金川水電站左岸引水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)水口高邊坡穩(wěn)定性分析

唐良琴，劉東燕，余先華，唐 奎

（1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400044；2.重慶交通大學(xué)水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；3.重慶市沙坪壩區(qū)國土資源管理分局，重慶 400038；4.重慶理工大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，重慶 400050）

巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性問題是我國20世紀(jì)70年代以來出現(xiàn)的最具特色的工程地質(zhì)問題之一。其中，水利水電工程領(lǐng)域的開挖高邊坡具有最大的高度，因此，問題也最為突出。鑒于水電巖質(zhì)高邊坡的復(fù)雜性和重要性，許多學(xué)者、科技工作者、工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究［1～3］。

隨著我國西部大開發(fā)的持續(xù)深入，在西南部水力資源豐富的大渡河地區(qū)逐步開展了大規(guī)模的水電水利工程建設(shè)。該地區(qū)地形高差大、溝谷深切、山勢陡峻，復(fù)雜的地質(zhì)條件不僅給壩址確定和壩型選擇帶來了困難，而且對工程高邊坡的穩(wěn)定性研究也是巨大的挑戰(zhàn)。

從某種意義上而言，水電工程巖體研究和高邊坡的穩(wěn)定性研究甚至比對壩體本身的研究更為重要［4］。同時，邊坡的開挖坡比大小不僅關(guān)系到工程投資和開挖量，而且對于邊坡的穩(wěn)定性都具有十分重要的現(xiàn)實意義。因此，開展合理邊坡坡比確定和邊坡穩(wěn)定性研究，具有重大意義。

1 工程概況

金川水電站工程壩址位于四川省金川縣境內(nèi)的大渡河上，南距金川縣城大約12km。電站裝機(jī)容量86×104kW，壩型為面板堆石壩，最大壩高度約112m，正常蓄水位為2253m。引水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)水口位于大渡河的左岸，其軸向邊坡主要位于大槽溝(上游側(cè))和三朗溝(下游側(cè))之間的一座突出的單薄山脊上(圖1)。根據(jù)設(shè)計方案，邊坡開挖后，進(jìn)水口將形成上游側(cè)和軸向兩個高邊坡，進(jìn)水口平臺位于軸向邊坡底部，寬92m。軸向邊坡底部高程為2230m，整個進(jìn)水口邊坡頂部高程在2390～2395m之間，邊坡開挖高度約160m。因此，引水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)水口邊坡的穩(wěn)定問題一直是該工程所研究的重大工程地質(zhì)問題之一。

2 邊坡工程地質(zhì)特征

2.1 邊坡巖性

左岸進(jìn)水口邊坡主要位于上三疊統(tǒng)雜谷腦組上段的T3z2(6)和T3z2(7)巖組中(圖2～3)。T3z2(6)巖組分布在進(jìn)水口邊坡的下游一側(cè)，厚60～70m，巖性為夾少量薄層的中厚層狀變質(zhì)細(xì)砂巖；T3z2(7)巖組位于進(jìn)水口邊坡的上游側(cè)，厚73～90m，巖性為夾灰黑色碳質(zhì)千枚巖的灰色薄層狀變質(zhì)細(xì)砂巖；變形體(Bxt3)位于進(jìn)水口邊坡的下部靠近河水面的位置，厚度小于2m；此外，在邊坡底部和三朗溝內(nèi)還有一些厚度小于10m的第四系崩、坡積堆積物(Q4)。

圖1 引水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)水口邊坡全景Fig.1 Panorama of the diversion power system inlet slope

2.2 邊坡結(jié)構(gòu)面及其組合特征

左岸進(jìn)水口邊坡主要發(fā)育層面、裂隙、擠壓帶和層間錯動帶等幾類結(jié)構(gòu)面。它們的存在既破壞了邊坡巖體的完整性，也大大降低了邊坡的整體穩(wěn)定性。

