錦屏一級(jí)水電站右岸進(jìn)水口引渠邊坡動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)研究

游 湘，楊 濤，張 旻，楊鵬飛

（1.中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031）

1 工程概況

錦屏一級(jí)水電站壩區(qū)兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，基巖裸露，相對(duì)高差千余米，為典型的深切“V”形谷。巖層走向與河流流向基本一致，右岸為順向坡。壩址區(qū)右岸谷坡巖體由雜谷腦組第二段（T2-3Z）3-8層大理巖、角礫狀大理巖組成，層面裂隙及層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶較發(fā)育。

岸塔式6孔電站進(jìn)水口與1孔泄洪洞進(jìn)口前緣位于壩前右岸普斯羅溝下游溝壁，呈一字形布置。為改善進(jìn)水條件，經(jīng)水力學(xué)試驗(yàn)研究，上游溝壁巖體需開(kāi)挖掉一部分形成引渠。引渠邊坡開(kāi)挖坡比1∶0.18，邊坡開(kāi)口線(xiàn)1 920 m，開(kāi)挖底高程1 777 m。該部位地形陡峻，技施設(shè)計(jì)前一直未布置實(shí)物勘探。設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)測(cè)的失穩(wěn)滑移模式是以第6層層面邊界（高程1 887 m）為底滑面的順層滑動(dòng)?？紤]在1 887 m高程以上（T2（6）2-3z層Ⅳ類(lèi)巖石）布置錨索T＝200 t，間排距5 m。開(kāi)挖工程于2005年9月開(kāi)工。

隨著引渠邊坡開(kāi)挖、監(jiān)測(cè)交通洞兼勘測(cè)平洞以及施工支洞開(kāi)挖的不斷揭露，泄洪洞引渠邊坡發(fā)育有f13，fyj6，fXD5，f8SZ-1，f8SZ-2，f8SZ-3共6條斷層，gyj2，gyj3～7，g8sz-1，gXN2，gXN4等多條層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶。這些斷層和層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶構(gòu)成引渠邊坡不同高程、不同部位控制開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性的主要結(jié)構(gòu)面。因此施工期根據(jù)不斷揭露的地質(zhì)條件，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)研究。引渠開(kāi)挖邊坡動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)調(diào)整后平面及剖面如圖1所示。

2 底滑面g yj3的揭示及其動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

2006年10月，右岸進(jìn)水口引渠邊坡監(jiān)測(cè)交通洞兼勘測(cè)平硐已開(kāi)挖完成，引渠內(nèi)側(cè)邊坡1 860 m高程以上已部分開(kāi)挖。根據(jù)揭示的地質(zhì)資料分析，引渠邊坡發(fā)育一系列的層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶，構(gòu)成了破壞的底滑面，主要以底滑面gyj3（推測(cè)出露高程1 800～1 815 m）、后緣拉裂面fyj6，第③組裂隙為側(cè)裂面組合成為控制性塊體。潛在失穩(wěn)塊體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與底滑面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值密切相關(guān)。實(shí)際結(jié)構(gòu)面，無(wú)論是充填物還是連通率均不規(guī)則，因此需要結(jié)合反演分析，綜合確定結(jié)構(gòu)面計(jì)算參數(shù)。

2.1 滑面參數(shù)反演分析

建立邊坡的三維幾何計(jì)算模型如圖2。按照f(shuō)yj6和gyj3的位置固定，第③組裂隙的位置采用間距為20 m進(jìn)行搜索，共搜索得到潛在失穩(wěn)滑塊5個(gè)。經(jīng)計(jì)算對(duì)比，滑塊1的穩(wěn)定性最差，因此以滑塊1為對(duì)象，反算其滑面參數(shù)。按暴雨工況下滑塊安全系數(shù)為1.05，反算得到層間擠壓帶gyj3抗剪強(qiáng)度參數(shù)為：c＝115 k Pa，φ＝31°。

