缅甸滚弄水电站左岸厂房高边坡稳定性研究

曾晓波， 彭森良

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司， 云南 昆明 650000)

1 工程地质条件概况

滚弄水电站位于缅甸掸邦境内，项目装机1 400 MW，最大坝高104 m，采用混凝土重力坝型，初拟正常蓄水位高程519 m。

该电站采用坝后式厂房方案，厂房部位开挖将在左岸坝肩部位形成高边坡。由图1可知，左岸厂房主要开挖边坡在高程404.5 m以上，开挖边坡高度约175 m。

图1 左岸厂房边坡典型地质剖面

厂房左岸岸坡地质条件较复杂，表部覆盖层较厚，一般10～15 m，成分多为黏土夹块石。其中在高程480～560 m范围分布有B4崩塌堆积体，厚度一般20～40 m，方量约50×104m3，组成成分为块石、砾石夹黏土。厂房区域受背斜的影响，边坡部位的地层岩性分布差异性也比较大。边坡下部下伏基岩为厚层状岩屑角砾岩(P1S3-1(a))，岩层走向与边坡斜交，总体为纵向坡，完整性较好，总体稳定性较好；边坡中上部下伏基岩为钙质细砂岩(P1S3-1(b))，岩层层面多顺坡分布，且顺层泥化夹层的存在对边坡稳定影响较大，为边坡开挖所面临的主要地层单元。此外，该部位还发育Ⅲ级结构面F15，该断层主要由断层泥、碎裂岩及方解石等组成，根据平洞资料显示，构造带附近的钙质砂岩泥化现象较为严重，对边坡岩体的稳定性影响较大。

P1S3-1(b)砂岩地层层间泥化夹层或泥化现象多在弱上风化带及强风化带内较为明显，弱下及微新砂岩内此类现象呈减少趋势。左岸厂房边坡开挖后，在高程480 m以上边坡多为弱上风化带，此类泥化夹层等软弱结构面较为发育，对边坡稳定影响较大；高程480 m以下开挖边坡的岩体多为弱下及微新的砂岩，此类软弱结构面较少，总体对开挖边坡稳定影响较小。

根据厂房左岸山坡完成的3个平硐资料(即PD121、PD141和PD123)统计，厂房左岸边坡岩体节理分布规律性强，主要发育有两组节理(见图2)，组(Ⅰ)N5°～35°E，NW∠30°～60°；组(Ⅱ)N65°～85°W，SW∠20°～40°。根据开挖边坡与节理组的空间分布，两组节理走向均与开挖边坡走向交角较小，中缓倾上游或下游偏坡外，视倾角具有顺坡向的趋势。因此，该两组节理对边坡稳定影响较大。

图2 左岸厂房边坡节理赤平面法线极点投影分布

2 边坡失稳变形判断

通过上述的开挖边坡工程地质特性和节理空间发育特征定性分析，厂房左岸开挖边坡的稳定性较为突出。根据组成边坡岩、土体特性，结构面发育及其组合关系，对边坡可能形成失稳变形做出如下判断。

2.1 B4崩塌堆积体松散介质边坡

B4崩塌堆积体厚约20～40 m，上部碎石质黏土结构密实，下部大块石、孤石松散架空，边坡开挖后残余部分稳定性极差。松散体内部存在产生圆弧形破坏或沿堆积体与基岩面产生滑动破坏的可能。

2.2 P1S3-1(b)紫红色钙质细砂岩边坡

该层砂岩顺坡分布，缓倾坡外，层间小断层、挤压面发育，泥化现象较为普遍，抗剪强度低，对边坡稳定较为不利，在其他结构面组合切割下，边坡沿其产生挤压变形或失稳的可能性较大，应及时加强支护。

2.3 P1S3-1(a)岩屑角砾岩边坡

该层岩屑角砾岩呈厚层～巨厚层状，岩体完整、块度大，无大的不利组合结构面分布，总体稳定性良好。局部存在节理的相互切割，可能存在小规模的楔形滑块。

3 边坡稳定性分析评价

为进一步对开挖边坡的稳定性进行验算，根据滚弄水电站左岸厂房边坡开挖设计方案(见图1)，结合野外工程地质平面测绘及勘探资料的收集整理，对不同工程部位采用差别化分析，建立合理工况模型，考虑不良地质体B4、岩层分布、顺层砂岩泥化夹层、断层、卸荷等在边坡开挖卸荷过程中的应力应变变化情况，并应用强度折减法计算出边坡开挖卸荷的安全系数，从而对边坡开挖卸荷过程中的稳定性做出定量评价。地质单元计算本构模型采用修正的弹塑性Mohr-Coulomb模型(简称为M-C模型) ，同时考虑了两组优势节理对边坡稳定的影响。

