长河坝水电站坝肩边坡稳定分析及加固

曾金华，张 丹

(1.水电水利规划设计总院，北京100120；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)



长河坝水电站坝肩边坡稳定分析及加固

曾金华1，张 丹2

(1.水电水利规划设计总院，北京100120；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

长河坝水电站两岸坝肩边坡最大开挖高度达306m，高边坡稳定问题是本工程主要的工程地质问题。采用赤平投影法对两岸坝肩边坡可能存在的滑动楔形体进行稳定分析，采用三维有限元法(Flac)、边坡块体理论(DDA)对边坡进行数字计算，并据此对两岸坝肩边坡采用锚索、锚杆及挂网锚喷等加固措施，达到了稳定边坡的目的。

坝肩；高边坡；稳定分析；加固；长河坝水电站

0 引 言

长河坝水电站是大渡河干流“3库22级”开发的第10级电站，装机容量2 600 MW，正常蓄水位1 690 m，总库容10.75亿m3。枢纽建筑物主要由砾石土心墙堆石坝、左岸引水发电系统、右岸泄洪放空系统组成。拦河砾石土心墙堆石坝建基于深厚覆盖层上，最大坝高240 m，是当前世界防渗体位于深厚覆盖层上的最高土石坝。根据地形地质条件，两岸坝肩边坡开挖坡比为1∶0.5～1∶0.95，左岸边坡高267 m、右岸306 m，高边坡稳定问题是本工程主要的工程地质问题[1- 3]。

1 工程地质条件

长河坝水电站工程区地震基本烈度为Ⅷ度，区域构造稳定性较差。坝址区为高山峡谷地貌，相对高差约700 m，河谷呈较宽的“V”形，两岸边坡陡峻，坡度一般60°～65°，基岩裸露。岩性主要为晋宁期～澄江期的花岗岩、石英闪长岩，岩体多呈块状结构，完整性好，岩石致密坚硬，抗风化能力强，风化作用主要沿裂隙进行。河谷深切，天然地应力较高，两岸边坡岩体卸荷较强烈。右岸边坡弱风化上段、强卸荷水平深度14～36 m，左岸24～38 m；右岸边坡弱风化下段、弱卸荷水平深度52～70 m，左岸35～72 m，局部风化、卸荷较深。

坝址区无区域性断裂通过，地质构造以小断层、层间挤压带为主，其展布优势方位为NNE、NNW向和近EW向。对坝肩边坡稳定存在安全影响的断层主要为右岸的f0、f9等，左岸的f21、f24等，断层规模小、延伸短。坝址区裂隙主要发育有9组，具体产状分别为：J1为N10°～40°E/SE∠20°～40°、J2为N15°～50°E/SE∠45°～65°、J3为N15°～50°E/NW∠45°～65°、J4为N60°～85°W/NE(SW)∠70°～85°、J5为 N60°～80°E/NW(SE)∠70°～85°、J6为 N20°～50°W/NE∠15°～40°、J7为N5°～40°E/SE(NW)∠70°～85°、J8为 N10°～40°W/ SW(NE)∠70°～85°、J9为EW/ N(S)∠10°～30°。裂隙延伸较长，间距较大，且大都张开。坝肩边坡工程区以渗滴水为主，局部见线状流水。

2 边坡稳定分析

2.1 赤平投影

坝肩岸坡总体为SN走向，无规模较大的控制性软弱结构面分布，边坡整体稳定，但节理裂隙的不利组合控制边坡的局部稳定性。右岸坝肩边坡主要发育J1、J2、J4、J9组裂隙。其中，J1组裂隙对边坡的稳定性起重要控制作用。左岸坝肩边坡主要发育J3、J1、J5组裂隙。其中，J5组裂隙对边坡的稳定性起重要控制作用，易沿J2组裂隙形成倾倒变形。坝肩边坡赤平投影见图1。从图1分析，边坡局部块体稳定性差[4]。

(1)左坝肩边坡。①沿J2组陡倾坡内的结构面发生倾倒；②以J3组裂隙为滑移面、J2组裂隙为后缘拉裂面、J4组裂隙构成侧向切割面，产生倾倒滑移变形；③以J1组裂隙为顶部割裂面、J3组裂隙为滑移面及J4组裂隙为侧裂面的滑落型破坏。

(2)右坝肩边坡。①以J1组裂隙为底滑面、J2组中陡倾角顺坡裂隙为后缘切割面、EW向的J4、J5组裂隙为侧向切割面的滑移变形；②在局部(主要在上游侧陡坡部位)形成滑落和滑移压致拉裂破坏，滑落体主要由J5、J9、J4等3组裂隙切割构成。其中，J9组裂隙构成滑落体的顶部割裂面，J2组裂隙构成滑落滑移面，J4组裂隙构成侧向割裂面。

