K25溶洞支护设计对乌东德水电站坝肩边坡的影响分析

唐 浩，毕金锋，罗先启，张海涛

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

目前在水电工程中，国内外关于岩溶的研究有较多成果[1-12]，研究内容涉及溶洞的演化规律、溶洞围岩参数研究、溶洞对地下厂房的影响、河床坝基溶洞对大坝及坝肩边坡的影响、溶洞与地下厂房的相互作用、岩溶裂隙防渗等，但是关于坝肩溶洞对坝肩边坡影响的研究文献较少.在一般情况下，尽管坝肩溶洞没有坝基溶洞的危险性大，仍有必要通过计算来分析其危险程度或者验证专家的经验性判断.本文就K25溶洞支护设计方案对坝肩边坡的影响问题，进行了位移、应力、塑性区和稳定性分析.

1 K25大型溶洞概况

乌东德水电站以发电为主，是西电东送骨干电源点之一.坝址所处河段左岸隶属四川省凉山州会东县，右岸隶属云南省昆明市禄劝县.地质勘查发现乌东德拱坝右岸抗力岩体中发育有K25大型溶洞，如图1所示.溶洞呈斜井状，平切面上呈椭圆状.溶洞总体积约36.9万m3，其中坝顶高程988 m以上约18.7万m3，高程988 m以下约18.2万m3.其出露高程约1 090 m，溶洞高程866 m以上规模较大(26.5 m×16 m～73.1 m×37.8 m)，高程866～864 m左右规模明显变小(12 m×6 m)，高程864 m以下主要为规模更小的溶蚀裂隙，高程830 m左右无明显的溶洞洞穴.

根据勘探得到的平洞、钻孔及平洞间地震波CT和钻孔间电磁波CT资料，该处岩溶斜井绝大部分被充填，充填物主要为块石、碎石夹少量粉质黏土或砂，未见明显的地下水活动迹象，为已停止发育的死亡型岩溶洞穴.

1—崩坡积层；2—落雪组第三段第三亚段；3—落雪组第三段第二亚段；4—角砾岩；5—灰岩大块石、碎石夹少量粉土(粉质黏土)；6—黏土夹细砂；7—钙化沉积；8—物质分界线；9—地层分界线；10—断层及编号；11—强弱卸荷线；12—平洞及编号；13—投影平洞及编号；14—钻孔及编号(虚线为投影钻孔)图1 K25岩溶斜井1-1-1工程地质剖面图(坝顶高程988 m)

K25溶洞距右拱端较近，最小直线距离约为27.1 m，具体见表1[13-15].K25溶洞影响溶洞附近岩体的质量，在高程950 m以上，水平面上分布厚6～12 m的裂隙性溶蚀风化带岩体，岩体质量属Ⅳ1级；在高程950～910 m附近，裂隙性溶蚀风化上带岩体分布厚7～14 m的岩体质量亦属Ⅳ1级；在高程910 m以下，K25洞壁周边局部存在裂隙性溶蚀风化下带岩体，水平面上局部分布厚1～9 m的岩体质量亦属Ⅲ2级，受溶蚀影响岩体的黏聚力大约是未受溶蚀影响同岩性岩体的0.4～0.5倍.此外，溶洞洞内填充物的黏聚力数量级为104～105Pa，而未受溶蚀影响岩体黏聚力数量级为106Pa.因此，K25溶洞对坝肩边坡的安全存在潜在的威胁.

表1 K25溶洞拱坝右端的位置关系

2 K25溶洞支护设计

K25溶洞支护设计主要包含混凝土支挡结构、围岩固结灌浆和系统锚杆、溶洞纵向剖面和典型水平剖面的支护等，如图2、图3所示.

对溶洞“颈缩段”，自下而上分层开挖拱梁洞，每开挖一层浇筑一圈混凝土拱梁，依次完成各层混凝土拱梁浇筑，形成拱形支挡结构.在拱形支挡结构以下溶洞充填物开挖前，对溶洞穹顶进行加固支护.在拱形支挡结构施工完成后，自上而下分层开挖支挡结构以下的溶洞充填物，同时进行围岩固结灌浆.

图2 K25溶洞纵向剖面系统锚杆支护图

图3 K25溶洞880 m高程剖面系统锚杆支护图

在溶洞穹顶和洞壁倒悬部位设系统锚杆，而在底部洞壁非倒悬缓坡段不设系统锚杆，并根据溶洞周围岩体情况做随机支护处理.锚杆均为普通砂浆锚杆，长度大于6.0 m的锚杆安装采用先插锚杆后注浆的程序.施工砂浆度等级为M25，Φ25锚杆钻孔孔径为56 mm，Φ28锚杆钻孔孔径为65 mm，所有锚杆长度均含出露段长度.