3.1 计算模型的建立

结合边坡开挖设计方案，建立二维有限元计算模型，考虑到边界条件对计算结果的影响，计算模型如图3所示。

3.2 地质参数取值

根据滚弄坝址区现场岩体力学实验结构及野外工程地质测绘、勘探成果，拟选定计算参数如表1所示。

图3 厂房开挖边坡有限元计算模型

表1 厂房边坡开挖稳定计算各地质单元计算参数

3.3 顺坡向节理及软弱结构面的考虑

假定节理组a，其主要节理面的法向量和切向量分别为naα、taα，其中α=1，2，作为两个相互垂直的坐标轴。局部压应力及围绕着节理面的剪应力可表示为：

Pa=-na·σ·na

τaα=na·σ·taα

假定剪应力的数值为：

节理面上的法向应变为：

εan=na·ε·na

则节理面上的切向应变为：

γaα=naεtaα+taαεna

采用线性应变进行弹塑性分解：

dε=dεel+dεpl

若存在多个节理面，则假定该节理面序号为i，其中i=a代表节理面，i=b代表岩体材料。则：

当所有节理面在某一点闭合，且岩体材料的弹性行为为线性及各项同性。不同于基于应变状态判定在每一步迭代过程中节理面是否闭合，本计算中采用基于平面应力问题的一种方法判定节理是否张开。当节理面上的压应力不大于0时，该节理面为张开。即：

pa≤0

在这种情况下岩体材料就不存在产生节理面上的正应变弹性刚度，也可能不存在产生沿着节理面的剪应变弹性刚度。因此，节理面的张开在该点将会产生一种各项异性的弹性响应，当满足下式时，则节理面为张开状态。

εan(ps)el≤εanel

式中εanel——为节理面上的法向弹性应变；

εan(ps)el——为节理面上的切向应变。

根据平面应力问题方法计算可得：

式中E——为岩体材料的杨氏模量；

ν——为岩体材料的泊松比。

则有：

σaα=taα·σ·taα

式中σaα——为节理面上的法向应力。

节理组a的滑动破坏面上有：

fa=τa-Pa·tanβa-da=0

式中da——为节理组a的粘聚力；

βa——为节理组a的内摩擦角。

当fa<0时，则节理面不发生滑动，当fa=0时，节理面发生滑动，此时，节理组上的非线性应变为：

ψa——为节理组的剪胀角。

其中，当节理面上为纯粹的剪切流动时，取ψa=0；若考虑节理组滑动过程中发生剪切张开，则取ψa>0。

某一节理组在一点上的剪切滑动，将不改变其他节理组在该点的破坏准则及剪胀角。因此，每组节理在同一点上的剪切滑动力学行为是相对独立的。

3.4 计算工况的模拟及节理面

根据滚弄水电站左岸厂房边坡开挖施工方案设计，模拟开挖工况分9步进行，在计算中对开挖的模拟采用杀死单元的方法来实现，每一层开挖完成后及时支护，对支护的模拟简化设置有一定允许位移的边界条件。

根据现场地质调查、勘探成果，本计算主要考虑两岸有影响的断层等结构面的组合，兼顾节理统计结果。假设厂房边坡开挖后节理闭合，咬合性能良好，取剪胀角为0进行计算。

3.5 边坡失稳的判定

边坡失稳破坏的判定方法为有限元强度折减法，本计算采用计算不收敛方法来判定，并同时给出发生破坏时的正应力、剪应力、塑性区、位移云图加以说明。

3.6 计算成果分析

结合上述计算理论及计算步骤，得出了有限元计算成果。图4给出了边坡开挖完成后计算模型的正应力场、剪应力场、塑性区及位移场分布。

由图4、5可以看出，由于设计在开挖过程中及时支护，整体位移不大，开挖“卸荷”对边坡稳定性影响小。开挖过程中左岸厂房边坡B4崩塌体附近(高程523 m附近)，岩体变形相对较大，局部产生塑性变形，位移约4.7 mm。因此，开挖过程中需及时支护，避免产生较大的位移，造成边坡失稳。

计算过程中，当取安全系数K=1.27时，有限元计算不收敛，左岸厂房边坡卸荷产生塑性变形较大，认为边坡失稳。因此，采用强度折减法得出的安全系数取为1.27。

根据计算结果的分析，由有限元强度折减法得出的坝肩边坡削坡的安全稳定系数为K=1.27，考虑到一定的安全储备，该值较小，建议边坡开挖过程中务必做到及时监测、及时支护，尽量避免造成边坡失稳。同时，B4崩塌体部位对边坡稳定影响较大，建议在开挖过程中予以足够重视，除了全部挖除该堆积体外，应对下伏砂岩地层进行强支护处理，在478 m高程以上设置预应力锚索加固，防止边坡沿泥化夹层等软弱结构面变形失稳。

(a)正应力场分布(单位：Pa)

图5 K=1.27时第四级削坡完成后附近位移场分布(单位：m)

4 厂房边坡开挖及支护处理建议

厂房左岸边坡复杂的地质条件主要受控于B4崩塌堆积体以及P1S3-1(b)的紫红色细砂岩的泥化夹层及软弱结构面的分布。

B4崩塌堆积体在左岸厂房边坡开挖后已基本挖除。但由于该崩塌堆积体在空间上底界分布存在差异，边坡开挖时尚有少量残存，有可能导致滑塌或圆弧形滑动。因此现场开挖过程针对B4崩塌堆积体的空间分布特征应全部清除。

P1S3-1(a)的岩屑角砾岩开挖边坡稳定问题不突出。P1S3-1(b)的细砂岩由于存在顺坡的泥化夹层或挤压带等软弱结构面，其力学强度较低，对边坡稳定极为不利。因此，根据左岸山坡的工程地质特性，建议在边坡开挖设计时，考虑放缓砂岩地段的开挖坡比，对于底部因开挖体型需垂直开挖的，其开挖台阶不宜过高，建议控制在15 m范围内。在开挖过程中，每台边坡开挖到位时，需及时支护，包括锚筋桩、长锚杆以及后续必要的预应力锚索等。由于砂岩的阻水性能良好，边坡设置排水孔时应适当加密，确保边坡地下水的排泄畅通可减轻边坡变形破坏的风险。