古瓦水电站坝区顺层边坡稳定计算与支护设计

杨 斌， 饶 家 林， 梁 勇， 周 涛， 肖 玉 会

(1.大唐乡城水电开发有限公司，四川 成都 610072；2.四川省清源工程咨询有限公司，四川 成都 610072)

1 坝区工程地质概况

古瓦水电站采用混合式开发，拦河大坝为钢筋混凝土面板堆石坝。坝址区河谷为纵向谷，河谷断面为较对称的“V”型谷。两岸山体雄厚，基岩大多裸露，临河坡高大于300 m。左岸谷坡自然坡度一般为35°～40°，临河为20～50 m高的基岩陡崖。右岸高程3 345～3 385 m以上，为顺基岩层面形成的斜坡，坡度约42°，以下为高约20～40 m阶坎状基岩陡崖。坝区地层为三叠系上统拉纳山组下段(T311)变质砂岩夹板岩，变质砂岩单层厚度一般0.5～2.0 m，板岩厚度一般1～5 cm。坝区为一短轴向斜，向斜核部大致沿河流展布，左岸岩层产状主要为N20°～30°E/NW∠35°～42°，右岸岩层产状主要为N30°～40°W/NE∠40°～45°，岩层走向与河流近于平行或小角度斜交。坝区主要发育3组节理，结构面以Ⅳ、Ⅴ级为主，少量Ⅲ级，主要为刚性结构面，深部发育少量岩块岩屑型、岩屑夹泥型软弱结构面。坝址区岩石风化微弱，两岸岩体强卸荷水平深度一般10～15 m，弱卸荷水平深度一般30～40 m。

2 坝区边坡概况

坝区水工建筑物主要有拦河大坝、左岸取水口、导流防空洞、泄洪洞和右岸溢洪洞。左岸导流洞和防空洞采用龙抬头结合方式，导流洞、放空洞和泄洪洞三洞结合共用一个出口，左岸取水口紧邻导流洞进口，左岸泄洪洞紧邻左岸趾板，右岸溢洪洞紧邻右岸趾板，因相邻部位边坡工程地质条件基本相同，故合并取水口和导流(放空)洞进口边坡、左岸趾板和泄洪洞进口边坡、右岸趾板和溢洪洞进口边坡。

坝区两岸均为层状同向结构边坡，特别是右岸趾板和溢洪洞进口边坡、左岸取水口及上游侧边坡岩层层面与坡面一致。采用赤平投影法和边坡岩体质量CSMR分类标准，对边坡稳定性进行初判，边坡易产生顺层滑动，强卸荷带边坡稳定性差。本文以具典型地质特征的取水口边坡为代表，采用刚体极限平衡法与有限元法，简述边坡稳定性计算。

3 取水口边坡工程地质条件

取水口后坡在高程3 403.2 m为闸门竖井平台，平台长74 m，宽30～33 m。平台内侧开挖边坡高约72 m，开挖坡比1∶0.3。平台之下为覆盖层清坡，清坡后边坡高约98 m。

取水口位于基座阶地上，阶地临河高15～20 m，宽70～80 m。阶地覆盖层厚一般30～40 m，为冰水堆积含漂(块)卵砾石，地表为厚度8～10 m坡积含块碎砾石土。清理覆盖层后，后坡为顺层岩质边坡，高程约3 360 m以上自然坡度38～43°，以下坡度55～65°。后坡变质砂岩单层厚度一般0.5～1.5 m，岩层产状：N10°～33°E/NW∠35°～44°。岩体中主要发育3组节理：①N60°～80°W/NE∠55°～80°，②N50°～70°E/SE∠55°～80°，③近SN～N25°W/NE∠50°～75°，节理延伸长一般5～10 m，多平直粗糙。

开挖揭示：后坡岩层间主要为硬性结构面，平直粗糙。边坡岩体风化微弱，岩体较完整。强卸荷水平深度约8～12 m，弱卸荷水平深度约40～50 m。

4 边坡稳定性计算

工程区两岸边坡类型为层状同向结构边坡，典型破坏模式为在两组节理切割下，与层面组合的块体发生顺层面的平面滑动，破坏模式清晰。采用刚体极限平衡的平面滑动法和有限元法对边坡稳定进行计算。

4.1 刚体极限平衡法

4.1.1 边坡分级

边坡安全系数允许值根据《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T5353-2006)中规定，根据边坡与建筑物关系、边坡工程规模、工程地质条件复杂程度以及边坡稳定分析的不确定性等因素综合分析确定。对于失稳风险大的边坡，或稳定分析中不确定因素较多的边坡，安全系数宜取上限值，反之可取下限值。古瓦电站坝区两岸基岩边坡边界条件较为清晰，失稳模式为顺层平面滑动，安全系数可取下限值。古瓦电站取水口边坡分级及安全系数允许值见表1。

