下坂地水利枢纽工程坝肩边坡稳定性分析及处理

【摘要】以新疆下坂地水利枢纽工程为实例，采用赤平投影法及刚体极限平衡法计算，并结合中科院对高边坡稳定性研究成果，对坝肩边坡的稳定性进行分析及处理，为边坡的稳定性的评价和工程设计施工提供参考依据。

【关键词】下坂地水利枢纽工程；坝肩边坡；稳定性分析

1、工程概况

下坂地水利枢纽工程位于新疆塔里木河主流叶尔羌河主要支流之一的塔什库尔干河中下游，该工程是塔里木河流域进期综合治理规划中唯一的山区水利枢纽工程，其主要任务是以生态补水和春旱供水为主，结合发电。工程距塔什库尔干县县城45km，距喀什市315km。属II等大（2）型工程，主要建筑物由拦河坝、导流泄洪洞、引水发电洞和电站厂房等工程组成；大坝采用沥青混凝土心墙沙砾石坝，坝高78m，正常蓄水位2960m，水库总库容8.67亿m3，调节库容6.93亿 m3，水电站总装机容量为15万KW，工程施工总工期55个月。主体工程于2006年4月开工，2007年9月枢纽工程截流，2010年1月通过水库下闸蓄水验收，水库进入蓄水运行，2010年6月通过首台机组启动验收上网发电，末台机组于2011年1月并网发电，2011年9月主体工程全部完工。

2、地质概况

塔什库尔干河流域属西昆仑剥蚀高山区，位于帕米尔高原，受构造和岩性的控制，流经塔什库尔干县附近的塔什库尔干断陷盆地，盆地呈南北向展布，长250km，宽10km，高程3000-3300m，地形平缓，在县城以北10余公里与由北流来的支流汇合进入高山峡谷区，河流曲折东行115km汇入叶尔羌河。峡谷区河谷宽度多为200-310m，河床高程3000-1900m，两岸山峰高程4000-5000m，相对高差2000m左右，山势险峻，无植被覆盖。坝址位于峡谷区入口下游34km处，水库区主要位于瓦恰河谷地边缘，河谷宽阔，水流平缓，为一良好的水库库盆。

3、左坝肩边坡稳定性分析

3.1 边坡形态特征

左坝肩基岩边坡倾向140°，自然边坡坡角54°，坡高约540m，边坡3140m高程发育一宽约15～20m的反倾凹槽，以下呈三角锥形山体，上下游两侧各发育风化洼槽，受其形态影响，3140m高程以上山体产生的崩塌块体均沿此两侧洼槽滚落分流。而坝肩崩塌块体则主要来源于3140m高程以下的三角锥体。该三角锥边坡3000m高程以上表层岩体极其破碎，危石及不稳定岩体广泛分布于该高程以上边坡坡面，3000m高程以下边坡坡面表观比较完整。

3.2 边坡稳定性分析

采用赤平投影法及刚体极限平衡法计算，并结合中科院对高边坡稳定性研究成果，可得出如下结论：

（1）左岸边坡在各种工况下都处于稳定状态。

（2）受卸荷裂隙、片麻理及构造裂隙相互组合，边坡不稳定块体发育。不稳定块体分布发育规律为：随边坡高度增大其深度变深，纵向范围延伸更大，岩体结构更加破碎。

（3）根据边坡与裂隙关系赤平投影图3-1组合分析认为：上游边坡受片麻理中软弱面及卸荷裂隙的影响，与其它裂隙组合，岩体呈块状，边坡岩体沿片麻理崩塌破坏是该部位边坡主要的破坏模式。正向边坡中片麻理d及高倾角a、c裂隙相互切割影响，岩体呈块状，在风化剥蚀作用下，岩块沿局部高陡坡面崩塌破坏是该边坡的主要破坏模式。下游侧向边坡中，现状边坡中结构面内摩擦角大于结构面倾角，但在其它外因如降雨、地震作用下，边坡将会产生阶梯状滑移破坏，阶梯状滑移破坏亦是该面边坡的主要破坏模式。

