劉 永 波，　黃 亞 奇，　蒙 富 強(qiáng)

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都　610072)

長(zhǎng)河壩水電站泄洪洞出口邊坡穩(wěn)定性分析

劉 永 波，黃 亞 奇，蒙 富 強(qiáng)

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：長(zhǎng)河壩水電站泄洪洞出口位于大渡河右岸砂場(chǎng)溝附近，出口邊坡巖體強(qiáng)卸荷、順坡裂隙發(fā)育。通過地質(zhì)宏觀判斷和赤平投影分析得知，受順坡裂隙與其他結(jié)構(gòu)面組合影響，坡面呈現(xiàn)臺(tái)階狀地貌，局部邊坡在天然狀態(tài)下處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，開挖后易產(chǎn)生滑移拉裂和傾倒拉裂破壞。通過計(jì)算分析，其結(jié)果與邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀基本一致，表明計(jì)算所用參數(shù)合理。在邊坡開挖施工后或在偶然工況下處于失穩(wěn)狀態(tài)，經(jīng)過采取后續(xù)支護(hù)加固施工措施及其監(jiān)測(cè)，該邊坡整體穩(wěn)定，僅局部產(chǎn)生掉塊和塌方。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)河壩水電站；地質(zhì)宏觀判斷；赤平投影；臺(tái)階狀地貌；穩(wěn)定性計(jì)算；監(jiān)測(cè)

1概述

長(zhǎng)河壩水電站是以單一發(fā)電為主的大型水庫電站。采用水庫大壩、首部式地下引水發(fā)電系統(tǒng)。攔河大壩最大壩高為240 m，電站總裝機(jī)容量為

2 600 MW，水庫正常蓄水位高程1 690 m，正常蓄水位以下庫容為10.15億m3，總庫容為10.75億m3。

長(zhǎng)河壩水電站泄水建筑物由三條泄洪洞、一條放空洞組成，布置在右岸山體內(nèi)。三條泄洪洞從左至右依次為1#泄洪洞、2#泄洪洞和3#泄洪洞，三條泄洪洞平行布置，洞軸線方位角均為N13°3′7″E，水平間距60 m。放空洞布置在3#泄洪洞右側(cè)，洞軸線方位角為N11°26′57″E，與3#泄洪洞軸線間距為80～115 m。

泄洪洞出口邊坡高陡，工程邊坡最高約300 m且地震烈度高，邊坡的穩(wěn)定安全至關(guān)重要。筆者根據(jù)該區(qū)域地形地質(zhì)條件，對(duì)出口區(qū)邊坡進(jìn)行了宏觀地質(zhì)判斷，采用赤平投影法、Morgenstern- Price(M-P)法分析其穩(wěn)定性，反演確定結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合相應(yīng)的監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行了驗(yàn)證。

2基本地質(zhì)條件

泄洪洞出口位于大渡河右岸，1#泄洪洞出口位于砂場(chǎng)溝上游200 m處，該區(qū)位于河流的凹岸，地形坡度為40°～59°。2#泄洪洞出口位于砂場(chǎng)溝上游側(cè)約65 m處，砂場(chǎng)溝垂直大渡河且呈NW向發(fā)育，坡度41°～46°。3#泄洪洞出口位于砂場(chǎng)溝下游約25 m處，該段斜坡在高程1 700 m以下為陡壁，地形坡度為66°～78°。

泄洪洞出口邊坡基巖裸露，巖性主要為晉寧～澄江期灰色中?；◢弾r(γ2(4))，局部穿插輝綠巖脈(βu)。該部位無區(qū)域性斷裂通過，地質(zhì)構(gòu)造以次級(jí)小斷層、擠壓破碎帶、節(jié)理裂隙(或裂隙密集帶)、巖脈(輝綠巖、石英脈)為特征。根據(jù)勘探平洞和地質(zhì)調(diào)查資料，邊坡下部巖體強(qiáng)卸荷深度為16.5～27 m，弱卸荷深度為42.5～60.5 m，無控制性軟弱結(jié)構(gòu)面分布。地下水主要為基巖裂隙潛水，受地表降水補(bǔ)給向河床排泄，分布于裂隙巖體和斷層帶附近，受斷層或巖脈阻水而局部富集。