4.1.2 计算工况

表1 边坡分级及安全系数表

边坡设计工况主要有三种：持久工况、短暂工况、偶然工况，计算时按照边坡在天然状态、正常运行状态、水位骤降、暴雨及地震等各种工况作用下的组合。

4.1.3 岩体物理力学参数

施工开挖揭示的坝区工程地质条件与可研报告基本一致，边坡稳定计算所需岩体容重、泊松比、变形模量等物理力学参数见表2。

4.1.4 结构面参数确定

可研阶段结构面参数根据工程类比取值。为准确了解坝区层间结构面抗剪强度参数，施工阶段根据现场大剪试验成果，结合反演计算、规范建议值、相似工程资料类比等综合分析，确定不同类〗型结构面抗剪断强度参数建议值。边坡稳定性计算时，根据不同工程部位边坡级别，结合实际工程地质条件，在建议值范围内选取。饱水工况及库区蓄水时，结构面抗剪强度参数在计算时予以折减。

表2 坝区岩体物理力学参数表

现场大剪试验成果见表3，除少部分试件在剪切试验中未沿结构面破坏，试验成果偏大外，其余试件均沿预定结构面剪断。

表3 现场大剪试验成果表

据《水电水利工程边坡设计规范》(DLT5353-2006)规定，对变形边坡和已失稳边坡可以反演确定其滑面力学参数，反演时边坡抗滑稳定系数取值建议：变形边坡取1.00～1.05，失稳边坡取0.95～0.99。本次反演计算边坡安全系数取值为：垮塌边坡取0.97，残留边坡下部取1.02，上部取1.07。反演计算底滑面均为厚层状变质砂岩层间无充填硬性结构面，层面倾角41.5°。反演计算垮塌体抗剪断强度参数f′=0.675，c′=135 kPa；残留边坡下部抗剪断强度参数f′=0.675，c′=128.5～135 kPa；上部抗剪断强度参数f′=0.7(35°)，c′=169～175 kPa。

综合现场试验、反演计算、规范建议值、相似工程类比等，结构面抗剪断强度参数建议值见表4。

4.1.5 边界确定

底滑面：有软弱结构面时，以软弱结构面为底滑面，无软弱结构面时，选取卸荷底界和在坡脚剪出的层面为底滑面。取水口边坡有剪出条件深度范围内均为硬性结构面，底滑面存在三种可能：(1)强卸荷底界(图1中②、④)；(2)弱卸荷底界(图1中①、③)；(3)坡脚剪出的层面(图1中⑤)。

后缘拉裂缝：(1)后缘为张裂隙或者因地形和开挖形成的后缘切割；(2)后缘没有张拉裂缝的长大顺层边坡，根据不同工程部位地质条件、边坡开挖高度和滑面深度、开挖边坡松动影响范围等，滑动面长度按照切层厚度的4～10倍考虑，强卸荷带内开挖松动影响范围取大值，微新岩体中开挖松动影响范围取小值。取水口后坡后缘拉裂缝分三种情况：(1)平台之上后坡第③组节理在高程3 480 m附近密集发育，假设该组节理贯通发育形成后缘拉裂缝，两种底滑面相应的切层厚度分别约为8倍和4倍；(2)平台以下假设在竖井位置拉裂；(3)整体稳定计算时，后缘为山顶位置。

图1 取水口边坡地质剖面图

侧面：假设第①、②组裂隙顺坡向节理贯通发育，在上、下游侧形成有效切割构成侧滑面。

4.1.6 计算成果

边坡稳定计算底滑面均为无充填硬性结构面，结构面抗剪断参数根据边坡级别和工程地质条件，在表4建议范围内值选取。

本次取水口边坡共布置3条剖面进行稳定计算， 3条剖面综合计算成果见表5。计算结果表明：竖井平台之下强卸荷、弱卸荷带和平台之上强卸荷带边坡在各种工况下基本稳定，但安全系数不满足规范要求；竖井平台之上弱卸荷带在坡脚剪出时，各种工况下安全系数均满足规范要求。从边坡整体稳定上分析，以在坡脚剪出的层面为底滑面时，各种工况下边坡稳定，仅持久工况安全系数不满足规范要求。

