近坝库岸卸荷松动岩体稳定性分析及入库涌浪计算

闵勇章，凡 亚，刘永波

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

近年来，我国水电事业经历了一段高速发展期，建成了许多大中型水电站工程。随着时间的推移，这些电站水库近坝库岸卸荷松动岩体普遍存在失稳风险，并可能造成涌浪危害，安全形势非常严峻。本文结合工程实际，在对近坝库岸卸荷松动岩体进行稳定性分析的前提下，选用美国土木工程师协会推荐公式进行涌浪计算，预测到坝体处涌浪高度接近坝顶高程会危及坝体及下游安全。因此，需对卸荷松动岩体进行适当支护处理，实施后监测数据显示：变形趋于收敛，卸荷松动岩体整体处于稳定状态。

1 工程概况

川西某水电站采用水库大坝、首部式地下引水发电系统开发，枢纽主要建筑物由砾石土心墙堆石坝、引水发电系统、泄洪放空系统组成。拦河大坝最大坝高240 m，电站总装机容量2 600 MW，水库正常蓄水位1 690 m，正常蓄水位以下库容为10.15亿m3，总库容为10.75亿m3，具有季调节能力，电站于2016年12月建成发电。

泄洪放空系统由1条深孔泄洪洞、2条开敞式泄洪洞和1条放空洞组成，按洞轴线大致平行方式布置于右岸(平面位置见图1)。泄洪洞进口位于双叉沟堆积体对岸下游至象鼻沟间的坡段，距离大坝轴线约900 m，进口自然边坡高500～600 m，地形坡度45°～55°。

图1 泄洪洞进口平面地质示意

2 卸荷松动岩体基本地质条件

在右岸象鼻沟上游侧和1号泄洪洞进口下游侧之间、距坝轴线约900 m的坡体上，发育一处松动岩带XJ7-SD(见图2)。地理位置属近坝库岸，地形呈山脊状，三面临空，高程1 640～1 785 m，坡度一般50°～60°，局部平缓，植被稀疏，出露岩体主要为花岗岩。

松动岩带裂隙发育，主要以J1、J4、J6三组裂隙为主(见表1)，延伸长大，裂面普遍锈染张开。J4组裂隙陡倾发育，常以裂隙密集带出现，裂面普遍张开30～40 cm，局部大于1 m(见图3)，形成拉裂缝；J1、J6组裂隙均为顺坡向发育，延伸长大，常构成边坡的滑移控制面，同其他结构面组合完备。受裂隙切割影响，浅表部岩体松动变形严重，岩体结构以块裂～碎裂结构为主。

松动岩带面积约0.6万m2，总方量约为10～15万m3，前缘(A区)面积约0.3 万m2，总方量约7～8万m3，A区岩体受J1(潜在底滑面)、J6(潜在底滑面)与J4(后缘切割面)切割影响，易形成潜在不稳定块体，可能产生沿J1、J6的滑移变形破坏。

图2 XJ7-SD松动岩带全貌

图3 XJ7-SD松动岩带细部岩体发育特征(图1中照片7-1、7-2处)

组别产状性状特征J4N65°～85°W/NE∠75°～80°发育程度高,延伸长大,常以裂密带形式产出J6N20°～35°W/NE∠30°～40°较发育,起伏粗糙,延伸较长大,常构成边坡的滑移控制面J1N10°～25°E /SE∠20°～38°发育程度较低,延伸较长大

3 稳定性分析

松动岩带在地形上受三面临空、坡陡及结构面不利组合影响，裂隙张开，并产生拉裂变形；岩体松动明显，天然状态下小型崩塌时有发生，现状处于基本稳定状态；局部边缘地段处于临界稳定状态，在爆破震动、暴雨、地震等工况下可能产生较大塌滑。 A区处在水库水位变幅带附近，在水库蓄水初期、运行期及水位骤降期，受库水侵蚀浸泡、动水压力及涌浪的作用下易引发失稳变形，造成较大近坝库岸垮塌，并产生一定规模涌浪，危及大坝运行安全。

选取5条剖面、 9种不同组合模式对松动岩带边坡进行稳定性计算(力学参数见表2)。结果表明，天然状态下边坡整体稳定，短暂工况及偶然工况下相当一部分不满足设计要求(见表3)，存在失稳可能。

