阿尔塔什水利枢纽大坝右岸高边坡W19危岩体稳定分析

秦 国 强

(新疆水利水电勘测设计研究院， 新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

阿尔塔什水利枢纽工程位于叶尔羌河中游河段，西南距新疆莎车县城约130 km，坐标：北纬37°57′20″，东经76°27′25″，见图 1。工程是叶尔羌河干流目前唯一在建的控制性水利枢纽工程，任务集灌溉、发电、防洪和改善生态。水利枢纽建筑物主要包括：拦河大坝、导流洞、发电引水洞、泄洪排沙洞及电站厂房等。水库总库容22.40×108m3，正常蓄水位1 820 m，最大坝高162.8 m，电站装机容量755 MW，年发电量23.32亿kW·h，属大(1)型Ⅰ等工程。

工程具有“三高一深”的特点，即：高坝位于高地震烈度区，大坝右岸高边坡和坝基深厚覆盖层[1-2]。

2 右岸边坡地质条件

阿尔塔什水利枢纽工程大坝段河水水面高程1 667 m，右岸坡顶高程2 250 m，坡高583 m，属超高边坡，高程1 845 m以下坡度为50°～70°，184 5 m以上近似直立(见图 2)，由此造就了大坝右岸边坡工程第1大重难点——边坡高陡。

根据现场对右岸边坡发育的随机结构面进行大量的量测、统计分析，右岸高陡边坡主要发育有以下三组结构面，即产状为NW300°—NE10°∠ 60°～80°的卸荷裂隙，产状为SW230°∠30°～50°的层面与50°～110°∠50°～70°的结构面。这些结构面与倾向NW或NE的边坡临空面相互切割组合，在边坡表面形成了诸多体积大小不等的潜在不稳定块体。这些块体在降雨、地震等情况下可能发生滑塌破坏，直接关系着大量水利枢纽建构筑物以及施工人员的安全。

图1 阿尔塔什水利枢纽地理位置图

图2 阿尔塔什坝址河谷地貌图

本次研究结合水工建筑物的布置，对右岸高边坡中所存在的潜在不稳定体失事所造成的危害大小与损毁建筑物的范围进行了分区与分类(见图 3)，通过对各区的危岩体进行详细的调查与测量，对各区内的危岩体方量进行了估算，本次研究即针对其中规模最大的W19号危岩体。

图3 右岸高陡边坡危岩体分布示意图

3 W19主要特征及失稳模式分析

3.1 主要特征

通过对W19危岩体进行专项调查与测量，得出W19分布高程在1 931 m～2 105 m之间，位于坝肩以上陡坡面，出露面积22 320 m2，厚度在4.0 m～34.0 m之间，平均厚度为11.3 m，总方量25.3万m3。

3.2 失稳模式分析

根据在W19岩体内进行的调查与结构面测量可知，该危岩体属于楔形体失稳破坏模式[3-6]，主要是在右岸高边坡内发育有三组主要的结构面，分别是倾向NW的陡倾角的卸荷裂隙，倾向SW的中缓倾角的层面，另外还有一组垂直边坡表面发育的倾向E/SE的陡倾角的随机结构面，在几组结构面相互组合能够形成可能失稳的楔形体，两个底滑面主要是卸荷裂隙和倾向E/SE的陡倾角结构面(见图 4和图 5)。

图4 下游临空面看W19内发育的卸荷裂隙

图5 上游临空面看W19内发育的卸荷裂隙

4 W19稳定性分析

通过对各种方法适用性进行对比分析，采用三维刚体极限平衡法对W19危岩体的稳定性进行分析评价[7-11]。

4.1 计算工况与计算条件

计算工况选择在天然状况、天然状况考虑降雨和天然状况遭遇地震三种工况条件下的稳定状况。

关于降雨工况对边坡内地下水的考虑。本区域内多年平均降水量51.6 mm，多年平均蒸发量2 244.9 mm，表明区内降雨量稀少，蒸发量大。冬季天气寒冷，最大积雪厚度14 cm。但根据现场调查情况，坝址区降雨时间相对比较集中，且雨季多在每年的5月—7月，且在坝址区上下游山前多见泥石流形成的冲洪积扇地貌以及泥石流对地表侵蚀后形成的冲沟，表明一次极端暴雨的降水量是比较大的。

