沈 玲 張懷芝

某水電站位于四川省甘孜藏族自治州境內(nèi)的大渡河干流上，工程等別為二等，工程規(guī)模為大（2）型；水庫(kù)正常蓄水位2 078 m，總庫(kù)容為2.181 億m3，正常蓄水位以下庫(kù)容1.973 億m3，電站裝機(jī)容量720 MW。水電站樞紐建筑物主要由攔河壩、溢洪道、泄洪放空洞、輸水系統(tǒng)、地下廠房等組成。大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高97 m。地震基本烈度Ⅶ度。

本工程混凝土骨料和壩體填筑料均開采于俄魯石料場(chǎng)，該料場(chǎng)位于壩體上游約700 m 處，長(zhǎng)約750 m，寬約430 m，分布高程2 030～2 560 m，坡度35°～60°，表部植被不發(fā)育，料場(chǎng)巖性分別為大理巖、片麻巖、石英巖及少量二云石英片巖。料場(chǎng)規(guī)劃開采量758 萬(wàn)m3，規(guī)劃開采高程為2 045～2 255 m，最大開挖邊坡210 m，開挖邊坡綜合坡比1∶0.5，開挖的后緣和兩側(cè)邊坡走向分別為NE48°和NW318°。由于該料場(chǎng)距離大壩較近，且規(guī)劃開采高程低于正常蓄水位達(dá)33 m，為確保大壩的安全運(yùn)行，對(duì)該高邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究是非常必要的。

1 工程地質(zhì)概況

俄魯石料場(chǎng)出露地層巖性主要為地層為泥盆系危關(guān)群第四巖組（Dwg4）：分別為大理巖、片麻巖、石英巖及少量二云石英片巖，性狀與壩址區(qū)相同。在山體表部及沖溝內(nèi)分布有厚0.5～10 m 的崩、坡積碎塊石土，碎塊石成分為大理巖、石英巖、片麻巖，塊碎石含量大于50%，直徑一般為50～100 cm，個(gè)別直徑大于2 m，土為灰黃色粉土。料場(chǎng)內(nèi)出露F51、F52、F53 和F54 四個(gè)斷層。

強(qiáng)風(fēng)化帶垂直厚度一般0～10 m，弱風(fēng)化帶垂直厚度一般50～100 m，水平厚度一般50～100 m。強(qiáng)卸荷水平厚度一般5～10 m。在二云石英片巖中卸荷、風(fēng)化深度加大。自然邊坡穩(wěn)定，地下水埋藏較深。

2 邊坡級(jí)別的確定

根據(jù)水工樞紐布置情況及DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，俄魯石料場(chǎng)位于壩址上游右岸約700 m 處，靠近工程樞紐區(qū)，且料場(chǎng)規(guī)劃開采的底高程低于水庫(kù)正常蓄水位，料場(chǎng)邊坡失穩(wěn)后產(chǎn)生危害性涌浪可危及大壩（1 級(jí)建筑物）的安全，故俄魯石料場(chǎng)邊坡屬B 類水庫(kù)邊坡，安全級(jí)別為Ⅰ級(jí)，確定安全系數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 荷載組合及安全系數(shù)

3 邊坡失穩(wěn)模式分析

料場(chǎng)開挖的后緣及上、下游側(cè)邊坡走向分別為NE48°、NW300°和NW355°，平均綜合開挖坡比1∶0.5。巖 層 產(chǎn) 狀NW340°～350°NE∠40°～65°，后緣邊坡巖層走向與邊坡夾角為68°～58°，為大角度相交，則后緣邊坡滑動(dòng)的可能性較小；上游側(cè)邊坡與巖層走向夾角為40°～50°，也為大角度相交，則上游側(cè)邊坡滑動(dòng)的可能性較??；下游側(cè)邊坡與巖層走向夾角為5°～15°，且下游側(cè)邊坡巖層傾角略小于邊坡傾角，因此，存在以巖層面為底滑面滑動(dòng)的可能性。

斷層F52 較短，料場(chǎng)開采時(shí)已基本挖除。斷層F51、F53 穿過石料場(chǎng)規(guī)劃開采的后緣邊坡，與后緣邊坡夾角為40°～43°，為大角度相交，發(fā)生平面滑動(dòng)的可能性較小。F54 斷層產(chǎn)狀為NW325°NE∠45°，穿過石料規(guī)劃開采的下游側(cè)邊坡，走向與下游側(cè)開采邊坡夾角為30°，傾向邊坡外側(cè)，因此，存在以F54 為底滑面滑動(dòng)的可能性。

分析巖層結(jié)構(gòu)面與斷層F54 結(jié)構(gòu)面，得到其交線走向?yàn)镹W300°、傾角42°，與下游側(cè)邊坡走向的夾角為55°，夾角較大，不會(huì)形成楔形體滑動(dòng)。

4 基本資料

4.1 EMU基本原理

EMU(Energy MethodUpper Bound Limit Analysis)由中國(guó)水利水電科學(xué)研究院研制，是將塑性力學(xué)的上限定理運(yùn)用到邊坡穩(wěn)定分析領(lǐng)域，即邊坡穩(wěn)定分析的能量法。這種方法將滑動(dòng)巖（土）體劃分為一種多塊體模式，然后基于摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則及相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，構(gòu)造一個(gè)協(xié)調(diào)位移場(chǎng)，根據(jù)虛功原理，求出邊坡安全系數(shù)的上限，用于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定分析。

