杨房沟水电站f27块体群的识别、分析及加固

(中国水电七局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)

引言

杨房沟水电站是国内首个百万千瓦级电站和百米级高坝整体EPC水电项目[1、2]。项目位于雅砻江中游四川省凉山州木里县境内，是规划中该河段的第6级水电站。电站正常蓄水位2094m，相应库容4.558亿m3，拱坝最大坝高155m，装机4台，装机容量1500MW，属Ⅰ等大(1)型工程。缆机平台及坝肩边坡最大开挖高度约320m，坝肩开挖范围为高程2102m(坝顶供料平台)～1947m(坝基)。其中，左坝肩开挖过程中揭露的以f27断层为主滑面的巨型块体群，成为影响基坑开挖及混凝土浇筑的关键问题。

f27断层块体群的处理充分体现了EPC模式责任主体单一、内耗低、责任边界清晰的特点[3]。设计与施工方通过相互融合和无延时的信息沟通，圆满完成了对f27块体群的处理，确保了杨房沟电站建设的正常推进。

1 f27块体群的特点

块体是我国西南水电建设中常见的工程问题[4]。但杨房沟水电站的f27块体群的处理有区别于其他水电工程的以下特点：

(1)f27块体群方量巨大。f27块体是由左坝肩顺坡向的f27断层与其他多个结构面组合而成的相互嵌套的块体簇群，潜在组合块体有8个，其中最大的块体方量近15万m3。

(2)f27块体群出露位置敏感。f27块体群顶部平台是拱坝混凝土浇筑卸料平台，下部是河床坝段基坑，上游是地下电站进水口，下游是拱肩槽。根据该块体群的规模及出露位置，其性质已成为影响左岸拱肩槽上游侧边坡的整体稳定性问题。处理方案的拟定及施工将直接影响工程建设的工期进度及投资控制等。

(3)f27块体群的处理，探索并体现了EPC建设模式对重大突发地质问题处理的优点。传统建设模式下，对突发地质问题，将遵循情况调查、地质补勘、设计方案制定、审查、施工的程序进行，由于问题重大且责任方众多，决策将会是一个漫长的过程，可能影响施工进度甚至错失最佳的加固时机。杨房沟在EPC建设模式下，设计与施工成为一个综合责任主体，这不仅大大减少了工程建设中两大责任主体的相互矛盾和推诿内耗，还充分发挥了他们的主观能动性和创造力。在f27块体群处理中，EPC主体的设计方对外主动联系建管局、主管部门、质量监督方、设计监理、施工监理等对设计方案进行全程跟踪及深度融入；对内通过施工预警、草案准备、施工反馈等对施工提出预期要求。而EPC的施工方在全过程中紧跟方案变化，提前备料、搭建锚固平台、全工区调配资源展开快速施工，确保了f27块体群的加固处理。

2 f27块体群的识别

杨房沟坝址区岩体主要为花岗闪长岩，地质构造大部分为中陡倾角断层。断层f27在上游地表的产状为EWS∠55°～65°，向下游延伸时产状渐变为N50°～60°WSW∠55°～65°，并从高往低处倾角逐渐变陡，断层宽5cm～20cm，带内由片状岩、碎块岩、岩屑组成，铁锰渲染较严重，呈强～弱风化，面扭曲延伸。正如前所述，f27块体群顶部是高程2102m混凝土卸料平台，下部是高程1947m的基坑，上、下游分别为电站进水口及拱座开挖凹槽，总体形成三面卸荷、高达155m的凸型坡体。而f27为陡倾顺坡向断层，极易与其他结构面组合成块体。随着边坡下切开挖，f27断层在高程1995m逐渐出露，并随着开挖卸荷，在高程2102m平台混凝土面上出现了裂缝[5]。

图1 f27断层破碎带地质剖面

该部位边坡开挖自2017年12月从高程2101.85m开始，2018年4月23日开挖至高程2015m，2018年5月13日开挖至高程2000m。2018年4月28日2102m平台混凝土面发现3条裂缝，裂缝宽1mm～2mm，5月14日发现新增4条裂缝，随后裂缝数量、宽度有所增加，裂缝宽度最宽10mm。裂缝宽度测值与多点位移计Mbj-2-1成果相关性较好，截止2018年6月26日，多点位移计Mbj-2-1累计位移9.50mm。裂缝一经发现，EPC设计方即报告并邀请建设各方进行跟踪识别、分析与判断。此外，立即开展了补勘工作，主要有：

