西北某水电站1号变形体特征及稳定性分析
2020-05-05吕耀成张富荣李钰强
吕耀成 张富荣 李钰强
(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)
西北某水电站位于青海省兴海县与贵南县交界的黄河上，其枢纽工程规模属Ⅰ等大(1)型工程，电站正常蓄水位为2 715 m，装机容量1 200 MW。拦河坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程2 721 m，最大坝高150 m。1号变形体位于电站近坝库岸左岸，距离电站导流洞进口较近，其稳定性直接影响施工与运行的安全[1]。因此，弄清该变形体的变形机制，并通过计算分析其稳定性，评价结果可作为工程设计的重要依据[2,3]。
1 地质条件概述
1号变形体与拟建坝址相距约为750 m，位于坝址上游黄河左岸。本段河流总体流向NW332°。基本呈对称的“V”型河谷，岸坡陡峻，相对高差最大约400 m，变形体范围内冲沟不发育。
1号变形体范围内规模较大的断层不发育，仅在上游侧边界处发育F12断层，其岩体中构造裂隙和卸荷裂隙较为发育。
2 变形体特征
1号变形体在平面形态上呈不规则的扇状，其后缘可见“圈椅状”破裂壁。前缘剪出口基本位于Ⅱ级阶地基座面附近，高出河水位15 m～30 m；后缘最高高程约2 925 m，一般在高程2 800 m～2 920 m。1号变形体的平均厚度25 m，估算其体积约为480万m3。
1号变形体的岩层走向与河谷边坡走向夹角较小，属陡倾顺层斜坡。变形体范围内岩层产状与周边正常岩层产状有明显差异，总体向坡内缓倾，其产状与周边正常岩层产状相差较大，一般大于30°，岩层强烈倾倒变形现象明显，呈反倾状结构[4]。根据其结构及破坏特征，该变形体可分为三个区，从上游到下游分别为A区、B区、C区。
3 成因机制及力学特征
3.1 成因机制
通过岩性、岩体结构和环境条件分析，1号变形体形成主要经历三个阶段：1)初始变形阶段；2)滑移—倾倒变形阶段；3)破坏阶段。随着上述变形的进一步发展，坡体内的变形主要受控于折断面处的最大剪应力，其变形最后转为以滑移—拉裂型为主，进而形成统一的滑动面，最终发展为滑坡。
3.2 力学特征
通过碎石土强度试验成果、参数反演成果及相关规范类比[5]，经综合分析，变形体潜在滑面的强度参数如下：
A区代表性剖面(纵1剖面)：
天然状态：f=0.54，C=100 kPa；饱和状态：f=0.46，C=80 kPa。
B区、C区代表性剖面(纵2、纵3剖面)：
天然状态：f=0.64，C=100 kPa；饱和状态：f=0.50，C=80 kPa。
4 变形体稳定性分析
根据1号变形体的分区特征，分别选取A区、B区、C区的代表性剖面1—1,2—2,3—3纵剖面计算其稳定性。稳定性计算采用以下方法：有限元强度折减法和刚体极限平衡法。
4.1 有限元强度折减法
采用有限元强度折减法，计算各剖面在天然状态下的稳定系数见图1～图3。
计算结果表明，天然条件下，3条剖面的稳定系数均大于1.15，即A区、B区、C区均处于稳定状态。
4.2 刚体极限平衡法
由于1号变形体位于电站的近坝库区，因此，稳定性计算分别按蓄水前、蓄水后两种状态进行，计算天然自重、暴雨、地震等工况下的稳定系数。本次选用1号变形体1—1,2—2,3—3纵剖面，其稳定性计算采用传递系数法进行。
1)蓄水前变形体的稳定性分析。蓄水前，各工况下1号变形体1—1，2—2，3—3纵剖面的稳定系数计算成果如表1所示。
表1 不同工况下变形体的稳定系数计算成果表
2)蓄水后变形体的稳定性分析。蓄水后，各工况下1号变形体1—1,2—2,3—3纵剖面的稳定系数计算成果见表2。
表2 不同工况下变形体的稳定系数计算成果表
根据上述计算成果可知：
在电站蓄水前，天然自重工况下：A区处于稳定状态，B区、C区处于基本稳定状态；在暴雨、地震工况下：A区总体处于基本稳定状态，B区、C区处于欠稳定状态。
在电站蓄水后，天然自重工况下A区处于基本稳定状态，但在暴雨或地震工况下A区处于极限平衡～欠稳定状态；除B区天然条件处于欠稳状态外，B区其余工况、C区所有工况均呈不稳定状态，即变形体在各工况条件下的稳定系数均不能满足规范控制要求。
5 结语
1)1号变形体位于电站近坝库岸，其稳定性直接影响工程施工与运行安全。因此，评价其稳定性具有重大意义。2)通过岩性、岩体结构和环境条件分析，1号变形体形成主要经历三个阶段，即初始变形阶段、滑移—倾倒变形阶段、破坏阶段。随着变形的进一步发展，最终转为滑移—拉裂变形，形成统一的滑动面而发展为滑坡。3)稳定性分析结果表明：电站蓄水前，在天然自重工况下，变形体处于稳定～基本稳定状态；在地震或暴雨工况下，变形体处于基本稳定～欠稳定状态。电站蓄水后，在各种工况下，变形体的稳定系数不能满足规范控制要求。4)1号变形体的发展变化趋势对工程建设及运行影响较大，建议对其开展必要的变形监测工作，为边坡的工程设计提供相关依据。
