李 錦 成， 殷 亮

(1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000；2.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

在我國西部高山峽谷地區(qū)，巖石高邊坡是工程建設(shè)中的主要地質(zhì)環(huán)境和工程承載體，巖石高邊坡穩(wěn)定性不僅是一個(gè)強(qiáng)度穩(wěn)定性問題，更是一個(gè)變形穩(wěn)定性問題[1]。受多期地質(zhì)構(gòu)造作用和強(qiáng)烈的河谷動(dòng)力學(xué)過程影響，邊坡形成了眾多特殊的或復(fù)雜的變形破裂現(xiàn)象[2]。張正虎等[3]結(jié)合工程地質(zhì)條件和監(jiān)測(cè)資料分析了長河壩水電站左壩肩邊坡變形機(jī)制，認(rèn)為該邊坡變形破壞模式主要為滑移—拉裂破壞和傾倒—拉裂破壞。

1 楊房溝水電站左岸壩肩邊坡變形機(jī)制

楊房溝水電站為一等大(1)工程，樞紐主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩高155 m，壩頂高程2 102 m。壩址區(qū)河谷狹窄、邊坡高陡，為典型深切“V”型河谷地形，主要為燕山期花崗閃長巖，巖體堅(jiān)硬完整、風(fēng)化卸荷較弱，坡體非連續(xù)面發(fā)育，地應(yīng)力水平中等。

壩址區(qū)邊坡開挖揭示巖體以Ⅲ類為主，局部較破碎，巖體呈次塊狀～鑲嵌結(jié)構(gòu)，邊坡整體穩(wěn)定性較好。根據(jù)左岸壩肩邊坡開挖揭示情況，斷層f37具有分布范圍較大、產(chǎn)狀偏轉(zhuǎn)明顯、局部影響帶較寬等典型特征，使其對(duì)邊坡變形及穩(wěn)定性的影響隨邊坡開挖而趨于復(fù)雜化。斷層f37在高程2 190 m以上產(chǎn)狀N75～80°W，SW∠45～50°，在高程2 190 m以下產(chǎn)狀變?yōu)镹40～60°W，SW∠60°。斷層f37影響帶寬為10～15 cm，帶內(nèi)巖塊巖屑填充、鐵錳渲染較嚴(yán)重。以高程2 190 m為界，走向變化約20°～30°，傾角變化約10°～15°，即斷層f37由原來的與開挖坡面呈“中等角度相交”變?yōu)榱恕敖叫谢蛐〗嵌认嘟弧钡那闆r，整體上對(duì)纜機(jī)平臺(tái)及以下邊坡穩(wěn)定性較為不利。

施工過程中，在左岸壩肩邊坡上游側(cè)高程2 145～2 130 m梯段爆破后，纜機(jī)平臺(tái)出現(xiàn)了沿?cái)鄬觙37的變形開裂現(xiàn)象，縫寬約在1～2 mm，其對(duì)后續(xù)工程施工安全與邊坡穩(wěn)定影響較大，深入分析該邊坡的變形破壞機(jī)制非常重要。圖1為左岸壩肩邊坡斷層f37延伸情況及變形特征。

圖1 左岸壩肩邊坡斷層f37延伸情況及變形特征

筆者結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查和監(jiān)測(cè)成果，采用三維塊體離散元方法，對(duì)上述典型工程問題開展研究工作，通過分析復(fù)核在斷層f37影響下邊坡的變形機(jī)制及穩(wěn)定性特征，評(píng)估針對(duì)性加固處理方案的可行性和合理性，為現(xiàn)場決策提供技術(shù)支撐。

2 左岸邊坡斷層f37變形機(jī)制數(shù)值模擬分析

2.1 分析方法

近年來，對(duì)巖體非連續(xù)力學(xué)行為的模擬一直是一個(gè)難點(diǎn)，同時(shí)也是巖體工程研究的熱點(diǎn)。DDA、離散元法[4]、界面元法等非連續(xù)數(shù)值分析方法已應(yīng)運(yùn)而生，并逐步形成了可供工程實(shí)踐應(yīng)用的商業(yè)化程序。其中，3DEC(Three-dimension Distinct Element Code)是一款基于塊體離散單元法作為基本理論，用以描述離散介質(zhì)力學(xué)行為的計(jì)算分析程序，其作為一種非連續(xù)力學(xué)分析方法，可再現(xiàn)巖體中結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的非連續(xù)變形、甚至完全脫離的行為，同時(shí)也可以模擬巖塊的連續(xù)變形特征。該研究采用ITASCA公司Peter Cundall院士等人開發(fā)的3DEC程序，該離散單元方法在處理非連續(xù)變形問題和結(jié)構(gòu)面控制型巖體穩(wěn)定問題上具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠方便地模擬各類地質(zhì)構(gòu)造面，適用于節(jié)理巖質(zhì)高邊坡的開挖變形響應(yīng)及穩(wěn)定分析。