圖1 引渠開(kāi)挖邊坡平面及剖面Fig.1 Plane view and profile of the intake slope

圖2 三維計(jì)算模型Fig.2 Three-di mensional computation model

2.2 動(dòng)態(tài)錨固設(shè)計(jì)

根據(jù)反算參數(shù)采用三維剛體極限平衡分析［1-2］方法計(jì)算工程邊坡需加強(qiáng)錨固設(shè)計(jì)如下：在高程1 917 m以上設(shè)置7排錨索T＝200 t，L＝35～55 m，排距5.00 m。在高程1 814 m～1 917 m間設(shè)置錨索T＝300 t，L＝45～100 m，間排距5.00 m。在滑塊1的自然臨空面部位還增加了錨索7根T＝100 t，L＝30～35 m。

3 底滑面g yj8的揭示及其動(dòng)態(tài)分析

2007年8月，引渠邊坡開(kāi)挖至1 860 m高程時(shí)，在坡體內(nèi)8號(hào)施工支洞開(kāi)挖中揭露出層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶g8sz-1，其產(chǎn)狀 N40°～60°E／N W∠30°～50°，根據(jù)產(chǎn)狀推測(cè)g8sz-1可能在引渠開(kāi)挖邊坡上約1 780 m高程附近出露，以底滑面g8sz-1、后緣拉裂面fyj6，第③組裂隙為側(cè)裂面組合構(gòu)成控制引渠邊坡穩(wěn)定的塊體。推測(cè)的g8sz-1的產(chǎn)狀是一個(gè)范圍，因此需要對(duì)其底滑面產(chǎn)狀進(jìn)行敏感性分析，以確定引渠邊坡破壞的潛在失穩(wěn)塊體的穩(wěn)定性。

3.1 底滑面產(chǎn)狀敏感性

計(jì)算方案及相應(yīng)的分析結(jié)果如表1所示。走向按10°間距劃分，傾向按5°間距劃分，二者組合構(gòu)成底滑面的產(chǎn)狀，據(jù)此確定g8sz-1的計(jì)算產(chǎn)狀，與fyj6、第③組裂隙組合進(jìn)行滑塊搜索，并分析滑面產(chǎn)狀對(duì)塊體穩(wěn)定性的影響。搜索的滑塊中，選取體積最大的滑塊進(jìn)行分析，按2.1節(jié)方法反算得到gyj8抗剪強(qiáng)度參數(shù)為c＝150 k Pa，φ＝31°。

表1 各種產(chǎn)狀組合的滑塊形態(tài)Table 1 For ms of sliding blocks with various occurrence combination

底滑面產(chǎn)狀對(duì)其穩(wěn)定性有較大的影響，如圖3所示。底滑面產(chǎn)狀位于區(qū)域ABCD內(nèi)時(shí)，需要增加坡面支護(hù)力，才能保證工程邊坡的穩(wěn)定。當(dāng)?shù)谆孀呦驗(yàn)镹60°E，與工程邊坡走向基本一致時(shí)，是最不利的情況，而當(dāng)傾角為35°時(shí)，為最危險(xiǎn)情況，現(xiàn)有支護(hù)不足以保證工程邊坡穩(wěn)定，所需錨固力相當(dāng)大，需首先考慮優(yōu)化邊坡體型，盡量避免g8SZ-1在開(kāi)挖坡面出露。

圖3 可能失穩(wěn)的底滑面產(chǎn)狀范圍Fig.3 Scope of possible unstable bottom surface

3.2 開(kāi)挖體型優(yōu)化

結(jié)合進(jìn)口水力學(xué)試驗(yàn)成果分析引渠邊坡開(kāi)挖體型有優(yōu)化的余地，將原設(shè)計(jì)的1 827.00 m高程直線(xiàn)段引渠邊坡在樁號(hào)引0+30 m位置調(diào)整為圓弧形開(kāi)挖，調(diào)整后的體型開(kāi)挖平剖面如圖1。從而避免了擠壓錯(cuò)動(dòng)帶g8SZ-1在開(kāi)挖坡面出露的可能性或增加了其外側(cè)的巖體厚度，對(duì)提高邊坡的穩(wěn)定性大有益處。

