西南某水电站坝肩边坡稳定性分析及支护措施研究

(1.长江科学院 科研基地(沌口)管理办公室，湖北 武汉 430010；2.湖北省水利水电科学研究院，湖北 武汉 430070)

1 工程概况

西南某水电站水库正常蓄水位1 330 m，总库容7.6亿m3，装机容量2 400 MW。电站大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程1 334 m，最大坝高168 m。水电站枢纽区地层主要为二叠系上统玄武岩组(P2β)，下游涉及二叠系下统平川组(P1P)灰岩及砂岩，第四纪覆盖层分布较为广泛。枢纽区玄武岩岩石坚硬，无区域性断裂通过，但其经历了多次构造运动，岩层陡倾，岸坡卸荷强烈，断层、错动带及裂隙发育，边坡浅表部岩体松弛，风化破碎严重，普遍存在深度较厚、力学性状极差的Ⅴ类岩体，对工程建筑物的施工及运行安全构成了严重威胁。

2 左岸坝肩边坡工程地质条件

左岸谷坡地形陡峻，坡度40°～45°，局部段达50°～55°，坝肩岸坡全强风化、强卸荷、弱风化上段(Ⅴ类、Ⅳ类)岩体完整性差，多张开、松弛，充填大量次生夹泥。弱风化下段和微新岩体在岸坡下部次生泥较少，分布深度较浅，但岸坡中上部次生泥普遍，分布不均匀。F8断层从坝肩中上部通过，其破碎带较宽，影响带岩体破碎，为Ⅳ、Ⅴ类岩体；左岸错动带发育程度不均匀，以陡倾为主，少量中缓倾，裂隙发育。坝肩边坡上游侧开挖边坡走向N37.0°E，倾向SE，最大开挖坡高约210 m；下游侧开挖边坡走向N33°W，倾向SW，最大开挖坡高约320 m。

3 左岸坝肩边坡计算模型及方案

3.1 计算模型

选取左岸坝肩边坡作为研究对象，采用美国Itasca咨询公司开发的三维快速拉格朗日分析程序(FLAC3D)模拟边坡的施工开挖与支护过程，对开挖边坡的应力、变形及稳定性进行分析。边坡整体安全系数的计算采用强度储备安全系数法，以变形开始不收敛时的安全系数作为边坡安全系数[1-5]。根据现场岩石力学实验得到边坡各类岩层材料的物理力学参数，计算模型中所涉及到的边坡各类岩层材料参数采用值见表1。左岸边坡的三维数值计算模型见图1。

表1 左岸边坡物理力学参数采用值

图1 左岸坝肩边坡开挖模型示意

3.2 计算方案

考虑到实际施工过程，按以下4种开挖支护方案进行数值模拟，其中方案1为基本方案。

(1) 方案1：每级开挖完成后及时进行支护，对高程1 334 m以上的开挖边坡交错设置长为9 m(Φ32)和12 m(3Φ25)的锚杆和钢筋束，间距为3 m；对正面坡及下游侧坡采用220 t锚索支护，根据不同区域锚索长度在30～75 m之间。

(2) 方案2：高程1 334 m以上边坡每级开挖完成后及时支护，下部边坡每开挖3～4级后进行支护。

(3) 方案3：高程1 334 m以上边坡每级开挖完成后及时支护，下部边坡开挖不支护，寻找能够自稳的最多开挖级数。

(4) 方案4：每级开挖完成后采用新支护方案及时进行支护，已有支护措施基础上在左岸坝肩开口线外部滑坡体采用锚索支护, 增加锚索(131根100 t，17根220 t)。

4 边坡稳定性分析及支护措施研究

4.1 围岩应力及塑性区分布

随着开挖的推进，边坡坡面附近岩体的应力逐步释放。开挖完成后，在高程1 240～1 306m之间上、下游开挖坡面拐角部位出现一定程度的应力集中，最大主压应力约为 5.0 MPa；边坡开挖坡面以及下游侧坡体出现一定范围的拉应力区，最大拉应力值约为 0.57 MPa，开挖使得这些部位的岩体产生应力松弛，应力状态变差。

由于开挖很大程度上清除了边坡浅层的Ⅴ类岩体，使得在天然状况下已经存在的塑性区得以挖除，因此，开挖后边坡塑性区分布深度较天然状况明显减小，且基本都处于锚索的支护范围内。边坡开挖过程中，由于及时施加了锚固措施，使得坡体内塑性区没有继续向坡内岩层延伸，故边坡整体稳定性比天然状况下好。

4.2 支护系统受力分析

开挖完成后，整个边坡所施加的锚杆、锚索没有出现屈服现象。大部分锚杆的受力不大，但应力分布不均，84%的锚杆应力在100 MPa以内，但约有1%的锚杆应力可达180 MPa以上。在高程1 334 m以上边坡锚杆应力普遍较小，平均值一般在10～40 MPa之间，在高程1 306～1 334 m和1 264～1 289 m范围内边坡锚杆应力平均值接近100 MPa，在高程1 306～1 334 m和1 240～1 264 m范围内边坡有极少量锚杆应力值已接近屈服。

