楊 斌， 饒 家 林， 梁 勇， 周 濤， 肖 玉 會

(1.大唐鄉(xiāng)城水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610072；2.四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

1 壩區(qū)工程地質(zhì)概況

古瓦水電站采用混合式開發(fā)，攔河大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩。壩址區(qū)河谷為縱向谷，河谷斷面為較對稱的“V”型谷。兩岸山體雄厚，基巖大多裸露，臨河坡高大于300 m。左岸谷坡自然坡度一般為35°～40°，臨河為20～50 m高的基巖陡崖。右岸高程3 345～3 385 m以上，為順基巖層面形成的斜坡，坡度約42°，以下為高約20～40 m階坎狀基巖陡崖。壩區(qū)地層為三疊系上統(tǒng)拉納山組下段(T311)變質(zhì)砂巖夾板巖，變質(zhì)砂巖單層厚度一般0.5～2.0 m，板巖厚度一般1～5 cm。壩區(qū)為一短軸向斜，向斜核部大致沿河流展布，左岸巖層產(chǎn)狀主要為N20°～30°E/NW∠35°～42°，右岸巖層產(chǎn)狀主要為N30°～40°W/NE∠40°～45°，巖層走向與河流近于平行或小角度斜交。壩區(qū)主要發(fā)育3組節(jié)理，結(jié)構(gòu)面以Ⅳ、Ⅴ級為主，少量Ⅲ級，主要為剛性結(jié)構(gòu)面，深部發(fā)育少量巖塊巖屑型、巖屑夾泥型軟弱結(jié)構(gòu)面。壩址區(qū)巖石風(fēng)化微弱，兩岸巖體強(qiáng)卸荷水平深度一般10～15 m，弱卸荷水平深度一般30～40 m。

2 壩區(qū)邊坡概況

壩區(qū)水工建筑物主要有攔河大壩、左岸取水口、導(dǎo)流防空洞、泄洪洞和右岸溢洪洞。左岸導(dǎo)流洞和防空洞采用龍?zhí)ь^結(jié)合方式，導(dǎo)流洞、放空洞和泄洪洞三洞結(jié)合共用一個(gè)出口，左岸取水口緊鄰導(dǎo)流洞進(jìn)口，左岸泄洪洞緊鄰左岸趾板，右岸溢洪洞緊鄰右岸趾板，因相鄰部位邊坡工程地質(zhì)條件基本相同，故合并取水口和導(dǎo)流(放空)洞進(jìn)口邊坡、左岸趾板和泄洪洞進(jìn)口邊坡、右岸趾板和溢洪洞進(jìn)口邊坡。

壩區(qū)兩岸均為層狀同向結(jié)構(gòu)邊坡，特別是右岸趾板和溢洪洞進(jìn)口邊坡、左岸取水口及上游側(cè)邊坡巖層層面與坡面一致。采用赤平投影法和邊坡巖體質(zhì)量CSMR分類標(biāo)準(zhǔn)，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行初判，邊坡易產(chǎn)生順層滑動，強(qiáng)卸荷帶邊坡穩(wěn)定性差。本文以具典型地質(zhì)特征的取水口邊坡為代表，采用剛體極限平衡法與有限元法，簡述邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。

3 取水口邊坡工程地質(zhì)條件

取水口后坡在高程3 403.2 m為閘門豎井平臺，平臺長74 m，寬30～33 m。平臺內(nèi)側(cè)開挖邊坡高約72 m，開挖坡比1∶0.3。平臺之下為覆蓋層清坡，清坡后邊坡高約98 m。

取水口位于基座階地上，階地臨河高15～20 m，寬70～80 m。階地覆蓋層厚一般30～40 m，為冰水堆積含漂(塊)卵礫石，地表為厚度8～10 m坡積含塊碎礫石土。清理覆蓋層后，后坡為順層巖質(zhì)邊坡，高程約3 360 m以上自然坡度38～43°，以下坡度55～65°。后坡變質(zhì)砂巖單層厚度一般0.5～1.5 m，巖層產(chǎn)狀：N10°～33°E/NW∠35°～44°。巖體中主要發(fā)育3組節(jié)理：①N60°～80°W/NE∠55°～80°，②N50°～70°E/SE∠55°～80°，③近SN～N25°W/NE∠50°～75°，節(jié)理延伸長一般5～10 m，多平直粗糙。