3.3 優(yōu)化開(kāi)挖體型后坡體變形分析

3.3.1 計(jì)算模型

三維幾何模型如圖4（a），真實(shí)再現(xiàn)了計(jì)算區(qū)域復(fù)雜的地形地貌、控制性結(jié)構(gòu)面?？刂菩越Y(jié)構(gòu)面包括：fyj6，g8sz-1、第 ③ 組 結(jié) 構(gòu) 面 （N60°～80°W／NE（SW）∠70°～80°）。采用遍布節(jié)理模型來(lái)模擬，節(jié)理模型的產(chǎn)狀采用第③組結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。在幾何模型的基礎(chǔ)上，建立有限元計(jì)算模型如圖4（b）。為較好地模擬復(fù)雜的地質(zhì)因素，模型全部采用四面體單元進(jìn)行離散。計(jì)算域共剖分了167 526個(gè)單元，30 484個(gè)節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)模型所處的地形地貌條件、河谷對(duì)稱(chēng)性及邊坡荷載方向，模型邊界條件順河向邊界（X向）、橫河向邊界（Y向）和底部邊界（Z向）分別取法向支座。

3.3.2 計(jì)算參數(shù)

數(shù)值分析采用了國(guó)際通用巖土分析軟件FLAC3D。根據(jù)計(jì)算域的地質(zhì)情況，按巖體分級(jí)分區(qū)選擇材料。采用彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則選用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則。材料參數(shù)如表2所示。

表2 巖體力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of rock mass

3.3.3 坡體變形分析

3.3.3.1 塊體分區(qū)分析

開(kāi)挖未加支護(hù)前的坡體位移增量如圖5（a），開(kāi)挖后坡體變形僅局限在工程邊坡為臨空面的有限范圍內(nèi)。盡管fyj6和g8sz-1圍限了較大區(qū)域的巖體，從剛體極限平衡的角度分析，這一部分巖體均有失穩(wěn)可能，但由于第③組結(jié)構(gòu)面的存在，致使?jié)撛谑Х€(wěn)塊體的邊界不完全由fyj6和g8sz-1所構(gòu)成，第③組結(jié)構(gòu)面成為局部失穩(wěn)塊體的上游邊界。

從圖5（b）暴雨工況所示的塑性區(qū)分布來(lái)看，工程邊坡附近巖體具有大片貫通的塑性區(qū)，顯示了自工程開(kāi)挖以來(lái)，該部分巖體受擾動(dòng)最明顯，在各工況應(yīng)力調(diào)整的過(guò)程中，正在或者曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)塑性流動(dòng)。在塊體上游側(cè)，底滑面部位的巖體發(fā)展成為塑性區(qū)，其上部巖體仍處于彈性，值得注意的是，在上游側(cè)g8sz-1出露的轉(zhuǎn)折處，其上部巖體沿第③組結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀方向發(fā)展成為貫通的塑性區(qū)。由此將塊體劃分為下游側(cè)的潛在失穩(wěn)塊體一和上游側(cè)的潛在失穩(wěn)塊體二。

圖4 邊坡計(jì)算模型Fig.4 Computation model of intake slope

圖5 有限元計(jì)算結(jié)果Fig.5 Result of finite element calculation

3.3.3.2 加固方案分析

為保證下游滑塊的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，按本文第2章三維剛體極限平衡分析方法復(fù)核原2.2節(jié)加強(qiáng)錨固設(shè)計(jì)方案，邊坡安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求，體型優(yōu)化后不需再增加支護(hù)。