通過野外現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計，邊坡巖體中共發(fā)育4組優(yōu)勢裂隙(表1)。傾向坡內(nèi)的層面是最發(fā)育的一組裂隙。其次是傾向坡外的一組中陡傾裂隙，傾向為NW、傾角大于45°，該組裂隙對邊坡穩(wěn)定性不利。其余兩組裂隙都傾向坡內(nèi)，傾向分別為SE和NE。大多數(shù)擠壓帶和層間錯動帶都順著層面發(fā)育，其產(chǎn)狀為200°～230°∠50°～70°，破碎帶發(fā)育寬度變化較大，從幾厘米到幾十厘米，切層斷層不發(fā)育。

由于巖層走向與進(jìn)水口軸向邊坡(335°∠73°)走向之間的夾角為65°，所以，軸向邊坡的坡體結(jié)構(gòu)屬于橫向斜坡［5］。而巖層的走向與上游側(cè)邊坡(245°∠65°)走向之間的夾角為25°，并且二者傾向基本一致，因此，上游側(cè)邊坡的坡體結(jié)構(gòu)為順層斜坡［5］。

表1 進(jìn)水口邊坡裂隙優(yōu)勢方位Table 1 Dominant orientation of crack in inlet slope

2.3 邊坡巖體風(fēng)化與卸荷特征

圖2 進(jìn)水口邊坡平面圖Fig.2 Diagram showing the water intake slope

圖3 進(jìn)水口邊坡地質(zhì)縱剖面圖Fig.3 Geological vertical section of the water intake slope

在巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性評價中，巖體風(fēng)化與卸荷的程度是一個重要因素［6～7］。巖體風(fēng)化與卸荷的程度直接影響到邊坡開挖坡比的確定和邊坡的整體穩(wěn)定性以及支護(hù)措施的選擇。在現(xiàn)場裂隙統(tǒng)計資料基礎(chǔ)上，根據(jù)劃分風(fēng)化與卸荷的原則，并結(jié)合在平洞中的現(xiàn)場判斷，對左岸各主要平洞的風(fēng)化與卸荷程度進(jìn)行劃分，其劃分成果見表2。由表2可以看出，各平洞的風(fēng)化卸荷深度有較大差異。究其原因，這現(xiàn)象主要是由左岸邊坡形態(tài)變化所致。若邊坡地形整齊，其風(fēng)化與卸荷的深度則小一些，若山梁突出，其風(fēng)化與卸荷的深度則大一些。平洞PD17恰好位于進(jìn)水口邊坡的單薄山梁處，因此，它的風(fēng)化卸荷深度可以很好的代表進(jìn)水口邊坡山體的風(fēng)化卸荷深度。

表2 主要平洞風(fēng)化卸荷深度Table 2 Weathering and unloading depth of the main adits

3 邊坡水文地質(zhì)特征

由于邊坡陡峻且地形單一，地表集水域面積不大，地表水主要以面流的形式向渫水排泄，只有少部分向地下入滲。地下水主要賦存于巖體的風(fēng)化、卸荷裂隙之中，其分布受限于地形地貌，受大氣降水補(bǔ)給，向大渡河排泄。

4 邊坡塊體穩(wěn)定性分析

4.1 邊坡局部塊體構(gòu)成及失穩(wěn)模式分析

通過分析左岸進(jìn)水口高邊坡的數(shù)碼拍攝影像和現(xiàn)場調(diào)查資料，并結(jié)合邊坡巖體結(jié)構(gòu)，可以對邊坡上可能組合形成的塊體模式、穩(wěn)定狀況進(jìn)行預(yù)測。

分析表明，左岸進(jìn)水口邊坡的變形失穩(wěn)模式主要有:①以底部弱面為滑動面的蠕滑拉裂失穩(wěn)；②結(jié)構(gòu)面組合構(gòu)成的不穩(wěn)定塊體沿底部結(jié)構(gòu)面向臨空面滑移的塊體滑動破壞；③順巖層層面或邊坡中長大結(jié)構(gòu)面的傾倒變形失穩(wěn)。