(1)对块体各临空面发育的结构面进行工程地质测绘及复核；

(2)对高程2102m卸料平台基础进行跟踪地质素描；

(3)对块体上的前期探洞PD15(高程2070.60m)、PD35(高程2056.80m)、PD13(高程1996.70m)、PD21(高程2002.20m)和工程边坡揭露地质资料进行工程地质复核；

(4)在块体高程2000m增布3个20m深水平钻孔，在高程2000m平台布置2个40m深铅直钻孔，并进行孔内全景摄像；同时对边坡高程2035m的2个水平孔、高程2015m、2040m、2045m、2070m的4个多点位移计孔及高程2080m的2个锚索孔进行孔内电视摄像。

根据对上述地质资料的分析，采用赤平投影和计算机三维模型组合等方法对f27块体群进行了识别，赤平投影如图2。所谓“识别”就是通过对资料的分析，确认块体的边界条件、组合情况、结构面参数、破坏模式等。f27块体群是以f27断层为主滑面，并与其他结构面多重组合相互嵌套的块体簇群，共识别有8个块体，其中以f27断层与f25断层组合的ZTK1块体最大，约为14.97万m3。

图2 主要断层与边坡典型组合赤平投影

3 f27块体群稳定分析

分析认为，f27块体群形成及变形的主要原因有：f27断层等原生结构面的存在是块体产生的内在原因；三面开挖为块体沿结构面的卸荷、松弛提供了空间和应力条件；难以避免的爆破、降雨和施工用水入渗降低了结构面的力学强度；囿于人们对良好花岗岩中的小断层认识有一个逐步上升的过程，可能导致前期的锁口锚固量欠足或加固时机相对滞后，对块体裂缝的发展有不利影响[6、7]。

3.1 稳定安全标准

根据《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T 5353-2006)，考虑杨房沟工程为Ⅰ等工程，f27块体亦即左岸坝肩边坡为A类(枢纽工程区)Ⅰ级边坡，边坡设计安全系数根据不同状况分别取值：持久工况取1.30，短暂工况取1.20，偶然工况取1.10。

3.2 计算模型及方法

根据实际揭露的地质条件，与f27组合形成的8个潜在不稳定块体，在采用平面刚体极限平衡法进行计算时，仅考虑底滑面，而不考虑侧滑面，故将8个三维块体概化为平面滑动计算，各三维块体的组合情况见表1，其中3个较大块体的三维模型如图3。

图3 三个较大块体(ZKT1、ZKT5和ZKT8)的三维模型

平面刚体极限平衡计算采用《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T 5353-2006)推荐的摩根斯坦-普莱斯法，该方法为下限解法，既考虑力矩平衡又考虑力平衡，属于严格解法[8、9]。

表1 f27块体群组合情况

3.3 计算参数取值

块体结构面参数经试验、类比、反演等综合确定，取值如表2。

表2组成块体结构面参数

3.4 平面稳定分析结果

任何边坡的计算结果均与所选的参数、模型直接相关。由于在2018年5月14日(块体变形监测数据突变日期)前已实施了部分原设计的系统锚索，因此，在进行上述的参数反演时，是以部分锚索已加固的状态为基准，并取保守的现状安全系数0.98～0.99进行的，因此再计算“天然”的安全系数已无实际意义。下述的安全系数均是在此参数基础上的计算结果。计算表明：在新增锚索等综合措施实施后，蓄水工况各块体的安全系数约在1.69～1.70之间，施工期安全系数约在1.19～1.37之间，水位骤降工况安全系数约在1.52～1.63之间，蓄水+地震工况安全系数约在1.59～1.63之间，均大于相应工况要求的安全系数。

3.5 其他稳定分析方法及结果

除二维平面极限平衡分析外，还采用三维极限平衡法和3DEC离散元法进行了稳定复核及块体开挖加固响应模拟。三维极限平衡分析表明，在考虑三维效应的情况下，各块体的安全系数均有较大的提高，即使在f27断层参数下浮10%的情况下，各块体的安全系数仍能满足规范要求。