另外，后期兼做浅表固结灌浆孔，施工中应合理安排施工程序分层开挖并及时支护，保证洞周围岩体稳定及施工安全.对遇溶蚀风化严重部位，局部增加随机锚杆、锚筋桩、主动柔性防护网等.

3 坝肩边坡三维计算模型

3.1 模型范围与计算网格

利用坝区等高线图、横河向断面图、顺河向断面图和高程平切图[16-19]，建立乌东德拱坝地质模型，如图4所示.模型顺河向长约1 373.5 m，横河向长约1 793.5 m，上游边界距坝体约554.5 m，下游边界距坝体约819 m，右岸边界距右坝肩顶约916 m，左岸边界距左坝肩约650 m，底部边界距坝体底部约720 m(约是坝高的2.7倍)，顶部边界由四周沿竖直方向延伸与地表交线确定.网格模型见图5，网格最小尺寸5 m,最大尺寸30 m，单元共107.3万个，节点共23.9万个.

3.2 边界条件与计算参数

模型四周施加法向约束，底部施加固定约束,计算参数见表2和表3.

表2 岩体、坝体和F15断层物理力学参数

续表

表3 其他断层物理力学参数

3.3 计算内容

模拟坝肩边坡开挖过程，计算两种工况，即溶洞支护工况、溶洞不支护工况的位移和应力，分析比较两种工况下的总位移分布规律、竖向位移分布规律、顺河向位移分布规律、横河向位移分布规律、主应力分布规律、塑性区分布和安全系数，并据此评价溶洞的支护效果.

共设置37个观察点，以观察坝肩槽不同位置的位移和应力.在左右坝肩槽各布置18个观察点，R1～R18为右岸观察点，L1～L18为左岸观察点,同侧相邻观察点的高程差约15 m；在坝肩槽底部布置1个观察点B1.观察点与建基面的位置关系见图6.

图6 37个观察点的分布

4 计算结果分析

4.1 两种工况下坝肩边坡力学规律对比

4.1.1 两种工况下坝肩边坡位移对比

对37个观察点在两种工况下的横河向位移、顺河向位移、竖向位移和总位移进行分析可知，溶洞支护前后左岸坝肩边坡位移相同，右岸坝肩边坡位移存在微小变动且差值最大为0.3 mm(约是坝肩边坡最大位移的2.6%).因此，溶洞支护后对坝肩边坡的位移影响很小.

两种工况下左岸坝肩边坡位移情况相同、右岸坝肩边坡位移情况有差别，两种工况下坝肩槽底部横河向和顺河向位移相同，竖向位移有差别，整个坝肩边坡的横河向位移相同.溶洞支护下的右岸坝肩边坡上部45 m高度范围内岩体顺河向位移较不支护溶洞工况下的相应位置顺河向位移大于0.1 mm，右岸坝肩边坡其他部位的顺河向位移在两种工况下相同；溶洞支护下的右岸坝肩边坡上部45 m高度范围内竖向位移较不支护溶洞工况下的相应位置竖向位移小0.1～0.3 mm，溶洞支护方案工况下的右岸坝肩边坡其他部位的竖向位移较不支护溶洞工况下的相应位置竖向位移大0.1～0.2 mm；采用溶洞支护方案工况下的右岸坝肩边坡上部45 m高度范围内总位移较不支护溶洞工况下的相应位置总位移小于0～0.3 mm，溶洞支护方案工况下的右岸坝肩边坡其他部位的总位移较不支护溶洞工况下的相应位置总位移大0.1～0.2 mm；溶洞支护方案工况下的坝肩槽底部竖向位移和总位移较不支护溶洞工况下的相应位置竖向位移和总位移都大于0.1 m.

4.1.2 两种工况下坝肩边坡主应力对比

右岸坝肩边坡18个观察点在两种工况下的最大主应力、中主应力和最小主应力对比见图7～9.从图中可知，右岸坝肩边坡18个观察点在两种工况下对应观察点的最大主应力相等、中主应力相等、最小主应力存在微小差别.因此，溶洞支护后对坝肩边坡的应力影响也很小.两种工况下的主应力：右岸坝肩边坡上部5个观察点在两种工况下的最小主应力存在的微小差别量为0.02～0.13 MPa，右岸坝肩边坡最下部1个观察点在两种工况下的最小主应力存在的微小差别量为0.05 MPa，右岸坝肩边坡其余观察点在两种工况下的最小主应力相等.

