曾曉波， 彭森良

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 云南 昆明 650000)

1 工程地質(zhì)條件概況

滾弄水電站位于緬甸撣邦境內(nèi)，項(xiàng)目裝機(jī)1 400 MW，最大壩高104 m，采用混凝土重力壩型，初擬正常蓄水位高程519 m。

該電站采用壩后式廠房方案，廠房部位開(kāi)挖將在左岸壩肩部位形成高邊坡。由圖1可知，左岸廠房主要開(kāi)挖邊坡在高程404.5 m以上，開(kāi)挖邊坡高度約175 m。

圖1 左岸廠房邊坡典型地質(zhì)剖面

廠房左岸岸坡地質(zhì)條件較復(fù)雜，表部覆蓋層較厚，一般10～15 m，成分多為黏土夾塊石。其中在高程480～560 m范圍分布有B4崩塌堆積體，厚度一般20～40 m，方量約50×104m3，組成成分為塊石、礫石夾黏土。廠房區(qū)域受背斜的影響，邊坡部位的地層巖性分布差異性也比較大。邊坡下部下伏基巖為厚層狀巖屑角礫巖(P1S3-1(a))，巖層走向與邊坡斜交，總體為縱向坡，完整性較好，總體穩(wěn)定性較好；邊坡中上部下伏基巖為鈣質(zhì)細(xì)砂巖(P1S3-1(b))，巖層層面多順坡分布，且順層泥化夾層的存在對(duì)邊坡穩(wěn)定影響較大，為邊坡開(kāi)挖所面臨的主要地層單元。此外，該部位還發(fā)育Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面F15，該斷層主要由斷層泥、碎裂巖及方解石等組成，根據(jù)平洞資料顯示，構(gòu)造帶附近的鈣質(zhì)砂巖泥化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，對(duì)邊坡巖體的穩(wěn)定性影響較大。

P1S3-1(b)砂巖地層層間泥化夾層或泥化現(xiàn)象多在弱上風(fēng)化帶及強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)較為明顯，弱下及微新砂巖內(nèi)此類現(xiàn)象呈減少趨勢(shì)。左岸廠房邊坡開(kāi)挖后，在高程480 m以上邊坡多為弱上風(fēng)化帶，此類泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，對(duì)邊坡穩(wěn)定影響較大；高程480 m以下開(kāi)挖邊坡的巖體多為弱下及微新的砂巖，此類軟弱結(jié)構(gòu)面較少，總體對(duì)開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定影響較小。

根據(jù)廠房左岸山坡完成的3個(gè)平硐資料(即PD121、PD141和PD123)統(tǒng)計(jì)，廠房左岸邊坡巖體節(jié)理分布規(guī)律性強(qiáng)，主要發(fā)育有兩組節(jié)理(見(jiàn)圖2)，組(Ⅰ)N5°～35°E，NW∠30°～60°；組(Ⅱ)N65°～85°W，SW∠20°～40°。根據(jù)開(kāi)挖邊坡與節(jié)理組的空間分布，兩組節(jié)理走向均與開(kāi)挖邊坡走向交角較小，中緩傾上游或下游偏坡外，視傾角具有順坡向的趨勢(shì)。因此，該兩組節(jié)理對(duì)邊坡穩(wěn)定影響較大。

圖2 左岸廠房邊坡節(jié)理赤平面法線極點(diǎn)投影分布

2 邊坡失穩(wěn)變形判斷

通過(guò)上述的開(kāi)挖邊坡工程地質(zhì)特性和節(jié)理空間發(fā)育特征定性分析，廠房左岸開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定性較為突出。根據(jù)組成邊坡巖、土體特性，結(jié)構(gòu)面發(fā)育及其組合關(guān)系，對(duì)邊坡可能形成失穩(wěn)變形做出如下判斷。