開挖揭示：后坡巖層間主要為硬性結(jié)構(gòu)面，平直粗糙。邊坡巖體風(fēng)化微弱，巖體較完整。強(qiáng)卸荷水平深度約8～12 m，弱卸荷水平深度約40～50 m。

4 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

工程區(qū)兩岸邊坡類型為層狀同向結(jié)構(gòu)邊坡，典型破壞模式為在兩組節(jié)理切割下，與層面組合的塊體發(fā)生順層面的平面滑動，破壞模式清晰。采用剛體極限平衡的平面滑動法和有限元法對邊坡穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算。

4.1 剛體極限平衡法

4.1.1 邊坡分級

邊坡安全系數(shù)允許值根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5353-2006)中規(guī)定，根據(jù)邊坡與建筑物關(guān)系、邊坡工程規(guī)模、工程地質(zhì)條件復(fù)雜程度以及邊坡穩(wěn)定分析的不確定性等因素綜合分析確定。對于失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)大的邊坡，或穩(wěn)定分析中不確定因素較多的邊坡，安全系數(shù)宜取上限值，反之可取下限值。古瓦電站壩區(qū)兩岸基巖邊坡邊界條件較為清晰，失穩(wěn)模式為順層平面滑動，安全系數(shù)可取下限值。古瓦電站取水口邊坡分級及安全系數(shù)允許值見表1。

4.1.2 計(jì)算工況

表1 邊坡分級及安全系數(shù)表

邊坡設(shè)計(jì)工況主要有三種：持久工況、短暫工況、偶然工況，計(jì)算時(shí)按照邊坡在天然狀態(tài)、正常運(yùn)行狀態(tài)、水位驟降、暴雨及地震等各種工況作用下的組合。

4.1.3 巖體物理力學(xué)參數(shù)

施工開挖揭示的壩區(qū)工程地質(zhì)條件與可研報(bào)告基本一致，邊坡穩(wěn)定計(jì)算所需巖體容重、泊松比、變形模量等物理力學(xué)參數(shù)見表2。

4.1.4 結(jié)構(gòu)面參數(shù)確定

可研階段結(jié)構(gòu)面參數(shù)根據(jù)工程類比取值。為準(zhǔn)確了解壩區(qū)層間結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)，施工階段根據(jù)現(xiàn)場大剪試驗(yàn)成果，結(jié)合反演計(jì)算、規(guī)范建議值、相似工程資料類比等綜合分析，確定不同類〗型結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)建議值。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，根據(jù)不同工程部位邊坡級別，結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)條件，在建議值范圍內(nèi)選取。飽水工況及庫區(qū)蓄水時(shí)，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)在計(jì)算時(shí)予以折減。

表2 壩區(qū)巖體物理力學(xué)參數(shù)表

現(xiàn)場大剪試驗(yàn)成果見表3，除少部分試件在剪切試驗(yàn)中未沿結(jié)構(gòu)面破壞，試驗(yàn)成果偏大外，其余試件均沿預(yù)定結(jié)構(gòu)面剪斷。

表3 現(xiàn)場大剪試驗(yàn)成果表

據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(DLT5353-2006)規(guī)定，對變形邊坡和已失穩(wěn)邊坡可以反演確定其滑面力學(xué)參數(shù)，反演時(shí)邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)取值建議：變形邊坡取1.00～1.05，失穩(wěn)邊坡取0.95～0.99。本次反演計(jì)算邊坡安全系數(shù)取值為：垮塌邊坡取0.97，殘留邊坡下部取1.02，上部取1.07。反演計(jì)算底滑面均為厚層狀變質(zhì)砂巖層間無充填硬性結(jié)構(gòu)面，層面傾角41.5°。反演計(jì)算垮塌體抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)f′=0.675，c′=135 kPa；殘留邊坡下部抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)f′=0.675，c′=128.5～135 kPa；上部抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)f′=0.7(35°)，c′=169～175 kPa。

綜合現(xiàn)場試驗(yàn)、反演計(jì)算、規(guī)范建議值、相似工程類比等，結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)建議值見表4。