巖體中主要發(fā)育J7、J1、J5、J6、J8等組裂隙，邊坡巖體呈塊裂結(jié)構(gòu)，局部呈次塊狀～鑲嵌結(jié)構(gòu)。

3穩(wěn)定性分析與計(jì)算

3.1宏觀地質(zhì)判斷

根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪和前期勘探資料，對(duì)泄洪洞出口區(qū)邊坡進(jìn)行了宏觀地質(zhì)判斷，認(rèn)為其穩(wěn)定性主要受順坡緩傾角裂隙J1控制，其變形破壞模式主要有：

(1)臺(tái)階狀滑移拉裂破壞。

在泄洪洞出口上游側(cè)可見兩級(jí)較明顯的緩坡。由于J1組裂隙緩傾上游偏坡外，且因河流轉(zhuǎn)彎而形成側(cè)向臨空，以其為底滑面、J7組裂隙為后緣面、J5組裂隙為側(cè)向切割面發(fā)生滑移拉裂破壞形成臺(tái)階狀邊坡。

(2)局部脫落。

邊坡還發(fā)育局部塊體脫落破壞。脫落體的主要結(jié)構(gòu)面相互切割、組合形成組合完備塊體，該區(qū)主要由J7、J6、J5三組裂隙切割而成 。

3.2赤平投影分析

根據(jù)出口邊坡開挖布置和邊坡結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況，對(duì)邊坡進(jìn)行了赤平投影分析：

(1)1#泄洪洞邊坡內(nèi)側(cè)開挖坡面走向N13°E，該段主要發(fā)育J1、J5、J6、J8四組結(jié)構(gòu)面(表1)。根據(jù)赤平投影圖(圖1)分析得知，內(nèi)側(cè)邊坡的局部穩(wěn)定性如下：

表1　裂隙統(tǒng)計(jì)表

圖1　內(nèi)側(cè)邊坡赤平投影圖

對(duì)于由J1、J8、J5三組裂隙切割形成的不穩(wěn)定塊體，其J1組裂隙與坡面近似平行，傾角35°，緩于開挖坡角，易沿該組裂隙產(chǎn)生滑移拉裂破壞；而J5組及J8組裂隙組合構(gòu)成楔形拉裂體。

(2)2#、3#泄洪洞內(nèi)側(cè)開挖邊坡走向?yàn)镹12°E。主要發(fā)育J7、J1、J5、J6、J8五組裂隙(表2)。根據(jù)赤平投影圖(圖2)，內(nèi)側(cè)邊坡(下游側(cè))的局部穩(wěn)定性狀況見表2。

(1)由于J7組長(zhǎng)大陡傾角裂隙與開挖坡面走向近于一致，因此，開挖邊坡可能沿該組裂隙發(fā)生傾倒拉裂破壞。

(2)J1為滑移面，J7為后緣拉裂面，J5為側(cè)向切割面，且因J1組裂隙傾角為35°左右，緩于坡角，故J7、J5、J1三組裂隙所形成的塊體可向臨空方向發(fā)生滑移拉裂破壞。

表2　裂隙統(tǒng)計(jì)表

圖2　內(nèi)側(cè)邊坡赤平投影圖

宏觀地質(zhì)判斷和赤平投影分析結(jié)果表明：砂場(chǎng)溝上游泄洪出口自然邊坡坡度受J1裂隙控制，J1裂隙緩傾坡外、偏下游，受其影響形成臺(tái)階面，其與砂場(chǎng)溝下游側(cè)未見的J1裂隙發(fā)育形成的臺(tái)階面共同作用使局部天然邊坡處于臨界狀態(tài)。邊坡開挖后，受裂隙組合切割影響，形成不穩(wěn)定塊體，易產(chǎn)生沿J1結(jié)構(gòu)面的滑移拉裂破壞和沿J7結(jié)構(gòu)面的傾倒拉裂破壞。

3.3力學(xué)參數(shù)反演分析

根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5353-2006)中的相關(guān)規(guī)定，采用Morgenstern- Price(M-P)法對(duì)泄洪洞出口邊坡進(jìn)行了二維穩(wěn)定性計(jì)算，反演確定了結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算軟件為美國(guó)GEO-SLOPE公司出品的Geostudio2007軟件。

(1)邊坡滑動(dòng)模式。

從地質(zhì)調(diào)查情況看，出口邊坡的穩(wěn)定性主要受緩傾坡外的裂隙J1控制，因此而選取了典型剖面(J1-1剖面和J1-2剖面)進(jìn)行計(jì)算分析。J1-1剖面和J1-2剖面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與計(jì)算模型見圖3～6(J1組裂隙在泄洪洞出口邊坡以5～10 m間距發(fā)育，結(jié)合開挖坡比選擇有代表性的兩條J1-1、J1-2作為底滑面進(jìn)行計(jì)算分析)。