2.1 B4崩塌堆積體松散介質(zhì)邊坡

B4崩塌堆積體厚約20～40 m，上部碎石質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)密實(shí)，下部大塊石、孤石松散架空，邊坡開(kāi)挖后殘余部分穩(wěn)定性極差。松散體內(nèi)部存在產(chǎn)生圓弧形破壞或沿堆積體與基巖面產(chǎn)生滑動(dòng)破壞的可能。

2.2 P1S3-1(b)紫紅色鈣質(zhì)細(xì)砂巖邊坡

該層砂巖順坡分布，緩傾坡外，層間小斷層、擠壓面發(fā)育，泥化現(xiàn)象較為普遍，抗剪強(qiáng)度低，對(duì)邊坡穩(wěn)定較為不利，在其他結(jié)構(gòu)面組合切割下，邊坡沿其產(chǎn)生擠壓變形或失穩(wěn)的可能性較大，應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)。

2.3 P1S3-1(a)巖屑角礫巖邊坡

該層巖屑角礫巖呈厚層～巨厚層狀，巖體完整、塊度大，無(wú)大的不利組合結(jié)構(gòu)面分布，總體穩(wěn)定性良好。局部存在節(jié)理的相互切割，可能存在小規(guī)模的楔形滑塊。

3 邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步對(duì)開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)滾弄水電站左岸廠房邊坡開(kāi)挖設(shè)計(jì)方案(見(jiàn)圖1)，結(jié)合野外工程地質(zhì)平面測(cè)繪及勘探資料的收集整理，對(duì)不同工程部位采用差別化分析，建立合理工況模型，考慮不良地質(zhì)體B4、巖層分布、順層砂巖泥化夾層、斷層、卸荷等在邊坡開(kāi)挖卸荷過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變變化情況，并應(yīng)用強(qiáng)度折減法計(jì)算出邊坡開(kāi)挖卸荷的安全系數(shù)，從而對(duì)邊坡開(kāi)挖卸荷過(guò)程中的穩(wěn)定性做出定量評(píng)價(jià)。地質(zhì)單元計(jì)算本構(gòu)模型采用修正的彈塑性Mohr-Coulomb模型(簡(jiǎn)稱為M-C模型) ，同時(shí)考慮了兩組優(yōu)勢(shì)節(jié)理對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。

3.1 計(jì)算模型的建立

結(jié)合邊坡開(kāi)挖設(shè)計(jì)方案，建立二維有限元計(jì)算模型，考慮到邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算模型如圖3所示。

3.2 地質(zhì)參數(shù)取值

根據(jù)滾弄壩址區(qū)現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)及野外工程地質(zhì)測(cè)繪、勘探成果，擬選定計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖3 廠房開(kāi)挖邊坡有限元計(jì)算模型

表1 廠房邊坡開(kāi)挖穩(wěn)定計(jì)算各地質(zhì)單元計(jì)算參數(shù)

3.3 順坡向節(jié)理及軟弱結(jié)構(gòu)面的考慮

假定節(jié)理組a，其主要節(jié)理面的法向量和切向量分別為naα、taα，其中α=1，2，作為兩個(gè)相互垂直的坐標(biāo)軸。局部壓應(yīng)力及圍繞著節(jié)理面的剪應(yīng)力可表示為：

Pa=-na·σ·na

τaα=na·σ·taα

假定剪應(yīng)力的數(shù)值為：

節(jié)理面上的法向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

εan=na·ε·na

則節(jié)理面上的切向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

γaα=naεtaα+taαεna

采用線性應(yīng)變進(jìn)行彈塑性分解：

dε=dεel+dεpl

若存在多個(gè)節(jié)理面，則假定該節(jié)理面序號(hào)為i，其中i=a代表節(jié)理面，i=b代表巖體材料。則：

當(dāng)所有節(jié)理面在某一點(diǎn)閉合，且?guī)r體材料的彈性行為為線性及各項(xiàng)同性。不同于基于應(yīng)變狀態(tài)判定在每一步迭代過(guò)程中節(jié)理面是否閉合，本計(jì)算中采用基于平面應(yīng)力問(wèn)題的一種方法判定節(jié)理是否張開(kāi)。當(dāng)節(jié)理面上的壓應(yīng)力不大于0時(shí)，該節(jié)理面為張開(kāi)。即：