4.2 計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)本工程地質(zhì)勘探試驗(yàn)，俄魯石料場(chǎng)巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 俄魯石料場(chǎng)巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

俄魯石料場(chǎng)巖石裂隙較為發(fā)育，而裂隙巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)的合理取值對(duì)整個(gè)邊坡穩(wěn)定性分析起著至關(guān)重要的作用。結(jié)合本工程實(shí)際地質(zhì)情況，計(jì)算參數(shù)選取主要考慮結(jié)構(gòu)面以及非貫通斷續(xù)結(jié)構(gòu)面（裂隙面）的連通率對(duì)巖體強(qiáng)度的影響，計(jì)算方法見式（1）和式（2）。

式中 Cj、fj——裂隙面的凝聚力與摩擦系數(shù)；

C、f——巖體的凝聚力與摩擦系數(shù)；

K——裂隙的連通率。

在本文料場(chǎng)開挖邊坡分析計(jì)算中，偏于安全角度考慮，俄魯石料場(chǎng)的巖體強(qiáng)度采取整體折減，利用飽和抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)，得到折減后的各巖體力學(xué)指標(biāo)見表3，各工況計(jì)算均采用表3 的數(shù)值。

表3 考慮裂隙后俄魯石料場(chǎng)巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

4.3 計(jì)算工況及荷載組合

根據(jù)DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，結(jié)合俄魯石料場(chǎng)特性，按下列工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.3.1 施工期

4.3.1.1 施工期持久工況

俄魯石料場(chǎng)地下水埋藏較深，在2 020 m 高程以下，均處在規(guī)劃開挖底高程以下，因此施工期持久工況時(shí)不考慮地下水作用。不考慮岸坡外水壓力，本工況主要考慮自重作用。

4.3.1.2 施工期降雨工況

主要考慮施工期暴雨或久雨工況，采用孔壓系數(shù)法，孔壓系數(shù)按0.1 考慮。

4.3.1.3 施工期地震工況

采用基本烈度作為設(shè)計(jì)烈度為Ⅶ度，水平向地震加速度為0.1g。采用擬靜力法考慮地震力作用，并同時(shí)考慮水平和豎向地震力。根據(jù)DL 5073—2000《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，水平地震力系數(shù)取0.025 和豎直地震力系數(shù)取0.016 7。

4.3.2 運(yùn)行期

4.3.2.1 運(yùn)行期持久工況

主要為邊坡正常運(yùn)用工況，此時(shí)采用基本組合設(shè)計(jì)，為自重+岸坡外水壓力+地下水壓力。

4.3.2.2 運(yùn)行期降雨工況

主要考慮運(yùn)行期暴雨或久雨工況，此時(shí)應(yīng)用基本組合設(shè)計(jì)；采用孔壓系數(shù)法，孔壓系數(shù)按0.1考慮。

4.3.2.3 運(yùn)行期地震工況

主要為運(yùn)行期水庫(kù)放空時(shí)遭遇地震情況，此時(shí)應(yīng)采用偶然組合設(shè)計(jì)。

4.4 計(jì)算剖面

根據(jù)本文邊坡失穩(wěn)模式分析，選擇俄魯石料場(chǎng)規(guī)劃開采的下游側(cè)邊坡為計(jì)算對(duì)象，計(jì)算剖面如圖1 所示。

圖1 計(jì)算剖面

5 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算及分析

存在兩種失穩(wěn)模式，分別為：（1）邊坡以F54斷層為底滑面，在后緣邊坡巖體內(nèi)自動(dòng)搜索得到后緣滑動(dòng)面；（2）邊坡以巖層結(jié)構(gòu)面為底滑面，在后緣邊坡巖體內(nèi)自動(dòng)搜索得到后緣滑動(dòng)面。失穩(wěn)模式簡(jiǎn)圖如圖2、3 所示。

圖2 失穩(wěn)模式①

圖3 失穩(wěn)模式②

采用EMU 程序，邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 各工況邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

從以上分析結(jié)果可知，俄魯石料場(chǎng)開挖邊坡整體穩(wěn)定性較好，在各種工況下計(jì)算得到的不同破壞模式下的完全系數(shù)均高于規(guī)范要求，發(fā)生較大規(guī)模的滑動(dòng)破壞的可能性較小。

6 邊坡支護(hù)建議

從開挖邊坡失穩(wěn)模式和計(jì)算結(jié)果分析看，俄魯石料場(chǎng)開挖邊坡（綜合邊比1∶0.5）可以整體穩(wěn)定，滿足規(guī)范要求的安全系數(shù)的要求。

考慮到實(shí)際施工過程中，邊坡地質(zhì)情況的多變性，結(jié)合上述計(jì)算成果并參照類似工程，對(duì)俄魯石料場(chǎng)開采邊坡有針對(duì)性的采取支護(hù)，其措施如：（1）料場(chǎng)開挖邊線附近及料場(chǎng)邊坡馬道需設(shè)置排(截)水溝；（2）料場(chǎng)開采坡面均布設(shè)排水孔，孔深4 m，孔間距4 m×4 m；（3）根據(jù)地質(zhì)情況，設(shè)置隨機(jī)錨桿和錨索。對(duì)局部楔形體破壞采用隨機(jī)錨桿和隨機(jī)錨索組合的支護(hù)方式進(jìn)行局部加固；（4）料場(chǎng)邊坡開挖完成后，強(qiáng)卸荷巖體開挖面以及巖體比較破碎的開挖面應(yīng)采用系統(tǒng)錨噴支護(hù)。