4.2 邊坡巖體質(zhì)量分級與力學(xué)參數(shù)

CSMR分級方案在RMR-SMR體系的基礎(chǔ)上，引入了高度修正系數(shù)和結(jié)構(gòu)面條件修正系數(shù)，是一種適用于邊坡巖體質(zhì)量評價的方法［8］。采用CSMR分級方案對進(jìn)水口邊坡上的平洞PD17巖體進(jìn)行巖體質(zhì)量分級劃分，結(jié)果見表3。在洞深101m以后，開始出現(xiàn)Ⅱ級巖體。

表3 平洞PD17巖級劃分結(jié)果Table 3 Division results of rock grade of the PD17 adit

根據(jù)壩址區(qū)的原位巖體(6組)及結(jié)構(gòu)面(4組)大剪試驗和巖體變形試驗(14組)成果，以及室內(nèi)巖體(17組)及結(jié)構(gòu)面(18組)抗剪強(qiáng)度試驗、巖體變形試驗(17組)、破碎帶原狀樣剪切試驗(9組)的成果，參考《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》［9］，同時考慮各種因素對邊坡巖體和結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的影響，給出左岸進(jìn)水口邊坡巖體及結(jié)構(gòu)面在天然狀態(tài)下的力學(xué)參數(shù)(表4)。

表4 力學(xué)參數(shù)建議值Table 4 Recommended value of mechanical parameters

4.3 邊坡塊體穩(wěn)定性分析

首先利用三維模型程序?qū)⑦M(jìn)水口邊坡的地形、軟弱面以及巖層等建立成三維地質(zhì)模型，然后把在現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計得到的所有長大結(jié)構(gòu)面做成三維圓盤模型置入前述建立的模型中。依據(jù)該邊坡的開挖設(shè)計要求，在三維地質(zhì)模型中進(jìn)行垂直和平行邊坡軸向方向的剖切，從而得到結(jié)構(gòu)面在上述兩個方向上的空間相交組合情況。塊體穩(wěn)定性計算分析采用商用的塊體穩(wěn)定性分析軟件Swedge。將邊坡在前述兩個剖切方向上獲得的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行兩兩組合得到邊坡巖石塊體，然后將可能組合成不穩(wěn)定塊體的結(jié)構(gòu)面和對應(yīng)的結(jié)構(gòu)面參數(shù)一起輸入塊體穩(wěn)定性分析軟件中計算各塊體的穩(wěn)定性系數(shù)。計算結(jié)果見表5。

表5 進(jìn)水口邊坡塊體穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果Table 5 Block stability coefficients of the inlet slope

(1)在天然和地震條件下，穩(wěn)定性系數(shù)小于1的為結(jié)構(gòu)面PD17-91和PD17-97.5組合形成的塊體，其體積為226.78m3。在開挖過程中，此塊體可能產(chǎn)生滑動破壞，因此應(yīng)予以重視。其他塊體的穩(wěn)定性較好，穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.5。

(2)在暴雨條件下，由結(jié)構(gòu)面PD17-91和PD17-97.5構(gòu)成的塊體穩(wěn)定性系數(shù)由天然狀態(tài)的0.7降低到0.38。由結(jié)構(gòu)面PD17-91和JSK-20組合形成的塊體的穩(wěn)定性系數(shù)由天然狀態(tài)的2.42降低到0.72。這2塊塊體可能會出現(xiàn)滑動失穩(wěn)現(xiàn)象。其他塊體的穩(wěn)定性系數(shù)都大于1.5，穩(wěn)定性較好。