圖3　出口邊坡J1裂隙工程地質(zhì)剖面圖

圖4　J1-1計(jì)算模型圖

圖5　出口邊坡J1-1剖面計(jì)算模型圖

圖6　出口邊坡J1-2剖面計(jì)算模型圖

(2)地震動(dòng)參數(shù)。

根據(jù)中國(guó)地震局批復(fù)的地震安全性評(píng)價(jià)成果，工程區(qū)場(chǎng)地50 a超越概率10%的基巖水平峰值加速度為172 gal，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。本計(jì)算水平地震加速度取0.15 g。

(3)計(jì)算工況。

根據(jù)規(guī)范要求，穩(wěn)定性計(jì)算工況包括持久狀況、短暫狀況和偶然狀況。其中，持久狀況考慮基本荷載自重；短暫狀況考慮降雨及霧化；偶然狀況為基本組合+地震荷載。

(4)反演計(jì)算成果分析。

在考慮連通率的條件下，結(jié)構(gòu)面參數(shù)f′=0.65，c′=0.15 MPa；巖體強(qiáng)度參數(shù)f′=0.8，c′=0.5 MPa。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及前期反演計(jì)算成果確定結(jié)構(gòu)面連通率取92%，相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)見表3。

表3　出口邊坡穩(wěn)定分析結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)表

天然條件下安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5353-2006)，長(zhǎng)河壩水電站泄洪洞出口邊坡在持久狀況、短暫狀況和偶然狀況下的設(shè)計(jì)安全系數(shù)分別應(yīng)達(dá)到1.25～1.3、1.15～1.2和1.05～1.1。

由上述計(jì)算結(jié)果得出持久狀態(tài)下最小安全系數(shù)為1.17～1.182，偶然狀態(tài)(地震)下安全系數(shù)為1.004～1.102，與邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀基本一致，表明計(jì)算所用參數(shù)是合理的。

表4　天然狀態(tài)下安全系數(shù)計(jì)算成果表

4邊坡監(jiān)測(cè)成果分析

圖7　泄洪洞出口邊坡1-1剖面M46各測(cè)點(diǎn)變形時(shí)間過程線圖

經(jīng)分析研究后確定，將泄洪洞出口邊坡分一期支護(hù)及二期開挖支護(hù)。一期邊坡為自然邊坡，二期邊坡開挖坡比為1：0.25。一、二期邊坡深層支護(hù)布置系統(tǒng)錨索P=1 500～3 000 kN，L=25～50 m，間排距5 m，淺層防護(hù)采用錨噴支護(hù)并布置排水孔。在出口邊坡中監(jiān)測(cè)布置了4條斷面，多點(diǎn)位移計(jì)變形較小，如布置在高程1 605 m處的多點(diǎn)位移計(jì)M46變形時(shí)程曲線(圖7)，變形速率小，處于收斂狀態(tài)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5結(jié)語

(1)宏觀地質(zhì)判斷和赤平投影分析表明：砂場(chǎng)溝上游泄洪洞出口自然邊坡受J1裂隙控制，坡面形成臺(tái)階面，砂場(chǎng)溝下游側(cè)未見J1裂隙發(fā)育形成的臺(tái)階面，局部天然邊坡處于臨界狀態(tài)。邊坡開挖后，受裂隙組合切割影響形成不穩(wěn)定塊體，易產(chǎn)生沿J1裂隙的滑移拉裂破壞和沿J7裂隙傾倒拉裂破壞。

(2)穩(wěn)定性計(jì)算分析表明：泄洪洞出口邊坡在持久狀況下最小安全系數(shù)為1.17～1.182，偶然狀況(地震)下安全系數(shù)為1.004～1.102，與邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀基本一致，表明反演計(jì)算確定的參數(shù)是合理的。

(3)邊坡監(jiān)測(cè)資料顯示：邊坡開挖支護(hù)后，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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劉永波(1981-)， 男，河南許昌人，工程師，學(xué)士，從事水電工程勘察技術(shù)工作；

黃亞奇(1983-)，男，四川遂寧人，工程師，學(xué)士，從事水電工程施工技術(shù)工作；

蒙富強(qiáng)(1980-)，男，廣西百色人，工程師，碩士，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-03-08

文章編號(hào):1001-2184(2015)04-0085-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):P642;TV7;TV221;F642

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