图7 两种工况下右岸坝肩边坡观察点最大主应力对比

图9 两种工况下右岸坝肩边坡观察点最小主应力对比

左岸坝肩边坡18个观察点在两种工况下的最大主应力、中主应力和最小主应力对比见图10～12.左岸坝肩边坡18个观察点在两种工况下对应观察点的最大主应力相等、中主应力相等、最小主应力存在微小差别，左岸坝肩边坡上部7个观察点(高度范围约105 m)的最小主应力相等，其他观察点的最小主应力存在微小差别.

图10 两种工况下左岸坝肩边坡观察点最大主应力对比

图11 两种工况下左岸坝肩边坡观察点中主应力对比

图12 两种工况下左岸坝肩边坡观察点最小主应力对比

由图7～图12可知，两种工况下坝肩边坡最大主应力和中应力相同，最小主应力存在微小差别且最大差别量的最大值约为0.1 MPa.

4.1.3 两种工况下坝肩边坡塑性区与安全系数对比

1)塑性区与安全系数计算方法.岩体塑性变形按照摩尔-库伦模型[20-25]进行判别.剪切破坏准则和抗拉强度准则的表达式分别为：

(1)

Nφ=(1+sinφ)/(1-sinφ)，

(2)

ft=σ3-σt，

(3)

式中：fs为剪切破坏判断系数，fs为抗拉破坏判断系数，σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，c为黏聚力，φ为内摩擦角，Nφ为与内摩擦角相关的系数，σt为抗拉强度.当fs<0时，岩体发生剪切屈服；当fs>0时，岩体发生拉破坏.

采用强度折减法[26-31]求解整体安全系数.其基本思想是将岩土体剪切参数黏聚力c和内摩擦因数tanφ进行折减，使岩土体进入一种极限状态，将折减系数定义为安全系数.

2)塑性区与安全系数计算结果.两种工况下均未发现明显塑性区，模型整体安全系数均为2.45.这说明边坡开挖后，岩体仍处于弹性状态，完整性仍旧很好.

两种工况下强度折减法计算出的潜在滑动面相同，滑动面在右岸上部而不是左岸，这可能是因为右岸边坡较左岸更加陡峭.

4.2 溶洞支护后坝肩边坡的位移分布规律

坝肩边坡总位移如图13所示.从图中可知，坝肩槽总位移大小范围为6～20 mm;坝肩槽顶部总位移较小,约为6～10 mm;坝肩槽中下部总位移较大，约为10～20 mm.

4.3 溶洞支护后坝肩边坡的应力分布规律

边坡开挖与溶洞支护后的主应力分布见图14、图15.由图可知，坝肩边坡的最大主应力范围为-5～-10 MPa(负值表示压应力，正值表示拉应力)，坝肩边坡的最小主应力范围为-2～1 MPa，而岩体抗拉强度约为4～8.5 MPa，岩体的抗压强度约为40～85 MPa.结合塑性区和安全系数的计算结果可知，整体安全系数为2.45，边坡开挖与溶洞支护后坝肩槽和周围岩体强度储备充足，不存在强度失效问题.

图14 边坡开挖最大主应力分布

图15 边坡开挖最小主应力分布

5 结论

通过K25溶洞支护方案对坝肩边坡的影响研究，比较分析了溶洞支护与溶洞不支护两种情况下的坝肩边坡的位移、应力、塑性区和安全系数，得出以下主要结论：

1)溶洞支护后对坝肩边坡的位移影响很小.两种工况下左岸坝肩边坡位移相同，两种工况下右岸坝肩边坡位移存在微小变动且差值最大为0.3 mm(约是坝肩边坡最大位移的2.6%).

2)溶洞支护后对坝肩边坡的应力影响很小.两种工况下最大主应力和中主应力相等，最小主应力有微小差别且最大差别量的最大值约为0.1 MPa.

3)溶洞支护后对坝肩边坡力学规律的影响很小的原因有二：一是溶洞与拱坝间的岩体质量好，二是坝区其他位置岩体质量好.

4)溶洞支护后坝肩边坡力学规律是：坝肩槽总位移大小范围为6～20 mm，坝肩槽顶部总位移较小，约为6～10 mm，坝肩槽中下部总位移较大，约为10～20 mm；坝肩边坡的最大压应力范围为10 MPa，坝肩边坡的最大拉应力为1 MPa，未发现剪切塑性区，整体安全系数为2.45，坝肩边坡岩体强度储备充足，不存在强度失效问题.