图1 坝肩边坡赤平投影

2.2 三维有限元法(Flac)计算分析

三维计算模型建立在局部坐标系(X，Y，Z)下，X轴正方向指向NW82°(即坝轴线指向坡外)，Z轴正方向指向NE8°(垂直坝轴线指向上游)，Y轴正方向铅直向上。地质概化模型主要考虑的地层包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类岩体及河床覆盖层；主要考虑的结构面为f21、f0、f9断层及J1、J2组裂隙。采用弹塑性本构模型，Mohr-Coulomb屈服准则[5- 6]。分以下3步计算：

(1)所有材料均采用线弹性本构模型。在模型左侧及底部施加法向位移约束；在模型右侧施加梯度分布的法向应力。调整法向应力的大小并结合实测地应力值，进行初始地应力场拟和分析。

(2)将(1)的位移清零，右侧边界条件由应力边界条件改为法向约束，同时将材料属性变为弹塑性，计算边坡的变形及应力分布，作为开挖初始条件。

(3)将(2)的位移清零，对模型进行分步开挖，模拟开挖条件下边坡的变形及破坏趋势。坝轴剖面开挖过程中关键点总位移见表1。从表1可知，边坡在坡面浅部存在小范围不连续的拉应力区，最大拉应力约0.8 MPa，在岩体的抗拉强度范围之内，不会对边坡的整体稳定构成威胁，但可能引起边坡浅表局部滑塌。岩体深部的应力受地形的影响较小，地应力基本呈水平层状分布。边坡开挖引起的变形以卸荷回弹为主，最大回弹变形量随着开挖逐级递增，各级开挖完成时最大变形均发生在坝轴线附近相应开挖形成的平台中心部位。坡脚处的岩体变形较大，开挖完毕引起的最大回弹变形量约36 mm，发生在关键点8(高程约1 523 m)位置。各级边坡开挖对邻级边坡变形的影响最为显著，对较远坡段的影响逐步减弱，后继边坡开挖使开挖边坡变形逐步增大(局部点可能有波动)，最终趋于平稳。开挖引起的回弹变形范围随开挖逐级增大。

表1 坝轴剖面开挖过程中关键点总位移 mm

注：1号点高程1 731.7 m；2号点1 704.5 m；3号点1 673.0 m；4号点1 644.6 m，5号点1 604.2 m；6号点1 580.0 m；7号点1 558.8 m；8号点1 523.0 m；9号点1 496.0 m。

2.3 边坡块体理论(DDA)计算分析

左岸坝肩边坡的节理裂隙主要包括J1、J2、J3、J4和J6组裂隙；右岸坝肩边坡的节理裂隙主要包括J1、J2、J4、J5和J9组裂隙和断层f0、f9。裂隙组摩擦角按刚性摩擦角取20O，断层破碎带取16O。计算结果见图2。

图2 块体破坏计算结果

从图2可知，左岸坝肩边坡在开挖过程中，在坡脚和开口线边坡表部附近没有明显的块体间的开裂或者滑动趋势，虽然边坡存在一定的变形，但是没有发生大的位移。右岸坝肩边坡在开挖过程中，在坡脚和开口线边坡表部附近有明显的块体开裂滑动趋势。另外，由于断层弱面的存在，在断层附近，坡面表部也存在少量块体的开裂滑动，但这些不稳定块体仅限于边坡表层一定范围内，未迁移至深部岩体，对边坡的整体稳定不会造成太大的威胁。

2.4 边坡稳定性评价

根据以上分析，坝肩边坡整体稳定性较好，浅表层稳定问题主要为卸荷松弛和裂隙组合、切割形成的楔形体，具体分析如下：

(1)左岸边坡最大楔形体体积约68 m3，右岸边坡约115.1 m3，平均深度3.4～4.3 m，小于锚杆的设计长度6～8 m。边坡施工时，按设计及时进行锚杆加固能够满足稳定要求。

(2)坡体的最大、最小主应力分布特征和量值变化较小，开挖仅引起开挖面附近局部范围的应力调整。开挖过程中，边坡开挖仅对开挖区的位移影响很大，而一定深度范围内岩体变形很小，基本不受边坡开挖的影响。

(3)开挖结束后，边坡变形的总体趋势为水平向坡外位移，开挖到边坡下部时，边坡整体变形加速，这是由于坡体底部初始应力较大，应力释放较为剧烈的结果。相应地，坡底局部塑性区有所发展，左岸边坡塑性区主要集中在坡脚和断层f21局部范围内，坡体整体处于弹性状态，即边坡整体处于稳定状态。