本次计算对危岩体在降雨工况下底滑面的水压力的处理方式为：假定危岩体不透水，仅在其滑面与后缘面存在地下水。对于单滑面滑移模式，假定滑面上的孔压系数ru=0.1，这里孔压系数的定义公式为：

(1)

式中:rw、rd分别为水与岩石的重度，kN/m3；h与H分别为计算点处的水压力与块体高度，m。初步估计，当ru=0.1时，等价于滑面上的水头h为该点处块体高度H的1/3。

对于地震工况，工程区基本烈度为Ⅷ度，设防烈度取Ⅸ度，工程区基岩50 a超5%概率水平向动峰值加速度0.227g，100 a超2%概率水平向动峰值加速度0.32g[12-14]。

本次研究对阿尔塔什右岸高边坡的危岩体进行稳定性分析时，按100 a超越概率为2%的基岩峰值加速度a=0.320g进行稳定性计算。

《水工建筑物抗震设计规范》[15](SL 51247—2018)建议，采用刚体极限平衡法进行土石坝的抗震稳定计算方法，即通过在每个土条的重心处施加一个水平与竖直向地震力，相应不同的设防烈度，规范规定了其水平向与竖直向的加速度分量。具体的规定如下：

图6 考虑降雨时坡体内地下水及水压力的分布形式

(1) 计算地震作用效应采用拟静力法时，随建筑物高度作用在质点i上水平向地震惯性力代表值采用下式计算：

Fi=ahξGeiαi/g

式中：Fi为作用在质点i上水平向地震惯性力代表值，kN；ah为水平向设计地震加速度代表值，m/s2；ξ为地震作用的效应折减系数，一般取值0.25；Gei为集中于质点i的重力作用标准值，kN；αi为质点i的动态分布系数；g为重力加速度，9.8m/s2。

(2) 进行抗震计算当采用拟静力法时，质点i的动态分布系数αi取值如图7所示，其中αm在设计烈度为7°、8°和9°时，分别取值3.0、2.5和2.0。

图7 系数αi沿高程的分布情况

考虑到危岩体的高度较小，本次计算时在其重心处施加一个沿竖向放大的水平方向的地震加速度，但对竖直向地震加速度不予考虑。

4.2 计算参数

计算时各结构面的力学参数见表1。

表1 不同类型结构面的参数建议值与计算取值

注：岩石重度γ=27 kN/m3。

在本次计算中，对于边坡中发育的陡倾角卸荷裂隙，其抗剪强度参数按张开有充填物的结构面取值，对岩层层面按有泥膜的岩层层面参数取值，参考周边其他类似工程摩擦系数f和黏聚力c(MPa)均取较大值更稳妥，其它结构面的抗剪强度参数按闭合结构面取值。

对于安全系数控制标准取值，据《水利水电工程边坡设计规范》[16](SL 386—2007)，阿尔塔什水利枢纽为大(1)型一等工程，考虑到右岸边坡安全在整个枢纽工程中的重要性，将右岸边坡级别设为I级，在进行稳定性分析计算时，天然状况、正常蓄水位工况下安全系数取值大于1.25，地震工况下安全系数取值大于1.10。

4.3 计算结果

根据对W19危岩体现场调查，该危岩体内卸荷裂隙十分发育，其出露情况见图4、图5。在现场对该区发育的随机结构面进行了大量的量测，统计结果见图8。

图8 危岩体W19分区的结构面统计结果

根据结构面的统计结果，并结合现场调查情况，该区主要发育有以下2组结构面：

(1) J1：5°∠80°，卸荷裂隙。

(2) J2：230°∠30°，层面。

边坡面的产状为0°∠70°，交棱线产状为278.8°∠20.8°。

该危岩体在下游方向临空，其产状为30°∠70°。该分区的失稳模式见图9。从图中可以看出，因J1与J2的交棱线位于滑动区，可能会发生楔体破坏。结构面相互切割形成的块体的空间形状见图10。