对于220 t级锚索，约77%的锚索荷载变化幅度在10 t以内，最大锚索拉力达到250 t，增幅约为锚索设计值的14%；高程1 418 m以下边坡锚索平均荷载偏大，最大锚索拉力达到251 t，出现在高程1 389～1 406 m之间坡面。

对于100 t级锚索，约50%的锚索荷载变化幅度在5 t以内，最大锚索拉力将达到120 t的水平，增幅约为设计荷载的20%；高程1 418～1 442 m之间坡面锚索平均荷载偏大，最大锚索拉力达到118 t。

开挖后边坡不同高程锚杆应力统计结果(方案1)见图2。

图2 开挖后边坡不同高程锚杆应力统计结果(方案1)

由此可见，在现行的加固设计方案下绝大部分锚杆、锚索处于安全工作状态，且受力合理，少数锚杆、锚索受力较大的部位需根据具体情况进行加强支护。

与方案1相比，方案2中锚索荷载略有增减，总体荷载分布情况基本相似。

方案3中锚索荷载明显增大，220 t级锚索荷载最大值达到297 t，增幅约为35%；100 t级锚索荷载最大达到134 t，增幅约为34%。表明此时锚索已处于非正常工作状态。

方案4中锚索荷载有所减小，220 t级锚索荷载最大值达到248 t，增幅约为13%；100 t级锚索荷载最大达到113 t，增幅约为13%。可见，相对方案1而言，方案4由于预应力锚索数量增加，锚索整体受力较为均衡，荷载分布范围更趋合理。开挖后边坡不同高程锚索受力统计结果(方案1)见图3。

图3 开挖后边坡不同高程锚索受力统计结果(方案1)

4.3 边坡位移与变形分析

开挖完成后，受开挖形态及Ⅴ类岩体、陡倾角错动带的影响，边坡下游侧开挖坡面及相邻的坡体下游、开挖边坡后缘一定范围内的岩体(下游延伸至距坝轴线约170 m、后缘至高程1 520 m)均产生斜向下并指向坡外的位移，位移值一般在15.0～45.0 mm之间；最大位移量为 56.2 mm，出现在下游开挖坡F8断层出露部位。开挖完成后，缆机平台部位最大变形量值为11.8 mm，上游开挖边坡位移多在10.0～20.0 mm之间，以回弹变形为主(详见图4)。

图4 开挖完成后边坡位移分布(方案1)

方案2及方案4，位移趋势与方案1基本相同，最大位移量分别为 63.9 mm与 55.2 mm，出现部位与方案1相同。方案3变形主要集中在下游开挖坡面1 264 m高程到1 389 m高程之间，量值多在 300.0～800.0 mm之间，最大位移量已达米级，出现在下游开挖坡面断层F8出露部位，表明开挖后下部边坡若不支护，坝肩下游侧边坡中部可能产生失稳。

4.4 边坡失稳区域及安全系数

边坡安全系数为 1.21。由于边坡下游侧开挖量较大，且下游开挖坡面上的Ⅴ类岩体在开挖完成后均出露于临空面，导致开挖边坡下游部位的岩体稳定性较差，形成潜在的变形失稳区，失稳模式为坝肩下游侧坡体顺坡向的浅层滑移(详见图5)。方案2～4安全系数分别为1.20，1.19，1.22，失稳区域与方案1基本相同。

图5 开挖完成后边坡潜在失稳区(方案1)

5 结 论

研究结果表明，边坡的稳定性主要受浅部Ⅴ类岩体控制，不同支护方案下边坡潜在的失稳区均位于该层岩体中，相应的破坏模式为沿Ⅴ类岩体内部的滑动。

开挖完成后，采用支护方案1后，坝肩边坡内所有锚杆及锚索均未出现屈服，其内力分布较为合理，边坡稳定性较好，表明目前的支护方案1是合理可行且值得推荐的。

若对于高程1 334 m以下的开挖边坡每开挖3～4级后再进行支护，边坡最大位移量为 63.9 mm，比及时支护的方案增加了13.7%；高程1 334 m以下的开挖边坡若不进行支护，边坡位移量会明显增大，上部施加的锚索(杆)将承受过大的荷载，有可能导致坝肩下游侧边坡的局部失稳。

需要指出的是，由于边坡的潜在滑移面均位于Ⅴ类岩体内，Ⅴ类岩体力学参数的取值特别是摩擦系数与凝聚力值决定了边坡的稳定安全系数。考虑到边坡实际的地质条件及岩体分类，Ⅴ类岩体的强度参数应随深度而增加，在滑移面附近岩体的参数已接近Ⅳ岩体，因此，由计算得到的边坡安全系数应属于下限值。

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