稳定块体，易产生沿J1结构面的滑移拉裂破坏和沿J7结构面的倾倒拉裂破坏。

3.3力学参数反演分析

根据《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T 5353-2006)中的相关规定，采用Morgenstern- Price(M-P)法对泄洪洞出口边坡进行了二维稳定性计算，反演确定了结构面物理力学参数，计算软件为美国GEO-SLOPE公司出品的Geostudio2007软件。

(1)边坡滑动模式。

从地质调查情况看，出口边坡的稳定性主要受缓倾坡外的裂隙J1控制，因此而选取了典型剖面(J1-1剖面和J1-2剖面)进行计算分析。J1-1剖面和J1-2剖面的地质结构与计算模型见图3～6(J1组裂隙在泄洪洞出口边坡以5～10 m间距发育，结合开挖坡比选择有代表性的两条J1-1、J1-2作为底滑面进行计算分析)。

图3　出口边坡J1裂隙工程地质剖面图

图4　J1-1计算模型图

图5　出口边坡J1-1剖面计算模型图

图6　出口边坡J1-2剖面计算模型图

(2)地震动参数。

根据中国地震局批复的地震安全性评价成果，工程区场地50 a超越概率10%的基岩水平峰值加速度为172 gal，相应的地震基本烈度为Ⅷ度。本计算水平地震加速度取0.15 g。

(3)计算工况。

根据规范要求，稳定性计算工况包括持久状况、短暂状况和偶然状况。其中，持久状况考虑基本荷载自重；短暂状况考虑降雨及雾化；偶然状况为基本组合+地震荷载。

(4)反演计算成果分析。

在考虑连通率的条件下，结构面参数f′=0.65，c′=0.15 MPa；岩体强度参数f′=0.8，c′=0.5 MPa。

根据地质调查及前期反演计算成果确定结构面连通率取92%，相应的强度参数见表3。

表3　出口边坡稳定分析结构面强度参数表

天然条件下安全系数计算结果见表4。根据《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T 5353-2006)，长河坝水电站泄洪洞出口边坡在持久状况、短暂状况和偶然状况下的设计安全系数分别应达到1.25～1.3、1.15～1.2和1.05～1.1。

由上述计算结果得出持久状态下最小安全系数为1.17～1.182，偶然状态(地震)下安全系数为1.004～1.102，与边坡稳定性现状基本一致，表明计算所用参数是合理的。

表4　天然状态下安全系数计算成果表

4边坡监测成果分析

图7　泄洪洞出口边坡1-1剖面M46各测点变形时间过程线图

经分析研究后确定，将泄洪洞出口边坡分一期支护及二期开挖支护。一期边坡为自然边坡，二期边坡开挖坡比为1：0.25。一、二期边坡深层支护布置系统锚索P=1 500～3 000 kN，L=25～50 m，间排距5 m，浅层防护采用锚喷支护并布置排水孔。在出口边坡中监测布置了4条断面，多点位移计变形较小，如布置在高程1 605 m处的多点位移计M46变形时程曲线(图7)，变形速率小，处于收敛状态。监测结果表明边坡整体处于稳定状态。

5结语

(1)宏观地质判断和赤平投影分析表明：砂场沟上游泄洪洞出口自然边坡受J1裂隙控制，坡面形成台阶面，砂场沟下游侧未见J1裂隙发育形成的台阶面，局部天然边坡处于临界状态。边坡开挖后，受裂隙组合切割影响形成不稳定块体，易产生沿J1裂隙的滑移拉裂破坏和沿J7裂隙倾倒拉裂破坏。

(2)稳定性计算分析表明：泄洪洞出口边坡在持久状况下最小安全系数为1.17～1.182，偶然状况(地震)下安全系数为1.004～1.102，与边坡稳定性现状基本一致，表明反演计算确定的参数是合理的。

(3)边坡监测资料显示：边坡开挖支护后，整体处于稳定状态。

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刘永波(1981-)，男，河南许昌人，工程师，学士，从事水电工程勘察技术工作；