為保證邊坡的永久運(yùn)行安全，本文還采用滑面單元點(diǎn)安全系數(shù)分布來(lái)評(píng)價(jià)支護(hù)方案的加固效果，并從提高滑面點(diǎn)安全系數(shù)的角度對(duì)各種錨索布置方式進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。點(diǎn)安全系數(shù)［3］定義如下：

數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，滑面上一點(diǎn)達(dá)到塑性破壞，只表明該點(diǎn)在最危險(xiǎn)截面上的正應(yīng)力和垂直該正應(yīng)力平面上的最大剪應(yīng)力間滿(mǎn)足屈服準(zhǔn)則。只有當(dāng)所有滑帶單元垂直滑面的正應(yīng)力和平行滑動(dòng)方向的剪應(yīng)力間都滿(mǎn)足屈服條件時(shí)，滑坡才會(huì)整體失穩(wěn)。該點(diǎn)在滑動(dòng)方向的抗剪強(qiáng)度由下式確定：

式中：τu，σn分別為滑面上滑動(dòng)方向上的抗剪強(qiáng)度和垂直滑面的正應(yīng)力（拉為正），c，φ分別為滑帶材料的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。

滑面該點(diǎn)的安全系數(shù)定義為

滑坡的整體安全系數(shù)定義為

計(jì)算結(jié)果表明：若上部強(qiáng)支護(hù)，則滑面點(diǎn)安全系數(shù)基本沒(méi)有提高，若中部強(qiáng)支護(hù)，滑面點(diǎn)安全系數(shù)有一定提高，若下部強(qiáng)支護(hù)，滑面點(diǎn)安全系數(shù)提高最大。未支護(hù)時(shí)滑面點(diǎn)安全系數(shù)及其位移矢量計(jì)算成果如圖6（a），滑塊內(nèi)側(cè)沿線(xiàn)點(diǎn)安全系數(shù)較小，局部小于1，最小值為0.933。圖6（b）示出了坡面平均布置錨索時(shí)滑面點(diǎn)安全系數(shù)的分布特征，工程邊坡開(kāi)挖面一側(cè)點(diǎn)安全系數(shù)有極大提高，最大達(dá)1.712，滑面整體安全系數(shù)達(dá)到1.316。

4 工后監(jiān)測(cè)反饋分析

4.1 計(jì)算模型

模型計(jì)算取邊坡1-1剖面（見(jiàn)圖1中位置）。模型采用四面體單元進(jìn)行離散。計(jì)算域共剖分了2 851個(gè)單元，5 890個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元網(wǎng)格劃分如圖7。

圖6 點(diǎn)安全系數(shù)分布Fig.6 Distribution of the safety factor of sliding surface point

4.2 反演分析計(jì)算

圖7 有限元網(wǎng)格劃分Fig.7 Finite element meshes

連通率即結(jié)構(gòu)面被斷層貫通的程度，也就是斷層在結(jié)構(gòu)面中所占的比例。結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)受連通率影響，按巖體力學(xué)參數(shù)和斷層力學(xué)參數(shù)的加權(quán)平均來(lái)計(jì)算更加合理。根據(jù)前期地質(zhì)資料確定斷層和巖體的c和φ值，再通過(guò)修改連通率得到新的c值和φ值作為結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)，根據(jù)邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值與不同連通率所對(duì)應(yīng)的計(jì)算值之間的接近程度，取二者最接近時(shí)的連通率所對(duì)應(yīng)的c值和φ值作為結(jié)構(gòu)面的計(jì)算參數(shù)，即求得待反演參數(shù)。

通過(guò)Flac3d軟件求得的在不同連通率下多點(diǎn)位移計(jì)孔口和距孔口最深處的相對(duì)位移在多點(diǎn)位移計(jì)方向的投影位移，分別如表3所示。