3DEC离散元法主要对边坡的开挖变形及加固响应特征进行了分析，主要结论：边坡在高程2102m～2030m开挖时段，f27断层未在临空面出露，坡体主要表现为卸荷回弹；边坡在高程2030m～2000m开挖时段，边坡中上部上游部位(三面临空的凸出部位)外侧变形较内侧明显，变形量一般在6mm～12mm，呈现“外大内小的渐变式”变形特征，该特征的宏观表现即为块体顶部沿f27、f15-4、f15-1、J345等断层的有规律开裂现象；边坡在高程2000m～1947m开挖时段，随着加固支护的实施，边坡安全系数将得到有效提升，卸荷与加固的综合作用块体虽仍有变形，但块体顶部变形量及速率明显降低，变形增量一般在2mm～4mm左右，表明支护施工会起到较好的加固作用[10]。

4 f27块体群的加固

根据以上分析，EPC设计方提出了以锚索锚固为主、以局部马道高程抬高、勘探洞回填及监测的综合处理方案[11]。具体有：

(1)在高程2000.00m～2101.57m边坡增加5排2000kN预应力锚索、10排3000kN预应力锚索，共增加2000kN锚索94束，3000kN锚索243束；在高程1980m～2000m边坡增加3排共32束2000kN预应力锚索、102束3φ32锚筋桩以进一步“固脚”。边坡加固支护典型剖面见图4。

(2)为减小f27断层在坡脚出露的不利影响，并在f27下部开挖出露前为支护施工创造时机，将拱肩槽上游边坡1970m马道抬高到1980m。

(3)将勘探洞PD15、PD35、PD13、PD21采用钢筋混凝土回填，形成抗剪洞。

(4)针对f27块体群，布设增多点位移计12只，锚索测力计19只，锚杆测力计5只，表观测缝计(点)18个。

(5)提出并执行了严格的施工程序。为满足施工期稳定要求，在新增的2000kN锚索施工完成后，对新增的3000kN锚索分两期施工，高程2005.00m、2010.00m、2014.50m、2018.50m、2058.00m、2062.50m、2082.50m、2095.00m、2092.50m、2091.50m位置的8排3000kN锚索为一期，高程2022.50m、2026.50m位置的2排3000kN锚索为二期。在完成一期锚索施工的情况下，左岸拱肩槽2000m高程以下边坡才继续下挖施工。优化调整爆破参数和爆破梯段，减小了对2000m高程以上边坡的扰动。

(6)提出施工安全警戒值及风险防范措施。安全警戒值见表3。

表3边坡位移速率、累积变形量与警戒要求管理标准控制[12]

根据警戒等级，制定了详细的应急处置措施，包括岗哨设置、巡视、警报、撤离道路、安全区、上报流程、人员组织等。并进行了培训及演练，加强了施工人员的安全意识，稳定了队伍的心态。

5 加固效果监测及后评估

f27块体群开挖支护主要的监测成果表明：

(1)表观监测。块体顶部平台测缝计实测最大开合度2.13mm，周变化量介于0mm～0.01mm。高程2075m探洞测缝计实测最大开合度7.98mm，周变化量介于-0.01mm～0.09mm。勘探洞测缝计的变化见图5。

(2)多点位移计监测情况。块体高程2005m多点位移计Mbj-3-1实测最大位移量23.55mm，典型曲线如图6所示。其他多点位移计数值均小于此值。

(3)锚索测力计监测情况。左岸拱肩槽边坡100t锚索荷载变化量介于-20.09kN～4.04kN，实测荷载介于1009.01kN～1142.86kN；200t锚索荷载变化量介于-16.96kN～37.86kN，实测荷载介于1967.96kN～2209.19kN；300t锚索荷载变化量介于-66.11kN～-1.68kN，实测荷载介于2631.11kN～3388.07kN；各测点荷载损失率介于-8.65%～8.21%。锚索测力计监测典型曲线如图7所示。

图5 地质探洞测缝计监测曲线

图6 多点位移计监测曲线

图7 锚索测力计监测曲线

从边坡测缝计、多点位移计及锚索测力计变形监测成果来看，随着支护措施的实施，边坡变形逐步趋于收敛稳定。截止2018年10月30日，坝基开挖已经结束，大坝开始首仓凝混土浇筑。

6 结语

杨房沟左岸坝肩f27块体群的出现及发展，给杨房沟水电站的建设带来了极大的工程难题。得益于EPC建设模式的责权清晰、决策迅速等优点，EPC方迅速制定了以锚固为主的综合加固处理方案，并在施工方提前精心准备、高效优质施工的情况下完成了加固工程，确保了边坡的稳定、基坑的开挖及大坝混凝土的浇筑。EPC模式对重大地质缺陷处理的探索应用，可为类似工程提供有益的借鉴。