表2松动岩带XJ7-SD结构面力学指标建议值

表3 稳定计算成果(未支护状态)

计算剖面模型组合工况持久短暂偶然1号-1剖面①J6倾角23°长50 m+J4倾角80°长59 m2.1991.9371.451②J6倾角23°长80 m+J4倾角80°长47 m1.9721.7651.2021号-2剖面①J6倾角40°长80 m+J4倾角80°长152 m1.0390.6350.7902号-1剖面①J6倾角23°长50 m+J4倾角80°长147 m1.3581.1211.016②J6倾角23°长80 m+J4倾角80°长122 m1.4020.8430.9843号-1剖面①J6倾角23°长50 m+J4倾角80°长112 m1.5441.3001.137②J6倾角23°长80 m+J4倾角80°长108 m1.4581.2541.0183号-2剖面①J6倾角23°长50 m+J4倾角80°长167 m1.6581.4081.232②J6倾角23°长80 m+J4倾角80°长210 m1.3010.8380.987边坡稳定目标安全系数1.25～1.301.15～1.201.05～1.10

4 涌浪计算

为查明松动岩体失稳入库引发的涌浪对大坝安全运行的影响程度，准确预测坝体位置涌浪高度，为松动岩体支护处理提供依据，特选取沿J6滑动方向典型剖面(见图4)，对岩体入库涌浪进行分析计算，滑动模式确定为J4与J6组合、沿J6面产生滑动。

初始速度计算选用美国土木工程师协会推荐公式，如下：

(1)

式中，f为滑面或岩体结构面摩擦系数，f=0.425；α为滑面及岩体结构面倾角，(°)，α=34°；H为变形体水上部分重心至水面高度，m，H=22.5 m；W为滑动体单宽重量，kN，W=99 258.87 kN；c为黏聚力，kPa，c=110 kPa；L为滑块与滑动面接触长度(沿滑动方向)，m，L=133 m。

图4 XJ7-SD松动岩带沿J6滑动方向典型计算剖面

将各参数代入公式(1)，计算得Vs=2.242 8 m/s。

涌浪计算选用中国水利水电科学研究院经验公式，如下：

(2)

式中，η为坝上浪高，m；V为滑速，m/s，V=2.242 8 m/s；Vm为滑体入水前水上部分体积，m3，Vm=150 533 m3；K1为与距滑坡点距离有关的系数，此处入水点距离坝轴线900 m，根据关系曲线(见图5)，选取K1=0.11；n为计算系数，在1.3～1.5间，此处选取n=1.4。

将各参数代入公式(2)，计算得坝上浪高η=6.743 m，正常蓄水位为1 690 m，加上涌浪高度为1 696.743 m，接近坝顶高程1 697 m，考虑其他因素的影响，存在翻坝的可能性，从而可能影响水库安全运行。

5 支护处理与变形监测

设计采用在一定范围内松动岩体边坡上布置系统锚索(锚索深度穿过J4裂隙形成的拉裂缝)的支护方式，并辅以监测措施，以保证工程边坡及大坝运行安全。

图5 系数K1与滑体入水点距离L关系曲线

稳定性计算表明(见表4)，支护后边坡稳定系数满足规范要求。支护实施后及电站蓄水运行以来，内观和外观监测成果显示，该边坡变形已趋于收敛(见图6)，未见异常，边坡整体处于稳定状态。

表4 加支护后稳定计算成果

图6 各测点变形时间过程线

6 结 论

川西某水电站坝前右岸象鼻沟上游与泄洪洞进口之间山脊岩体卸荷强烈、松动，呈带状分布，稳定性差。通过定性分析及定量计算对卸荷松动岩体的变形机制及稳定性进行研究表明，在短暂及偶然工况下部分边坡存在失稳可能。由于该松动岩体地理位置处在近坝库岸，遂对其进行失稳入库涌浪分析，预测首浪高度接近坝顶高程，有翻坝风险，危及坝体及下游安全。在此前提下，提出卸荷松动岩体加固处理措施，并辅以监测手段，对支护后的边坡变形进行观测，结果显示变形趋于收敛，卸荷松动岩体整体处于稳定状态，保障了水库安全有序运行，对类似近坝库岸处理有一定借鉴意义。