表4 结构面抗剪断强度参数建议值表

表5 刚体极限平衡法边坡稳定计算成果表

4.2 有限元法

4.2.1 计算方法

有限元强度折减法基于有限单元法，通过对边坡岩体进行强度折减，直到边坡失稳，此时的强度折减系数则被认为是边坡的安全系数。强度折减系数法的基本原理是将岩体参数c、φ值同时除以一个折减系数Ftrial，得到一组新的、值，然后作为新的c′、φ′材料参数带入有限元进行试算，当边坡岩体符合给定的临界破坏状态判定条件时，对应的Ftrial即为边坡的最小安全系数。

运用强度折减法进行边坡稳定性计算，不需要事先假定滑裂面的形状以及所在位置即可自动获取边坡的滑动面直接求出安全系数，可通过得到岩体物理力学参数每一次折减后的计算结果，看到岩体逐步破坏的过程，得到边坡的应力场和变形场等信息。

取水口边坡稳定计算所需岩体容重、泊松比及变模等物理力学参数见表2。结构面抗剪断参数根据取水口边坡级别和工程地质条件，在表4建议范围值内选取。边坡结构面抗剪强度参数取值见表6。

4.2.2 计算模型

表6 边坡结构面抗剪强度表

有限元计算区域取刚体极限平衡法认为的最不利剖面(图1)，横河向(X向)411 m，垂直向(Y向)由底部高程3 206.0 m向上取352 m。天然状态下有限元网格共划分2 741个四边形单元，竖井平台开挖后有限元网格共划分2728个四边形单元，约束方向均为XY方向(图2)。

(a)天然状态网格划分

(b)施工、蓄水及地震工况网格划分图2 取水口边坡网格划分图

4.2.3 成果分析

有限元强度折减法拟对该断面的自然状态(持久)、施工开挖(短暂)、正常蓄水(持久)工况及地震(短暂)工况进行复核比较。边坡边界条件较为清晰，失稳模式为顺层平面型滑动，安全系数计算成果见下表7。

计算结果表明：在天然工况下，呈现带状滑弧，塑性变形区位于边坡表层以下约9 m的结构层面，塑性变形区长度约230 m，于边坡下部临空侧剪出，安全系数1.088。

表7 取水口边坡最小抗滑稳定安全系数计算成果表

竖井平台开挖形成后，平台上下边坡均呈现变形量相当的塑性变形区。蓄水后因水压的有利作用，安全系数略微增加。

取水口边坡控制工况为地震工况，安全系数0.988。上部塑性变形区贯通至开挖平台中下部，高程范围约3 417.0～3 484.0 m之间，长度约90 m，厚度约3 m。下部塑性变形区从开挖平台靠库区侧贯通至边坡下部临空面，高程范围约3 403.80～3 332.00 m之间，长度约101 m，厚度约2.5 m。

(a)天然状态工况 (b)施工期开挖工况

(c)正常蓄水工况 (d)地震工况图3 最大剪应变(塑性变形区)图

(a)天然状态工况 (b)施工期开挖工况

(c)正常蓄水工况 (d)地震工况图4 最大位移图

计算结果表明：有限元法与刚体极限平衡法计算结果规律匹配性较好，有限元计算安全系数总体上略偏大，边坡表现为沿浅表层面的滑动。取水口边坡在各工况下安全余度均较小，安全系数不满足规范要求，因此，需在浅表支护的基础上增加深层支护，以保证边坡安全。

4.3 边坡支护

根据取水口边坡工程地质条件和计算成果，支护形式以预应力锚索、锚筋桩或锚杆结合挂网喷混凝土为主。锚索预应力选用1 500 kN级，锚索深度以穿过弱卸荷岩体控制，长度分别30 m、40 m和50 m，间排距6 m，不同长度锚索交错布置。锚筋桩采用3Φ32、L=12 m和18 m，间排距3m，锚杆为Φ25、L=4.5 m。

5 结 语

坝址区河谷为纵向谷，岩性为厚层～巨厚层状变质砂岩夹板岩，为典型的层状同向结构边坡，边坡稳定性差，在节理切割组合下易发生顺层滑动。

边坡稳定计算首先要确定边坡破坏模式、滑体边界条件和结构面强度参数。古瓦水电站边坡破坏模式清晰，为典型的顺层滑动。滑体底滑面、侧向和后缘边界根据边坡实际工程地质条件来确定。结构面抗剪断强度参数根据现场大剪试验成果、反演计算、规范建议值、相似工程资料类比等，针对不同工程部位边坡级别，结合实际工程地质条件综合分析确定。

有限元法与刚体极限平衡法计算结果表明，其规律匹配性较好，采用刚体极限平衡法所得的取水口边坡稳定性分析成果有较高的可靠度，可以作为评判其边坡稳定性的依据。