4.1.5 邊界確定

底滑面：有軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，以軟弱結(jié)構(gòu)面為底滑面，無軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，選取卸荷底界和在坡腳剪出的層面為底滑面。取水口邊坡有剪出條件深度范圍內(nèi)均為硬性結(jié)構(gòu)面，底滑面存在三種可能：(1)強(qiáng)卸荷底界(圖1中②、④)；(2)弱卸荷底界(圖1中①、③)；(3)坡腳剪出的層面(圖1中⑤)。

后緣拉裂縫：(1)后緣為張裂隙或者因地形和開挖形成的后緣切割；(2)后緣沒有張拉裂縫的長大順層邊坡，根據(jù)不同工程部位地質(zhì)條件、邊坡開挖高度和滑面深度、開挖邊坡松動影響范圍等，滑動面長度按照切層厚度的4～10倍考慮，強(qiáng)卸荷帶內(nèi)開挖松動影響范圍取大值，微新巖體中開挖松動影響范圍取小值。取水口后坡后緣拉裂縫分三種情況：(1)平臺之上后坡第③組節(jié)理在高程3 480 m附近密集發(fā)育，假設(shè)該組節(jié)理貫通發(fā)育形成后緣拉裂縫，兩種底滑面相應(yīng)的切層厚度分別約為8倍和4倍；(2)平臺以下假設(shè)在豎井位置拉裂；(3)整體穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，后緣為山頂位置。

圖1 取水口邊坡地質(zhì)剖面圖

側(cè)面：假設(shè)第①、②組裂隙順坡向節(jié)理貫通發(fā)育，在上、下游側(cè)形成有效切割構(gòu)成側(cè)滑面。

4.1.6 計(jì)算成果

邊坡穩(wěn)定計(jì)算底滑面均為無充填硬性結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面抗剪斷參數(shù)根據(jù)邊坡級別和工程地質(zhì)條件，在表4建議范圍內(nèi)值選取。

本次取水口邊坡共布置3條剖面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算， 3條剖面綜合計(jì)算成果見表5。計(jì)算結(jié)果表明：豎井平臺之下強(qiáng)卸荷、弱卸荷帶和平臺之上強(qiáng)卸荷帶邊坡在各種工況下基本穩(wěn)定，但安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求；豎井平臺之上弱卸荷帶在坡腳剪出時(shí)，各種工況下安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。從邊坡整體穩(wěn)定上分析，以在坡腳剪出的層面為底滑面時(shí)，各種工況下邊坡穩(wěn)定，僅持久工況安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

表4 結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)建議值表

表5 剛體極限平衡法邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

4.2 有限元法

4.2.1 計(jì)算方法

有限元強(qiáng)度折減法基于有限單元法，通過對邊坡巖體進(jìn)行強(qiáng)度折減，直到邊坡失穩(wěn)，此時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)則被認(rèn)為是邊坡的安全系數(shù)。強(qiáng)度折減系數(shù)法的基本原理是將巖體參數(shù)c、φ值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)Ftrial，得到一組新的、值，然后作為新的c′、φ′材料參數(shù)帶入有限元進(jìn)行試算，當(dāng)邊坡巖體符合給定的臨界破壞狀態(tài)判定條件時(shí)，對應(yīng)的Ftrial即為邊坡的最小安全系數(shù)。

運(yùn)用強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，不需要事先假定滑裂面的形狀以及所在位置即可自動獲取邊坡的滑動面直接求出安全系數(shù)，可通過得到巖體物理力學(xué)參數(shù)每一次折減后的計(jì)算結(jié)果，看到巖體逐步破壞的過程，得到邊坡的應(yīng)力場和變形場等信息。

取水口邊坡穩(wěn)定計(jì)算所需巖體容重、泊松比及變模等物理力學(xué)參數(shù)見表2。結(jié)構(gòu)面抗剪斷參數(shù)根據(jù)取水口邊坡級別和工程地質(zhì)條件，在表4建議范圍值內(nèi)選取。邊坡結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值見表6。

4.2.2 計(jì)算模型

表6 邊坡結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度表

有限元計(jì)算區(qū)域取剛體極限平衡法認(rèn)為的最不利剖面(圖1)，橫河向(X向)411 m，垂直向(Y向)由底部高程3 206.0 m向上取352 m。天然狀態(tài)下有限元網(wǎng)格共劃分2 741個(gè)四邊形單元，豎井平臺開挖后有限元網(wǎng)格共劃分2728個(gè)四邊形單元，約束方向均為XY方向(圖2)。

