大岗山水电站缆机平台左岸边坡稳定分析与评价

潘燕芳，刘 翔，黎满林

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

大岗山水电站位于四川省西部大渡河中游石棉县境内，是大渡河干流近期开发的大型水电工程之一，坝址处控制流域面积达6.27万km2，占全流域的81%，多年平均流量1010m3/s，电站正常蓄水位1130m，最大坝高210m，总库容7.42亿m3，电站装机容量2600MW。

左岸缆机自然边坡高陡，地形较完整，无沟谷切割，地形坡度约40°，地表零星分布崩坡积物。基岩为灰白色、微红色黑云二长花岗岩(γ24－1)，有辉绿岩脉穿插。缆机平台位于海流沟与大渡河次级分水岭的北西坡，其后次级分水岭高1540～1400m，坡面冲沟不发育，地形较完整，地表植被较好。左岸缆机平台及边坡区主要发育 β6、β101、β99、β9、β78(f117)、β79、β166等岩脉破碎带，裂隙主要发育有③、④、⑥3组。边坡微新岩体以块状、次块状结构为主，陡倾角的岩脉破碎带挤压较紧密，但表浅部风化卸荷强烈，岩体呈碎裂－块裂结构，岩体质量较差。PLⅢ－PLⅢ工程地质剖面见图1。

2 计算条件

2.1 计算参数

计算中采用的岩体及结构面物理力学参数见表1、2，岩脉及断层物理力学参数见表3。

2.2 开挖施工过程

图1 PLⅢ－PLⅢ工程地质剖面

左岸缆机PLⅢ－PLⅢ剖面边坡开挖模拟过程(见图2):第一步:1450m高程以上开挖;第二步:1450～1420m高程坡段开挖;第三步:1420～1390m高程坡段开挖，1450m高程以上坡段支护;第四步:1390～1360m高程坡段开挖，1450～1420m高程坡段支护;第五步:1360～1330m高程坡段开挖，1420～1390m高程坡段支护;第六步:1330～1300m高程坡段开挖，1390～1360m高程坡段支护;第七步:1300～1270m高程坡段开挖，1360～1330m高程坡段支护;第八步:1270～1255m高程坡段开挖，1330～1300m高程坡段支护;第九步:1255～1225m高程坡段开挖，1300～1270m高程坡段支护;第十步:1225～1195m高程坡段开挖，1270～1255m高程坡段支护;第十一步:1195～1165m高程坡段开挖，1255～1225m高程坡段支护;第十二步:1165～1135m高程坡段开挖，1225～1195m高程坡段支护。

表1 边坡岩体有限元计算力学参数

表2 边坡岩体结构面有限元计算力学参数

2.3 加固方案

1135m高程以上设置预应力锚索，锚索参数为:100t或150t，间排距5m ×5m，长50～60m，俯角5°。考虑到边坡实际施工过程中上下坡段之间的施工干扰，锚索的支护按滞后两个施工坡段模拟。

3 有限元模型

左岸缆机PLⅢ－PLⅢ剖面边坡二维有限元模型见图2。模型计算范围横河向920m(从河床中心线向左岸坡内取920m)，垂直向900m(从高程600m到高程1500m)。有限元模型对卸荷及风化界线，岩体质量分类界线，β101、β99、β6、β184、β166、β79、β28、β21等岩脉和 f172、f112、f67、f33等断层进行了细致模拟，共剖分单元2260个，结点4672个，其中开挖单元147个。

4 有限元分析及评价

4.1 变形分析

在边坡开口线及各级马道外缘选取12个关键点(见图3)。边坡关键点在边坡开挖过程中的累积变形量随开挖的变化见图4。各开挖步下关键点的变形增量及累积变形增量见表4。开挖完成累积变形矢量图见图5。从变形计算结果可见:

表3 左岸边坡岩脉及断层的物理力学参数

图3 关键点位置

(1)总体上，缆机平台PLIII－PLIII剖面左岸边坡开挖支护后，水平方向位移基本指向坡内，在垂直方向上表现为向上回弹变形。开挖至坝顶高程时，边坡最大水平变形为53.3mm(向坡内)，最大垂直向变形为90.0mm(竖直向上)。

(2)在下挖过程中，各开挖步产生的水平变形增量大多指向坡内，且随着开挖量的增大及开挖高程的下降，水平变形增量显著增大，但在1135～1225m高程开挖时，水平变形增量又随着开挖高程的下降而显著减小。各开挖步产生的最大水平变形增量从0.5mm逐步增大到18.5mm，又从18.5mm减小到2.7mm。