5 邊坡開挖坡比的選定

在邊坡開挖過程中，開挖坡比偏小會增加開挖量和工程投資，偏大則無法保證邊坡的穩(wěn)定性。因此，必須準(zhǔn)確合理地確定開挖坡比。

現(xiàn)在自然坡比調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果表明:軸向邊坡坡比普遍介于1∶0.5 ～1∶1.2，最大坡比為 1∶0.53；上游側(cè)邊坡坡比普遍介于 1∶0.6 ～1∶1.3，最大坡比為1∶0.63。

根據(jù)野外現(xiàn)場調(diào)查:左岸進(jìn)水口天然邊坡現(xiàn)階段沒有出現(xiàn)大范圍的變形破壞跡象，邊坡整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡表面為Ⅳ級巖體，在未來的開挖過程中將被挖出；開挖后的邊坡表部除上部有小范圍的稍差巖體分布外，其余表部巖體則為Ⅲ級巖體。同時還將采用一些支護(hù)措施來提高邊坡的整體穩(wěn)定性。因此，開挖邊坡坡比取值大于最大天然邊坡坡比是合理、可行的。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)手冊》開挖坡比建議值，本著安全、節(jié)約的原則，綜合考慮邊坡坡體結(jié)構(gòu)、未來開挖高度、巖體質(zhì)量以及現(xiàn)場坡比統(tǒng)計后，建議的開挖坡比如下:對軸向開挖邊坡，上部的開挖坡比采用1∶0.5(即高程在2320m以上)，下部的開挖坡比采用1∶0.3(即高程在2230～2320m之間)；對上游側(cè)開挖邊坡，上部的開挖坡比采用1∶0.5(即在高程2280m以上)，下部的開挖坡比采用1∶0.4(即高程在2230～2280m之間)。

6 邊坡整體穩(wěn)定性分析

邊坡整體穩(wěn)定性分析的思路是將邊坡巖體作均一化處理，即忽略邊坡巖性、結(jié)構(gòu)面的差異，在邊坡巖體分級的基礎(chǔ)上以巖體力學(xué)參數(shù)來同一邊坡巖體的差異性，巖體力學(xué)參數(shù)根據(jù)巖級給定，見前表4。

在本次整體穩(wěn)定性計算采用平面有限元法。計算時考慮天然、暴雨和地震條件等三種工況。在暴雨條件下，計算參數(shù)取天然狀態(tài)的0.9倍；地震狀態(tài)下參數(shù)不變，地震水平峰值加速度取0.097g。

6.1 進(jìn)水口軸向開挖邊坡整體穩(wěn)定性分析

計算結(jié)果見圖4～5(部分)。從圖4～5可以得到以下結(jié)論:

(1)總體來講，邊坡開挖后將會出現(xiàn)向臨空面的卸荷回彈趨勢。在天然狀態(tài)下，位移量最大值5.1cm出現(xiàn)在開挖平臺處。在邊坡表部，位移量最大出現(xiàn)在邊坡的中部，達(dá)3cm，向開挖邊坡上部和下部逐漸降低。在地震狀態(tài)下，開挖平臺處位移量基本沒有什么變化，在邊坡表部的位移量變化趨勢也與天然狀態(tài)基本一致，只是位移量明顯地增加了2cm左右。

(2)在天然狀態(tài)下，開挖邊坡的破壞區(qū)主要分布在坡腳和邊坡上部。坡腳處主要以剪破壞為主，邊坡上部以拉破壞為主，且在邊坡開口線上部自然邊坡巖體中也出現(xiàn)了大量的拉破壞，這與現(xiàn)場調(diào)查的情況一致，應(yīng)引起重視。在地震狀態(tài)下，破壞區(qū)的分布類型基本沒有變化，只是在坡腳處的分布范圍有所擴(kuò)大，但是破壞區(qū)并沒有貫通，也就是說沒有形成一個破壞的通道，因此整體穩(wěn)定性較好。

圖4 軸向邊坡天然狀態(tài)下開挖后總位移(左)及破壞區(qū)(右)Fig.4 Total displacement(left)and failure zones(right)of the axial excavation slope under natural state