2.2 三維數(shù)值模型與參數(shù)選取

三維數(shù)值模型中巖體物理力學(xué)參數(shù)主要基于地質(zhì)建議值和監(jiān)測(cè)反饋分析成果，并結(jié)合實(shí)際開挖揭示條件、聲波檢測(cè)成果等綜合擬定，具體巖體物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。巖體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型，該準(zhǔn)則是傳統(tǒng)Mohr-Coulomb剪切屈服準(zhǔn)則與拉伸屈服準(zhǔn)則相結(jié)合的復(fù)合屈服準(zhǔn)則。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表

針對(duì)結(jié)構(gòu)面的模擬將選用接觸面模型，接觸面的破壞準(zhǔn)則基于庫侖剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則。根據(jù)邊坡實(shí)際開挖揭露地質(zhì)情況，結(jié)合壩址區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)指標(biāo)建議值，并參考相關(guān)規(guī)范規(guī)程，巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)取值見表2。

表2 巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)取值

2.3 左岸壩肩邊坡開挖變形響應(yīng)特征分析

針對(duì)左岸壩肩邊坡梯段開挖過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真數(shù)值模擬，分析不同開挖階段的卸荷變形、結(jié)構(gòu)面非連續(xù)變形演化特征。開挖至高程2 190 m時(shí)(圖2左側(cè))，邊坡以向上的卸荷回彈變形為主，受斷層f37影響，斷層兩側(cè)巖體表現(xiàn)出輕微的非連續(xù)變形特征，其中上盤巖體的卸荷回彈變形較大，一般在10～14 mm。開挖至高程2 140 m時(shí)(圖2右側(cè))，邊坡仍以卸荷回彈變形為主，新開挖階段的累計(jì)變形一般在5～8 mm，其中斷層f37影響區(qū)域的變形量一般可達(dá)10～12 mm。在高程2 190 m處斷層f37上盤巖體仍表現(xiàn)為向上的卸荷變形特征，累計(jì)變形一般在15～17 mm。

圖2 左岸壩肩邊坡不同開挖階段累計(jì)變形特征

由此可見，在邊坡開挖過程中，隨著順坡向傾坡外斷層f37在開挖坡面的逐步出露，其上、下盤巖體的非連續(xù)變形特征逐步顯現(xiàn)，其中上盤巖體的開挖卸荷變形特征相對(duì)突出，在斷層出露部位的薄層巖體表現(xiàn)出一定的松弛特征。從變形發(fā)展趨勢(shì)看，該差異變形現(xiàn)象將會(huì)持續(xù)直至斷層f37在開挖面完全揭露為止。斷層f37的變形響應(yīng)特征則主要受結(jié)構(gòu)面性狀、賦存地應(yīng)力條件、爆破控制以及后續(xù)針對(duì)性加強(qiáng)錨固方案等因素共同影響。

“無支護(hù)條件”情況下，左岸壩肩邊坡開挖至高程2 102 m累計(jì)變形特征預(yù)測(cè)情況見圖3。與前一開挖階段相比，斷層f37上盤巖體松弛特征明顯，變形增長可達(dá)到25～35 mm，斷層上、下盤巖體表現(xiàn)為明顯的錯(cuò)動(dòng)變形。若不針對(duì)斷層f37影響區(qū)進(jìn)行加固處理，將會(huì)出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 左岸壩肩邊坡開挖至高程2 102 m累計(jì)變形特征(無支護(hù)條件預(yù)測(cè))

2.4 左岸壩肩邊坡斷層f37變形機(jī)制分析

將左岸纜機(jī)平臺(tái)高程2 190 m以下邊坡開挖簡化為三個(gè)典型階段進(jìn)行對(duì)比分析：高程2 190～2 160 m梯段、高程2 160～2 145 m梯段、高程2 145～2 135 m梯段。圖4分別給出了三個(gè)典型的開挖階段垂直向下變形增量分布情況，圖5為高程2 145～2 135 m梯段開挖變形增量及矢量分布特征。結(jié)合前文邊坡開挖總變形響應(yīng)特征，有如下特點(diǎn)：