从结构面组合分析结果看，左坝肩上游及正向边坡破坏以崩塌为主，下游侧向边坡将会以片麻理d、高倾角b、c及缓倾角裂隙a的组合的阶梯状滑移破坏，计算的天然状态下边坡块体安全系数Ks=1.444，Ⅷ度地震下边坡块体安全系数Ks=1.010，结果表明，左坝肩下游边坡在Ⅷ度地震时边坡中该类块体接近临界状态。

根据结构面组合分析，正面边坡3140m高程下存在以岩块崩塌为主的结构面组合。且3000m～3140m高程间边坡强卸荷深度10～40m，表层岩体已呈松驰状态，为Ⅴ类极不稳定岩体；3000m高程以下边坡强卸荷深度7～10m左右，岩体以Ⅳ类为主。

3.3、边坡处理

（1）边坡3000高程以上浅层Ⅴ类岩体结构破碎，呈松驰状态，自穩能力极差，因此必须采取削坡处理；

（2）削坡坡角应沿现有坡面形态进行，宜以Ⅴ类岩体为主，范围以坝肩三角锥为上限，削坡范围应以3000m-3140m为主，沿坝线上下游各50m进行削坡，削坡水平深度5～10m左右，方量约为9.46万m3；

（3）受卸荷裂隙及缓倾角裂隙发育深度影响，削坡后的边坡仍存在块体沿不利结构面崩塌或滑移，因此削坡后2960m～3140m间的边坡还应采用锚索结合锚喷等综合措施对坝线上下游各50m范围内边坡进行加固处理，面积约为2.04万m2；

（4）在高程3140m反坡部位依据地形修建平台，设置拦网或防护挡墙，整理上下游侧冲沟，对后沿3140m高程以上的山坡崩塌块体进行分流，消除其对坝体的威胁。

（5）左坝肩边坡岩体破碎，高达500余米，PD18、PD23（3240m高程）探硐揭示岩体完整性极差；且水库蓄水后环境条件的改变，结构面强度会进一步弱化，因而还应在PD7、PD18、PD23及3140m高程以上边坡坡面布设一定的边坡变形监测设施，监测现状及未来边坡的稳定性。

4、右坝肩边坡稳定性分析

4.1 边坡形态特征

右坝肩边坡为一高800余米的基岩边坡，自然坡角由高至低逐渐变陡；其3200m高程以下为一倾向330°，自然坡角70°～80°的三角锥形陡峭边坡，3200m高程发育一缓坡，反坡宽约50m的平台；3200m高程下三角锥体上下游侧均发育风化洼槽，其中上游洼槽规模大而深，下游冲沟规模小而浅；3200m高程以上边坡崩塌块体和风化剥落碎石均沿上下游侧洼槽崩落分流。三角锥形边坡，坡面陡直，不稳定块体不甚发育，表观比较完整，下游侧相对较破碎。

4.2 边坡稳定性分析

采用赤平投影法及刚体极限平衡法计算，并结合中科院对高边坡稳定性研究成果，可得出如下结论：

（1）右坝肩岸坡在各种状态下整体均处于稳定状态，仅在上游侧边坡（3043m高程PD20平硐上游）存在块体滑动的可能。

（2）正向坡因高倾角裂隙与其它裂隙的不利组合，边坡块体具有不稳定的因素；而边坡下游坡受卸荷裂隙及构造裂隙影响，边坡不稳定块体比较发育。不稳定块体发育规律为：受风化及卸荷影响，不稳定块体由上游到下游、由低到高发育程度及深度增加，岩体结构逐渐破碎。根据平硐及结构面调查认为，右坝肩不稳定块体的组合在边坡坡面分布较广泛，水平深度一般小于5m，局部可达23m（PD20）。