(4)考虑地下水作用时边坡开挖后各关键点总位移与不考虑地下水作用时基本相等。但在开挖初期，各关键点的总位移明显要大于不考虑地下水作用时，主要是因为开挖边坡使附近岩体孔隙水压力突然释放，打破了原有的平衡状态；随着开挖的进行，孔隙水压力逐渐调整、转移直至消散，从而在后续开挖位移和未考虑地下水作用时基本接近，但总体上要稍大于未考虑地下水作用的工况，尤其是向边坡临空面的变形(X方向)，总体上要大于未考虑地下水作用的工况。

(5)考虑地震作用下边坡的位移稍大于持久和短暂设计工况，但量级相等，主要变形为向边坡临空面的变形(X方向)。地震作用下，坝肩边坡整体是稳定的。

3 加固措施

根据以上分析并结合工程经验，确定以下支护措施：

(1)左坝肩边坡坝顶永久边坡锚索支护分为A、B区，坝轴线上游1 719.5 m高程以上为A区，以下为B区；坝轴线下游1 714.5 m高程以上为A区，以下为B区。A区锚索水平排距为5 m，B区为7 m，锚索共88根，设计吨位1 000 kN，下倾角度为5°，孔径为115 mm。锚索长度55 m和50 m，分排交错布置。锚索沿高程间距均为5 m。

(2)坝肩边坡开挖后至坝体填筑完成时间较长，开挖过程中遇到J3、J4组裂隙及裂隙和断层的不利组合时，应采用随机钢筋束加固。

(3)右坝肩边坡全坡面φ25、长6 m和9 m的系统锚杆，呈梅花形间隔布置，间排距2.5 m×2.5 m，喷厚15 cm的C20混凝土，加挂φ8的钢筋网，网格间排距20 cm×20 cm。边坡排水孔孔径65 mm，孔深3 m，倾角5°，间排距2.5 m×2.5 m，梅花形布置，孔内设置φ60的透水塑料盲沟。1 697 m高程以上边坡进行分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等4个区域支护，局部采用预应力锚索，设计吨位1 000 kN、长50 m或55 m。1 697 m高程以下边坡则分3个区加强支护，部分采用3φ28的锚筋束，间排距2.5 m×2.5 m，梅花形间隔布置。

边坡监测成果表明，坝肩变形及应力变化量较小，边坡应力及变形调整基本结束，坝肩边坡处于稳定状态。

4 结 语

(1)长河坝水电站坝肩边坡整体稳定性较好，主要工程地质问题是施工期表层松动与局部块体失稳。

(2)采用系统锚杆加固措施后，可以满足浅表层、局部块体的稳定要求。同时，应加强边开挖边加固的时效性，尽可能减小边坡岩体的松弛、卸荷。

(3)边坡施工开挖过程中，应按设计要求进行开挖，开挖前进行现场爆破试验，根据试验结果选择爆破参数，以减小开挖爆破对岩体的损伤。

(4)监测结果表明，边坡变形量级不大，系统锚杆和预应力锚索受力正常，且均已收敛，边坡处于稳定状态。

[1]霍宇翔， 黄润秋， 巨能攀， 等. 爆破影响下岩质高边坡浅表层块体稳定性研究[J]. 工程地质学报， 2009， 17(6)： 796- 801．

[2]张倬元， 王士天， 王兰生. 工程地质分析原理[M]. 北京： 地质出版社， 1994．

[3]黄润秋. 高边坡稳定性的系统工程地质研究[M]. 成都： 成都科技大学出版社， 1991．

[4]陈奇珠， 董翌为. 赤平投影法分析岩质边坡稳定性的图解模板[J]. 西北水电， 2013(4)： 13- 16．

[5]DL/T 5395—2007 碾压式土石坝设计规范[S]．

[6]蔡智云， 张云， 崔淑玲， 等. 水电站边坡稳定性的三维有限元分析[J]. 西北水电， 2011(3)： 16- 20．

(责任编辑 杨 健)

Stability Analysis and Reinforcement of Dam Abutment Slopes in Changheba Hydropower Station

ZENG Jinhua1, ZHANG Dan2

(1. China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China; 2. PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

The maximum excavation height of dam abutment slopes in Changheba Hydropower Station is 306 m, so the stability of high slope is the main engineering geological problem in the construction of this project. The stereographic projection method is used to analyze the stability of possible sliding wedges in two abutment slopes. The 3D finite element method (Flac) and slope block theory (DDA) are used to carry out numerical calculation. Based on above results, the reinforcement measures of anchorage cable, anchor rod and anchor road-steel mesh-shotcrete are used to achieve the stability of slopes．

abutment; high slope; stability analysis; reinforcement; Changheba Hydropower Station

2016- 07- 22

曾金华(1975—)，男，湖北荆州人，高级工程师，硕士，主要从事水电工程地质工作．

TU457(271)

A

0559- 9342(2016)10- 0033- 03