(1)在高程2 190～2 160 m梯段開挖后，斷層f37逐步在坡面靠上游側(cè)出露，受其影響巖體變形以斜向上游側(cè)的卸荷回彈變形為主，垂直向下(下沉)變形特征不明顯。

(2)在高程2 160～2 145 m梯段開挖后，局部巖體沿?cái)鄬觙37出現(xiàn)了輕微的垂直向下(下沉)變形特征，量值在1 mm左右。

(3)在高程2 145～2 135 m梯段開挖后，斷層f37在坡面靠上游側(cè)完全揭示，其在臨時(shí)坡腳的出露范圍也逐漸變廣(推測(cè)f37將在EL.2130 m全面揭露)，其上盤巖體漸變單薄、承載能力降低，此階段的變形增長和二次應(yīng)力調(diào)整均相對(duì)強(qiáng)烈，并表現(xiàn)出一定的卸荷松弛特征。邊坡沿f37產(chǎn)生了相對(duì)明顯的斜向下卸荷松弛變形現(xiàn)象，量值可達(dá)到2～5 mm。在纜機(jī)平臺(tái)處斷層f37上盤部分巖體表現(xiàn)出相對(duì)明顯的下沉變形特征，量值可達(dá)到1～3 mm。

圖4 邊坡高程2 190～2 135 m典型開挖階段的垂直向下變形增量

圖5 邊坡高程2 145～2 135 m梯段開挖變形增量及矢量分布

因此，在邊坡開挖卸荷作用下，斷層f37上、下盤巖體表現(xiàn)出了一定的非連續(xù)變形特征和卸荷松弛現(xiàn)象，且隨著斷層f37在開挖坡面的逐步揭露而趨于明顯。其中高程2 145～2 135 m梯段開挖對(duì)上部邊坡的影響相對(duì)顯著，這應(yīng)是在纜機(jī)平臺(tái)沿?cái)鄬觙37出現(xiàn)變形開裂現(xiàn)象的主要原因。

3 針對(duì)性加固設(shè)計(jì)方案與穩(wěn)定性分析

3.1 針對(duì)性加固設(shè)計(jì)方案

針對(duì)左岸壩肩邊坡受斷層f37影響區(qū)穩(wěn)定性較差的情況，為滿足邊坡繼續(xù)下挖及纜機(jī)運(yùn)行等邊坡穩(wěn)定要求，通過深入分析論證擬定了針對(duì)性的左岸壩肩邊坡斷層f37加強(qiáng)支護(hù)處理措施(圖6)。結(jié)合現(xiàn)場施工安排，提出了分期實(shí)施的加固處理方案。

圖6 左岸壩肩邊坡斷層f37加強(qiáng)支護(hù)處理典型剖面圖

(1)一期加強(qiáng)支護(hù)措施。必須在高程2133 m以下邊坡開挖及纜機(jī)基礎(chǔ)混凝土澆筑前完成，主要包括：①高程2 162～2 182 m共布置5排2 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索，L=30 m/40 m間隔布置，高差×水平距離5 m×5 m，下傾15°。錨索之間設(shè)混凝土聯(lián)系梁(30 cm×40 cm)，錨墩與聯(lián)系梁需澆筑形成整體。②考慮到高程2 160 m以下塊體較薄，在高程2 143 m布置1排2 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索，L=30 m/40 m間隔布置，間距5 m，下傾15°。在高程2 133 m附近布置一排鎖口錨筋樁332，L=9 m，間距2 m。

(2)二期加強(qiáng)支護(hù)措施。必須在纜機(jī)運(yùn)行前完成，主要包括：高程2 138 m、2 150 m、2 155 m共布置3排2 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索，L=30 m/40 m間隔布置，間距5 m，下傾15°。錨索之間設(shè)混凝土聯(lián)系梁(30 cm×40 cm)，錨墩與聯(lián)系梁需澆筑形成整體。

3.2 針對(duì)性加強(qiáng)支護(hù)處理方案評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場開挖揭露的巖體結(jié)構(gòu)特征，在左岸纜機(jī)平臺(tái)以下邊坡組合形成潛在不利塊體A(f37+f169+優(yōu)勢(shì)節(jié)理)、塊體B(f37+f166+優(yōu)勢(shì)節(jié)理)、塊體C(f169+f166+優(yōu)勢(shì)節(jié)理)，三個(gè)不利塊體均以f37為潛在底滑面，其空間分布見圖7。