pa≤0

在這種情況下巖體材料就不存在產(chǎn)生節(jié)理面上的正應(yīng)變彈性剛度，也可能不存在產(chǎn)生沿著節(jié)理面的剪應(yīng)變彈性剛度。因此，節(jié)理面的張開(kāi)在該點(diǎn)將會(huì)產(chǎn)生一種各項(xiàng)異性的彈性響應(yīng)，當(dāng)滿足下式時(shí)，則節(jié)理面為張開(kāi)狀態(tài)。

εan(ps)el≤εanel

式中εanel——為節(jié)理面上的法向彈性應(yīng)變；

εan(ps)el——為節(jié)理面上的切向應(yīng)變。

根據(jù)平面應(yīng)力問(wèn)題方法計(jì)算可得：

式中E——為巖體材料的楊氏模量；

ν——為巖體材料的泊松比。

則有：

σaα=taα·σ·taα

式中σaα——為節(jié)理面上的法向應(yīng)力。

節(jié)理組a的滑動(dòng)破壞面上有：

fa=τa-Pa·tanβa-da=0

式中da——為節(jié)理組a的粘聚力；

βa——為節(jié)理組a的內(nèi)摩擦角。

當(dāng)fa<0時(shí)，則節(jié)理面不發(fā)生滑動(dòng)，當(dāng)fa=0時(shí)，節(jié)理面發(fā)生滑動(dòng)，此時(shí)，節(jié)理組上的非線性應(yīng)變?yōu)椋?/p>

ψa——為節(jié)理組的剪脹角。

其中，當(dāng)節(jié)理面上為純粹的剪切流動(dòng)時(shí)，取ψa=0；若考慮節(jié)理組滑動(dòng)過(guò)程中發(fā)生剪切張開(kāi)，則取ψa>0。

某一節(jié)理組在一點(diǎn)上的剪切滑動(dòng)，將不改變其他節(jié)理組在該點(diǎn)的破壞準(zhǔn)則及剪脹角。因此，每組節(jié)理在同一點(diǎn)上的剪切滑動(dòng)力學(xué)行為是相對(duì)獨(dú)立的。

3.4 計(jì)算工況的模擬及節(jié)理面

根據(jù)滾弄水電站左岸廠房邊坡開(kāi)挖施工方案設(shè)計(jì)，模擬開(kāi)挖工況分9步進(jìn)行，在計(jì)算中對(duì)開(kāi)挖的模擬采用殺死單元的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，每一層開(kāi)挖完成后及時(shí)支護(hù)，對(duì)支護(hù)的模擬簡(jiǎn)化設(shè)置有一定允許位移的邊界條件。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、勘探成果，本計(jì)算主要考慮兩岸有影響的斷層等結(jié)構(gòu)面的組合，兼顧節(jié)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果。假設(shè)廠房邊坡開(kāi)挖后節(jié)理閉合，咬合性能良好，取剪脹角為0進(jìn)行計(jì)算。

3.5 邊坡失穩(wěn)的判定

邊坡失穩(wěn)破壞的判定方法為有限元強(qiáng)度折減法，本計(jì)算采用計(jì)算不收斂方法來(lái)判定，并同時(shí)給出發(fā)生破壞時(shí)的正應(yīng)力、剪應(yīng)力、塑性區(qū)、位移云圖加以說(shuō)明。

3.6 計(jì)算成果分析

結(jié)合上述計(jì)算理論及計(jì)算步驟，得出了有限元計(jì)算成果。圖4給出了邊坡開(kāi)挖完成后計(jì)算模型的正應(yīng)力場(chǎng)、剪應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)及位移場(chǎng)分布。