圖5 軸向邊坡地震狀態(tài)下開挖后總位移(左)及破壞區(qū)(右)Fig.5 Total displacement(left)and failure zones(right)of the axial excavation slope under earthquake state

6.2 進(jìn)水口上游側(cè)開挖邊坡整體穩(wěn)定性分析

計算結(jié)果見圖6～7(部分)。從圖6～7可以看出:

(1)由于開挖邊坡的高度較軸向邊坡低一些，因此計算得到的位移量也相對低一些。在天然狀態(tài)下，開挖平臺處位移量最大，達(dá)到了3.4cm，而在開挖邊坡表部，位移量最大出現(xiàn)在邊坡頂部，為2.4cm，然后向邊坡下部逐漸降低，在坡腳處僅為0.7cm。地震狀態(tài)下，開挖平臺處的位移量有小幅度的降低，而在開挖邊坡表部位移量普遍增加了1cm左右。

(2)在天然狀態(tài)下，破壞區(qū)主要分布在坡腳處，破壞類型為剪破壞，分布范圍較小，顯示邊坡巖體有較好的整體穩(wěn)定性。另外在邊坡開口線上部的自然邊坡巖體中出現(xiàn)了拉破壞區(qū)，但僅出現(xiàn)在邊坡表部的Ⅳ級巖體中。地震狀態(tài)下，開挖邊坡各處破壞區(qū)的類型沒有什么變化，只是坡腳處的剪破壞區(qū)分布范圍有小幅度的增大。總體而言，破壞區(qū)的分布范圍較少，且沒有貫通，邊坡的整體穩(wěn)定性較好。

圖6 上游側(cè)邊坡天然狀態(tài)開挖后總位移(左)和破壞區(qū)(右)Fig.6 Total displacement(left)and failure zones(right)of the upstream-side excavation slope under natural state

圖7 上游側(cè)邊坡地震狀態(tài)開挖后總位移(左)和破壞區(qū)(右)Fig.7 Total displacement(left)and failure zones(right)of the upstream-side excavation slope in earthquake state

7 結(jié)論

(1)從宏觀地質(zhì)角度分析，層面裂隙(第一組)對上游側(cè)邊坡的穩(wěn)定性不利，傾向山坡外的優(yōu)勢裂隙(第二組)對軸向邊坡的穩(wěn)定性不利。但從邊坡的物質(zhì)組成及地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征分析結(jié)果可知，邊坡的整體穩(wěn)定性較好。

(2)邊坡塊體穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，邊坡一共有14個組合塊體，其中不穩(wěn)定的塊體有2個。除了在極端的工況下局部塊體會失穩(wěn)外，其他塊體均較穩(wěn)定。

(3)根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計調(diào)查及地質(zhì)分析:軸向邊坡上部的開挖坡比采用1∶0.5、下部的開挖坡比采用1∶0.3，上游側(cè)邊坡上部的開挖坡比采用1∶0.5、下部的開挖坡比采用1∶0.4，都是合理可行的。

(4)有限元數(shù)值分析結(jié)果表明:軸向和上游側(cè)開挖邊坡的最大位移量均出現(xiàn)在開挖平臺處，坡腳處都以剪切破壞為主，但軸向邊坡的破壞區(qū)分布范圍較上游側(cè)大，且軸向開挖邊坡上部巖體中分布一定范圍的拉裂破壞區(qū)，兩邊坡開口線上部自然邊坡巖體中均出現(xiàn)了拉裂破壞區(qū)，應(yīng)引起重視。在各工況下，兩開挖邊坡的破壞區(qū)都沒有貫通，因此邊坡整體穩(wěn)定性較好。

(5)盡管上游側(cè)邊坡坡體結(jié)構(gòu)為對邊坡穩(wěn)定性不利的順層斜坡，但穩(wěn)定性分析結(jié)果表明上游側(cè)邊坡是穩(wěn)定的。

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