圖7 左岸纜機(jī)平臺(tái)以下邊坡與斷層f37相關(guān)的潛在不利塊體

基于離散元強(qiáng)度折減法，根據(jù)擬定的加強(qiáng)支護(hù)處理方案(計(jì)算中僅考慮預(yù)應(yīng)力錨索加固效果，掛網(wǎng)噴混凝土、錨桿、錨筋樁等均作為安全儲(chǔ)備)，計(jì)算出各種工況下塊體穩(wěn)定安全系數(shù)見表3。

表3 各種工況下塊體穩(wěn)定安全系數(shù)

采用三維塊體離散元方法，對(duì)斷層f37影響區(qū)潛在不利塊體的穩(wěn)定分析成果表明：

①無支護(hù)狀態(tài)下，塊體A、塊體B安全系數(shù)均小于1.0，無法滿足穩(wěn)定安全要求。

②高程2 187～2 160 m布置5排2 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)后，各種工況下塊體穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，即：完成一期加強(qiáng)支護(hù)措施后，邊坡具備繼續(xù)開挖及纜機(jī)基礎(chǔ)混凝土澆筑的條件。

③高程2 187～2 130 m布置9排2 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)后，各種工況下塊體穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，即擬定的加強(qiáng)支護(hù)處理方案可以能夠滿足纜機(jī)運(yùn)行期、工程永久邊坡穩(wěn)定要求。

4 針對(duì)性加固效果分析復(fù)核

4.1 數(shù)值反饋分析論證

在斷層f37采用針對(duì)性加強(qiáng)支護(hù)處理方案下，左岸壩肩邊坡開挖至高程2 102 m的累計(jì)變形特征見圖8。可以看出，斷層f37影響區(qū)域巖體變形增長明顯降低，最大變形一般僅在10～15 mm，表明設(shè)計(jì)擬定的加強(qiáng)支護(hù)處理方案對(duì)巖體變形起到了較好的控制作用，方案合理可行，能夠確保施工期、纜機(jī)運(yùn)行期、工程永久邊坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求[5]。

圖8 針對(duì)性加強(qiáng)支護(hù)條件下，左岸壩肩邊坡開挖至高程2 102 m累計(jì)變形特征

4.2 監(jiān)測(cè)成果分析論證

針對(duì)斷層f37的加強(qiáng)支護(hù)處理措施實(shí)施以后，斷層f37影響區(qū)的相關(guān)監(jiān)測(cè)成果均處于平穩(wěn)狀態(tài)，無持續(xù)變形或其他異常現(xiàn)象。圖9展示了典型測(cè)點(diǎn)的變形過程線，累計(jì)變形在7 mm左右，且趨于收斂穩(wěn)定。表明針對(duì)性加強(qiáng)支護(hù)處理措施對(duì)控制邊坡變形作用十分明顯，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 左岸壩肩邊坡典型測(cè)點(diǎn)測(cè)值過程線

5 結(jié) 語

筆者針對(duì)楊房溝水電站左岸壩肩邊坡受斷層f37影響下的變形機(jī)制及穩(wěn)定特征，采用基于非連續(xù)方法的三維離散元(3DEC程序)進(jìn)行了深入分析。

(1)左岸壩肩邊坡受順坡向傾坡外不利斷層f37切割影響，在邊坡開挖卸荷作用下，斷層f37上、下盤巖體表現(xiàn)出了一定的非連續(xù)變形特征和卸荷松弛現(xiàn)象。施工過程中出現(xiàn)了沿?cái)鄬觙37的變形開裂現(xiàn)象，縫寬約在1～2 mm，其對(duì)后續(xù)工程施工安全與邊坡穩(wěn)定影響較大，深入分析該邊坡的變形破壞機(jī)制非常重要。

(2)通過三維離散元法數(shù)值計(jì)算深入分析論證，結(jié)合現(xiàn)場施工安排，提出了分兩期實(shí)施的加強(qiáng)支護(hù)處理方案是合理可行的。監(jiān)測(cè)成果表明：加固處理方案實(shí)施效果良好，變形已趨于收斂，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)三維離散元法在分析研究受控于多組不利結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡變形破壞機(jī)制時(shí)，可真實(shí)、快速再現(xiàn)邊坡開挖卸荷過程中的非連續(xù)變形特征，便于與現(xiàn)場揭露情況和監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比分析，可為類似高陡巖石邊坡穩(wěn)定性分析及加固處理方案擬定提供參考。