(a)天然狀態(tài)網(wǎng)格劃分

(b)施工、蓄水及地震工況網(wǎng)格劃分圖2 取水口邊坡網(wǎng)格劃分圖

4.2.3 成果分析

有限元強(qiáng)度折減法擬對該斷面的自然狀態(tài)(持久)、施工開挖(短暫)、正常蓄水(持久)工況及地震(短暫)工況進(jìn)行復(fù)核比較。邊坡邊界條件較為清晰，失穩(wěn)模式為順層平面型滑動，安全系數(shù)計(jì)算成果見下表7。

計(jì)算結(jié)果表明：在天然工況下，呈現(xiàn)帶狀滑弧，塑性變形區(qū)位于邊坡表層以下約9 m的結(jié)構(gòu)層面，塑性變形區(qū)長度約230 m，于邊坡下部臨空側(cè)剪出，安全系數(shù)1.088。

表7 取水口邊坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果表

豎井平臺開挖形成后，平臺上下邊坡均呈現(xiàn)變形量相當(dāng)?shù)乃苄宰冃螀^(qū)。蓄水后因水壓的有利作用，安全系數(shù)略微增加。

取水口邊坡控制工況為地震工況，安全系數(shù)0.988。上部塑性變形區(qū)貫通至開挖平臺中下部，高程范圍約3 417.0～3 484.0 m之間，長度約90 m，厚度約3 m。下部塑性變形區(qū)從開挖平臺靠庫區(qū)側(cè)貫通至邊坡下部臨空面，高程范圍約3 403.80～3 332.00 m之間，長度約101 m，厚度約2.5 m。

(a)天然狀態(tài)工況 (b)施工期開挖工況

(c)正常蓄水工況 (d)地震工況圖3 最大剪應(yīng)變(塑性變形區(qū))圖

(a)天然狀態(tài)工況 (b)施工期開挖工況

(c)正常蓄水工況 (d)地震工況圖4 最大位移圖

計(jì)算結(jié)果表明：有限元法與剛體極限平衡法計(jì)算結(jié)果規(guī)律匹配性較好，有限元計(jì)算安全系數(shù)總體上略偏大，邊坡表現(xiàn)為沿淺表層面的滑動。取水口邊坡在各工況下安全余度均較小，安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，因此，需在淺表支護(hù)的基礎(chǔ)上增加深層支護(hù)，以保證邊坡安全。

4.3 邊坡支護(hù)

根據(jù)取水口邊坡工程地質(zhì)條件和計(jì)算成果，支護(hù)形式以預(yù)應(yīng)力錨索、錨筋樁或錨桿結(jié)合掛網(wǎng)噴混凝土為主。錨索預(yù)應(yīng)力選用1 500 kN級，錨索深度以穿過弱卸荷巖體控制，長度分別30 m、40 m和50 m，間排距6 m，不同長度錨索交錯布置。錨筋樁采用3Φ32、L=12 m和18 m，間排距3m，錨桿為Φ25、L=4.5 m。

5 結(jié) 語

壩址區(qū)河谷為縱向谷，巖性為厚層～巨厚層狀變質(zhì)砂巖夾板巖，為典型的層狀同向結(jié)構(gòu)邊坡，邊坡穩(wěn)定性差，在節(jié)理切割組合下易發(fā)生順層滑動。

邊坡穩(wěn)定計(jì)算首先要確定邊坡破壞模式、滑體邊界條件和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)。古瓦水電站邊坡破壞模式清晰，為典型的順層滑動?；w底滑面、側(cè)向和后緣邊界根據(jù)邊坡實(shí)際工程地質(zhì)條件來確定。結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場大剪試驗(yàn)成果、反演計(jì)算、規(guī)范建議值、相似工程資料類比等，針對不同工程部位邊坡級別，結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)條件綜合分析確定。

有限元法與剛體極限平衡法計(jì)算結(jié)果表明，其規(guī)律匹配性較好，采用剛體極限平衡法所得的取水口邊坡穩(wěn)定性分析成果有較高的可靠度，可以作為評判其邊坡穩(wěn)定性的依據(jù)。