杨房沟水电站金波石料场顺坡中缓倾角结构面对边坡稳定的影响

2020-01-13

四川水利 2019年6期

(1.华东勘测设计院(福建)有限公司，福州，353003；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都，610059)

1 引言

杨房沟水电站位于四川省凉山州木里县雅砻江中游河段，为该流域规划开发的第六级电站，电站大坝采用混凝土双曲拱坝，坝顶中心线弧长362.17m，最大坝高155m，总装机容量1500MW。金波石料场规划区域位于雅砻江左岸上游江边，需承担杨房沟、卡拉两个水电站工程混凝土骨料料源供给任务，其规划开采有用料至少为492万m3(杨房沟206万m3+卡拉286万m3)。金波石料场工程边坡最大高度为257m，自然边坡最大高度则超过900m，如此规模的高边坡在人工开挖活动下，会打破边坡原有的平衡状态，开挖与控制不当，容易引发边坡地质灾害[1-2]；另一方面，该料场边坡的稳定问题不仅仅关系到工程本身的安全，同时会制约杨房沟大坝浇筑的顺利进行，也会对下游坝址区构筑物和水库带来较大影响。为评价料场边坡稳定性，通过钻孔与平洞的勘探，全面调查了边坡工程地质条件，发现顺坡中缓倾角结构面极为发育，在一定程度上，对边坡的变形破坏具有控制作用。

2 边坡工程地质条件

石料场自然边坡总体走向约N10°～15°E，坡度40°～50°。坡面起伏相对较小，岸坡较顺直，沿江长约600m，地形见图1。边坡基岩裸露，岩性单一，为燕山期花岗闪长岩(γδ52)，基岩以弱～微风化为主，局部见强风化，卸荷作用整体较弱。边坡无Ⅱ级及以上规模断层发育，但顺坡小断层、节理发育，Ⅲ级结构面较少，以Ⅳ、Ⅴ级结构面为主。地下水类型较单一，以基岩裂隙水为主，主要受降雨补给，向雅砻江排泄。典型剖面见图2。

图1 金波石料场开挖平面

图2 开挖典型剖面

3 边坡稳定性分析

3.1 定性分析

工程边坡为岩性均一的花岗闪长岩，开挖边坡主要为弱～微风化岩质边坡，开口线附近为强、弱风化及卸荷岩体。工程边坡岩体质量以Ⅱ、Ⅲ类为主，开口线附近局部为Ⅳ类。岩体完整程度以较完整为主，少部分完整或完整性差。

基于勘探资料的整理，料场边坡小断层较发育，无Ⅱ级及以上规模断层，Ⅲ级结构面断层12条。断层走向以NNW、NNE、NE向为主，其中NNW、NNE向以中、缓倾角为主，NE向以陡倾角为主。断层等密度见图3，小断层虽然数量多，但其宽度小且延伸短，断层之间在走向延长线和倾向延长线上绝大多数没有对应关系；构成后缘(侧缘)切割面的NW向和NE向断层规模相对较大，但数量少；同时，如图4所示，优势发育的顺坡中缓倾角的断层绝大多数规模小。这样的断层展布特征不易形成大规模结构面不利组合块体。

因此，工程边坡中无贯穿性、威胁边坡整体安全的大规模顺坡断层发育。断层延长大多较短，性状一般较好，边坡整体稳定，但边坡中、缓顺坡向结构面发育，与NE、NNW向陡倾角结构面相交切，对块体稳定具有控制作用，块体稳定问题突出。

图3 金波石料场断层统计等密度

图4 金波料场顺坡中缓倾角断层宽度统计

3.2 定量分析

定量分析选用3DEC方法，3DEC是由Itasca咨询有限公司基于离散单元法开发的岩土工程数值计算程序。离散元的主要特征，一是允许离散体发生有限位移和转动，包括完全的脱离，二是计算过程中能够自动识别接触状态的变化，保证了能够适应于任何复杂机理问题的研究，弥补了传统解析方法(如极限平衡)最严重的不足——这类方法往往需要事先假设变形和破坏的方式。3DEC具备同时考虑岩块体连续变形和结构面非连续变形的求解方式，兼顾了岩体和结构面的变形破坏，能够满足对杨房沟坝址区边坡的研究。

根据现场边坡开挖揭露的地质情况，研究区岩体主要为花岗闪长岩，岩体质量分类参数取值见表1，建立边坡模型进行数值分析，本构模型采用摩尔库伦弹塑性本构模型。

表1 岩体物理力学参数建议值

3.2.1 整体稳定性分析

采用离散元方法对边坡整体稳定性进行方法为“强度折减法”的分析，通过对岩体和结构面强度参数进行折减，即人为改变边坡条件的方式，使边坡变形增长、乃至出现失稳征兆，并根据临界状态的变形场分布或变形速率分布情况判断出边坡潜在失稳模式，以达到认识和评价边坡稳定特征的目的。

经计算，开挖边坡在不同强度折减系数情况下，强度折减系数范围为1.0～1.6，其中显示了该边坡在岩体参数不断折减时的变形发展过程，其绝对值大小不能直接反映边坡的稳定性，但相对值可较明确指示边坡不同部位稳定性差异。

边坡开挖至高程2270m时，整体稳定性较好，在强度折减系数为1.3情况下，边坡变形能收敛，且整体变形量值不高，基本控制在20mm量值水平以内，未表现出明显的潜在块体滑移变形特征；在强度折减系数为1.4情况下，此时边坡变形仍能计算收敛，但局部受结构面影响变形增长明显，超过20mm。因此，可以认为，边坡开挖至高程2270m时整体安全系数能够达到1.3以上。

随着边坡继续下挖，会在开挖坡面揭露顺坡长大断层fj64、fj23等，对边坡整体稳定有较大不利影响，这些断层与fj1、fj24等组合可形成规模较大的不利块体KJB-11、KJB-1，稳定性较差。计算结果表明，此时边坡的整体稳定主要由这些块体控制。因此，需要对这些组合块体稳定特征进行详细分析，并制定相应的加强支护处理方案。

3.2.2 局部稳定性分析

料场边坡顺坡中缓倾角结构面比较发育，与岩桥一同构成滑移块体的底滑面，其后缘一般为NNW向或NE向高倾角结构面切割，因此，“底滑面”在边坡稳定性中具有控制性作用，破坏模式见图5。利用地质三维模型分析出结构面在工程边坡的出露位置，结合剖面及平切分析可能的块体组合，得出坡体内所发育断层可组合成较大不利块体19个，由于篇幅有限，以其中三个典型块体、KJB-18、KJB-1、KJB-18为例，利用3DEC方法展开计算，计算结果见表2。由此可知，块体KJB-1在天然、暴雨和地震工况下不稳定，需加强支护；KJB-6、KJB-18计算结果虽然满足规范要求，但安全裕度不足，仍需进行相应支护。