图9 危岩体W19区的失稳模式图

图10 由结构面切割形成的危岩体W19空间形状

经计算，该块体的几何参数为：

① 块体体积V=25.3×104m3。

② 块体自重W=717.79×104kN。

③ 底滑面J1面积：22 127 m2。

④ 底滑面J2面积：5 468.2 m2。

在进行稳定性分析时，卸荷裂隙参数按“张开有充填物的卸荷裂隙”的参数取值，层面按“有泥膜的岩层层面”的参数取值，表2列出了该块体各工况下的稳定分析成果。

表2 危岩体W19各工况下的稳定分析成果

4.4 敏感性分析

考虑到W19危岩体的重要性，此小节对卸荷裂隙的倾向作敏感性分析[17]。

根据现场结构面的量测结果，W19发育的卸荷裂隙的产状NW330°—NE20°∠50°～80°，而边坡面的平均产状为0°∠70°。这表明随着卸荷裂隙的产状由NW向NE方向过渡时，与层面的交棱线方向在上游方向由走向山里逐渐向临空面过渡。受地形的限制，若要使卸荷裂隙与层面相互组合在边坡面上形成可动块体，卸荷裂隙与层面的交棱线在上下游方向与边坡面存在交点。此外，当卸荷裂隙的倾向由NW向NE向过渡时，其与层面的交棱线的倾角逐渐变缓，同时所形成的块体体积也逐渐变大。

(1) 卸荷裂隙的产状为350°∠80°，层面产状为220°∠50°，交棱线产状268.07°∠38.53°。

图11为由结构面切割形成的块体的空间形状。该块体的几何参数为：

① 块体体积V=2.34×104m3。

② 块体自重W=63.44×104kN。

③ 侧滑面(卸荷裂隙J1)的面积：5 811.4 m2。

④ 底滑面(层面J2)的面积：879.67 m2。

表3列出了相应的计算结果。

表3 卸荷裂隙产状为350°∠80°时危岩体W19各工况下的稳定分析成果

注：考虑极端降雨工况时，受侧滑面扬压力作用，块体将脱离侧滑面沿层面单面滑动。

(2) 卸荷裂隙产状为0°∠80°，层面产状为220°∠50°，交棱线产状276.64°∠33.24°。

图12为由结构面切割形成的空间块体形状，该块体的几何参数为：

图11 卸荷裂隙产状为350°∠80°时切割形成的块体的空间形状

① 块体体积V=12.69×104m3。

② 块体自重W=342.89×104kN。

③ 侧滑面(卸荷裂隙J1)的面积为：15 383 m2。

④ 底滑面(层面J2)的面积为：2 904 m2。

表4列出了相应的计算结果。

表4 卸荷裂隙产状为0°∠80°时危岩体W19各工况下的稳定分析成果

注：考虑极端降雨工况时，受侧滑面扬压力作用，块体将脱离侧滑面沿层面单面滑动。

图12 卸荷裂隙产状为0°∠80°时切割形成的块体的空间形状

5 结 论

采用三维刚体极限平衡法对阿尔塔什右岸边坡表面分布的危岩体W19进行了稳定性分析研究，结果表明：

(1) 危岩体W19岩层层面倾向坡里(层面产状为230°∠30°)，且走向与边坡走向基本平行，而卸荷裂隙倾向坡外(卸荷裂隙产状为5°∠80°)，且走向与边坡面基本平行(边坡面产状为0°∠70°)，这一特定的组合模式导致了交棱线倾向上游且倾角相对较缓，从而使的楔体的稳定性较好，在不同工况下的稳定安全系数均满足规范要求。

(2) 卸荷裂隙产状为350°∠80°，层面产状为220°∠50°和卸荷裂隙产状为0°∠80°，层面产状为220°∠50°在极端降雨工况时，受侧滑面扬压力作用，块体将脱离侧滑面沿层面单面滑动，滑动块体体积分别为2.34×104m3和12.69×104m3，需尽量清除表面危岩孤石，然后采用锚杆结合主被动柔性防护技术以及锚索结合框格梁进行支护。