(3)在下挖过程中，各开挖步产生的垂直变形增量一般表现为向上的回弹型变形，最大垂直变形增量随着开挖高程的下降先增大后减小，垂直变形增量在3.7～21.7mm范围内变化。

(4)从变形随开挖的变化过程来看，一是开挖引起的回弹变形范围随开挖逐级增大;二是各级边坡开挖对邻级边坡变形的影响最为显著，对较远坡段的影响逐步减弱。后继边坡开挖使开挖边坡变形逐步增大，最终趋于平稳。

表4 缆机平台PLIII－PLIII剖面左岸边坡开挖过程中观测点位移值

4.2 应力分析

左岸缆机PLIII－PLIII剖面边坡的初始应力场及开挖至坝顶高程时的应力场主应力云图见图6(图中主应力以拉为正，压为负;应力单位MPa);边坡开挖至坝顶高程时边坡浅表层拉应力区见图7。从图中可见:

(1)边坡大主应力基本与坡面平行，小主应力基本与坡面垂直。边坡初始应力场基本上处于零应力或双向受压状态，这对边坡稳定有利。边坡表面局部存在最大量值为0.125MPa的拉应力，但分布范围及深度均不大，对边坡整体稳定性影响不大。

(2)边坡开挖至坝顶高程时，边坡大主应力基本与开挖面平行，而小主应力基本与开挖面垂直。开挖面上的大主应力主要为压应力，量值约为0～2.0MPa，坡脚最大压应力约为2.0MPa;小主应力主要为低压或低拉应力，最大拉应力约为0.06MPa，水平深度3～5m，处在系统锚杆的有效支护范围内。

(3)边坡开挖至坝顶高程时，边坡拉应力分布范围极小，对边坡局部稳定性影响很小，表明预应力锚索起到了良好的支护作用。

4.3 塑性区分布

边坡在初始地应力条件下以及边坡开挖至坝顶高程时的塑性区见图8。从图中可见:

(1)从初始应力场塑性区的分布特征上看，边坡塑性区主要沿Ⅴ类岩体底部界限呈条带状分布并呈贯通趋势，表明边坡浅表层的不稳定性较为突出，且边坡的安全裕度不大。左岸缆机PLIII－PLIII剖面边坡最危险滑动模式:是以Ⅴ类岩体底部界线为底滑面、剪出口位于坡脚的滑动模式。

(2)边坡开挖完成后，边坡塑性区被开挖边坡截断，在1300m高程以上边坡和缆机平台1270m高程以下边坡形成两段贯通的塑性区。1390m高程以上边坡的塑性区埋深较大，预应力锚索的深度难以贯穿Ⅴ类岩体，因此1390～1300m高程锁固段边坡的预应力锚索对于抑制“以Ⅴ类底部界线为底滑面、剪出口位于1300m高程坡脚的滑动模式”的变形破坏至关重要;缆机平台以下1270～1195m高程坡段Ⅴ类岩体中塑性区水平埋深较浅，处在预应力锚索的有效加固范围内，因此预应力锚索的及时跟进是确保该坡段边坡稳定性的关键。

图4 各关键点累积变形随开挖的变化曲线

图5 开挖完成累积位移矢量图

图6 主应力云图

5 结 语

图7 开挖至坝顶高程时拉应力区分布

本文采用二维弹塑性有限元方法模拟左岸缆机PLIII－PLIII剖面边坡开挖支护施工过程，研究边坡在逐层开挖逐层支护过程中的应力－变形演化规律、预应力锚索对边坡的加固支护效应以及对边坡稳定性的影响，主要结论如下:

图8 塑性区

(1)由计算成果分析可知，加固后的边坡处于整体稳定状态。开挖引起的回弹变形范围随开挖逐级增大;各级边坡开挖对邻级边坡变形的影响最为显著，对较远坡段的影响逐步减弱。后继边坡开挖使开挖边坡变形逐步增大，最终趋于平稳。

(2)边坡开挖至坝顶高程时，边坡大主应力基本与开挖面平行，小主应力基本与开挖面垂直。边坡面拉应力分布范围极小，对边坡局部稳定性影响很小，表明预应力锚索起到了良好的支护作用。

(3)1390～1300m高程锁固段边坡的预应力锚索对于抑制“以Ⅴ类底部界线为底滑面、剪出口位于1300m高程坡脚的滑动模式”的变形破坏至关重要;缆机平台以下1270～1195m高程坡段Ⅴ类岩体中的滑动破坏模式，其水平埋深较浅，在预应力锚索的有效加固范围内，因此预应力锚索的及时跟进是确保该坡段边坡稳定性的关键。

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