由圖4、5可以看出，由于設(shè)計(jì)在開(kāi)挖過(guò)程中及時(shí)支護(hù)，整體位移不大，開(kāi)挖“卸荷”對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響小。開(kāi)挖過(guò)程中左岸廠房邊坡B4崩塌體附近(高程523 m附近)，巖體變形相對(duì)較大，局部產(chǎn)生塑性變形，位移約4.7 mm。因此，開(kāi)挖過(guò)程中需及時(shí)支護(hù)，避免產(chǎn)生較大的位移，造成邊坡失穩(wěn)。

計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)取安全系數(shù)K=1.27時(shí)，有限元計(jì)算不收斂，左岸廠房邊坡卸荷產(chǎn)生塑性變形較大，認(rèn)為邊坡失穩(wěn)。因此，采用強(qiáng)度折減法得出的安全系數(shù)取為1.27。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果的分析，由有限元強(qiáng)度折減法得出的壩肩邊坡削坡的安全穩(wěn)定系數(shù)為K=1.27，考慮到一定的安全儲(chǔ)備，該值較小，建議邊坡開(kāi)挖過(guò)程中務(wù)必做到及時(shí)監(jiān)測(cè)、及時(shí)支護(hù)，盡量避免造成邊坡失穩(wěn)。同時(shí)，B4崩塌體部位對(duì)邊坡穩(wěn)定影響較大，建議在開(kāi)挖過(guò)程中予以足夠重視，除了全部挖除該堆積體外，應(yīng)對(duì)下伏砂巖地層進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)處理，在478 m高程以上設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索加固，防止邊坡沿泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面變形失穩(wěn)。

(a)正應(yīng)力場(chǎng)分布(單位：Pa)

圖5 K=1.27時(shí)第四級(jí)削坡完成后附近位移場(chǎng)分布(單位：m)

4 廠房邊坡開(kāi)挖及支護(hù)處理建議

廠房左岸邊坡復(fù)雜的地質(zhì)條件主要受控于B4崩塌堆積體以及P1S3-1(b)的紫紅色細(xì)砂巖的泥化夾層及軟弱結(jié)構(gòu)面的分布。

B4崩塌堆積體在左岸廠房邊坡開(kāi)挖后已基本挖除。但由于該崩塌堆積體在空間上底界分布存在差異，邊坡開(kāi)挖時(shí)尚有少量殘存，有可能導(dǎo)致滑塌或圓弧形滑動(dòng)。因此現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖過(guò)程針對(duì)B4崩塌堆積體的空間分布特征應(yīng)全部清除。

P1S3-1(a)的巖屑角礫巖開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定問(wèn)題不突出。P1S3-1(b)的細(xì)砂巖由于存在順坡的泥化夾層或擠壓帶等軟弱結(jié)構(gòu)面，其力學(xué)強(qiáng)度較低，對(duì)邊坡穩(wěn)定極為不利。因此，根據(jù)左岸山坡的工程地質(zhì)特性，建議在邊坡開(kāi)挖設(shè)計(jì)時(shí)，考慮放緩砂巖地段的開(kāi)挖坡比，對(duì)于底部因開(kāi)挖體型需垂直開(kāi)挖的，其開(kāi)挖臺(tái)階不宜過(guò)高，建議控制在15 m范圍內(nèi)。在開(kāi)挖過(guò)程中，每臺(tái)邊坡開(kāi)挖到位時(shí)，需及時(shí)支護(hù)，包括錨筋樁、長(zhǎng)錨桿以及后續(xù)必要的預(yù)應(yīng)力錨索等。由于砂巖的阻水性能良好，邊坡設(shè)置排水孔時(shí)應(yīng)適當(dāng)加密，確保邊坡地下水的排泄暢通可減輕邊坡變形破壞的風(fēng)險(xiǎn)。