表3 Flac 3d反演計(jì)算結(jié)果Table 3 Result of Flac 3d inversion calculation

根據(jù)監(jiān)測(cè)資料，孔口處和距孔口最深處的相對(duì)位移為0.89 mm，故當(dāng)連通率等于0.43時(shí)，最為接近實(shí)際位移。通過(guò)反演的連通率計(jì)算斷層和底滑面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為c＝373.8 k Pa和φ＝28.55°。

4.3 基于反演結(jié)果的邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

在反演結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，各滑塊底滑面的c值和φ值與反演參數(shù)相等，計(jì)算結(jié)果如表4所示。最不利塊體組合為gyj3+fyj6，在最不利地震荷載（0.269 g）作用下，塊體安全系數(shù)為1.069，塊體穩(wěn)定性能夠得到保障。

表4 1－1剖面工程邊坡的穩(wěn)定性分析Table 4 Slope stability analysis f or pr ofile 1－1

5 結(jié) 論

錦屏一級(jí)水電站右岸進(jìn)水口引渠邊坡為高陡順層巖石邊坡，邊坡后緣發(fā)育陡傾的fyj6斷層，是潛在失穩(wěn)塊體的后緣面，層間擠壓帶發(fā)育，構(gòu)成了潛在失穩(wěn)塊體的底滑面。但層間擠壓帶的發(fā)育位置和產(chǎn)狀、連通率等復(fù)雜多變，施工前期無(wú)法準(zhǔn)確定量評(píng)價(jià)塊體穩(wěn)定性。施工期設(shè)計(jì)遵循了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)原則，保障了工程邊坡的安全。

（1）2006年10月，開(kāi)挖揭示邊坡體主要以底滑面gyj3為控制性結(jié)構(gòu)面，論文討論了底滑面參數(shù)的確定方法以及相應(yīng)的塊體穩(wěn)定性。建立邊坡的三維計(jì)算模型，采用搜索方法，確定出潛在失穩(wěn)滑塊。按暴雨工況下滑塊安全系數(shù)為1.05反算得到底滑面gyj3的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為：c＝115k Pa，φ＝31°。據(jù)此對(duì)塊體加強(qiáng)錨固設(shè)計(jì)。

（2）2007年8月，坡體開(kāi)挖至1 860 m高程時(shí)，揭露出控制性底滑面g8sz-1，其產(chǎn)狀有一定的變化范圍，論文對(duì)此進(jìn)行了敏感性分析，提出了不利產(chǎn)狀區(qū)域，據(jù)此優(yōu)化了邊坡開(kāi)挖體型，避免了擠壓錯(cuò)動(dòng)帶g8SZ-1在開(kāi)挖坡面出露的可能性或增加了其外側(cè)的巖體厚度。并建立三維幾何及數(shù)值計(jì)算模型，分析優(yōu)化體型后的坡體變形特征和支護(hù)方案評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)g8sz-1的產(chǎn)狀研究和開(kāi)挖體型優(yōu)化，避免了再次增加大量的支護(hù)措施，從而節(jié)約了工程投資。

（3）為確保邊坡穩(wěn)定安全，邊坡施工完建后開(kāi)展了監(jiān)測(cè)資料的反饋分析。利用多點(diǎn)位移計(jì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過(guò)比較計(jì)算位移和監(jiān)測(cè)位移，綜合支護(hù)效果、結(jié)構(gòu)面特性等，反演出結(jié)構(gòu)面的等效抗剪強(qiáng)度參數(shù)為：c＝373.8 k Pa和φ＝28.55°，據(jù)此評(píng)價(jià)了引渠邊坡施工完建后是穩(wěn)定安全的。

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［3］楊 濤，周德培，馬惠民，等.滑坡穩(wěn)定性分析的點(diǎn)安全系數(shù)法［J］.巖土力學(xué)，2010，31（3）：971-975.（YANG Tao，ZHOU De-pei，MA Hui-min，et al.The Point Safety Factor Method of the Stability Analysis of Landslide［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31（3）：971-975.（in Chinese））

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