（3）根据边坡与裂隙关系赤平投影图3-2组合分析认为：正向边坡主要破坏以高倾角裂隙与缓倾角裂隙组合孤立块体崩塌破坏及小型滑移破坏。下游侧向边坡中片麻理、高倾角裂隙为边坡侧向及后沿边界，缓倾角裂隙为底滑面，组合切割沿缓倾角裂隙面滑移破坏是右坝肩下游边坡的主要破坏模式。

根据结构面组合分析结果，对右坝肩正向边坡及下游边坡采用刚体极限平衡法计算得出：右坝肩正向坡组合块体在天然状态下安全系数Ks=1.154，Ⅷ度地震下边坡块体安全系数Ks=0.779；右坝肩下游向坡组合块体在天然状态下安全系数Ks=1.235，Ⅷ度地震下边坡块体安全系数Ks=0.856。结果表明，右坝肩正向坡及下游边坡在Ⅷ度地震时边坡中该类块体为不稳定状态。

根据边坡结构面组合条件及计算结果可知，3200m高程下边坡表层存在结构面不利组合的块体。3040m～3200m间边坡岩体受风化及卸荷影响（卸荷深度5m，平硐PD20揭示局部地段卸荷裂隙发育深度可达23m），表层岩体破碎，为Ⅴ类极不稳定岩体；3040m高程以下边坡岩体以Ⅳ类为主，边坡岩体受结构面的不利组合，边坡存在具有不稳定的块体。

4.3 边坡处理

（1）正向边坡3040m高程以下表观比较完整，但局部发育少量的危岩体，因而应对边坡表层进行形态整理，清除撬挖局部不稳定块体。

（2）坝线3040高程以上边坡及坝线偏下游坡浅层岩体结构破碎，稳定性较差，因此应对其进行削坡处理。建议削坡范围上游以坝肩三角锥为限，沿坝轴线上下游各50m对坡面中3040～3200m高程间对大坝有威胁Ⅴ类极不稳定岩体边坡进行削坡，一般削坡深度2m～5m，削坡方量约5.3万m3。

（3）鉴于削坡后仍存在不稳定的结构面组合，因而削坡后的边坡，还应采用锚索（主要针对坝线上下游各50m内浅部及深部不利的卸荷裂隙）结合锚喷等综合措施，对2960～3200m高程间沿坝线上下游各50m宽度的边坡进行处理，面积约2.79万m2。

（4）在高程3200m上的边坡反坡平台宜设置防护挡墙或防护网，以便对3200m高程以上的山坡崩塌块体进行有效分流。

（5）右坝肩边坡高陡，高达800余米，PD20、PD27（3240m高程）探硐揭示岩体完整性较差；且水库蓄水后环境的改变，是否存在变形问题还应进一步研究，因而应在PD6、PD20、PD27及3200m高程以上边坡坡面布设一定的边坡变形监测设施，监测现状及未来边坡的稳定性。

5、结束语

下坂地水利枢纽工程是塔里木河流域近期综合规划中唯一的山区水利枢纽工程，其战略地位重要，地质条件十分复杂，两岸山体岩石破碎，坝址覆盖层厚度达150m，且地层结构复杂，施工条件艰苦，技术难度大，具有“三高一深”的特点，即高边坡、高海拔、高地震烈度（基本烈度Ⅷ度）、深覆盖层的工程特点，有“地质博物馆”之称。工程区域两岸高陡边坡一般为600-800米高，岩体分化破碎严重，边坡较陡，施工布置极为困难，经参建各方的共同努力，通过对坝肩的边坡稳定性的处理，边坡的稳定性大为增强。边破稳定问题是常见且具有很大破環性的工程问题之一，通过本文的分析，阐明高边坡工程地质问题的分析方法，希望对类似工程的建设者提供参考。

参考文献：

[1]覃新闻，黄小宁，王廷勇.对下坂地水库坝基垂直防渗试验综述[J].基础工程技术，2004年增刊：1-8.

[2]《新疆塔里木河流域近期综合治理下坂地水利枢纽工程初步设计报告》

作者简介：李磊（1984-），男，汉，新疆阜康市人，大学本科，工程师，主要从事水利工程建设与管理工作。