某水电站尾水洞出口边坡稳定性研究

王铭欣，张 曦，李志远

（1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室；2.环境与土木工程学院，成都610059）

作为我国重要的大型水电站工程，其尾水洞出口边坡岩体结构面较发育，可能会对尾水洞出口边坡施工及以后的安全运行带来隐患。根据前期野外工作和后期分析研究，表明尾水洞出口边坡结构面主要以陡倾结构面产出，缓倾结构面倾向坡外，边坡整体稳定性较差。边坡的变形破坏模式主要表现为滑移—拉裂破坏和冒落式破坏。

1 边坡工程地质条件

尾水洞出口边坡位于雾化横剖面2下游约150m处，导流洞下游215m处，坡段顺河长约150m，自然边坡总体走向为N44°W，坡向SW，坡度60°～70°，临江部位坡度较陡。

尾水洞出口系统由2条尾水洞平行布置组成，尾水洞工程边坡轴线方向N20°E，开挖范围沿轴线方向长约70m，垂直轴线宽度最高达150m。出口开挖底板高程2 459.4m，开挖坡比为1︰0.3，开挖坡高约100m，洞脸边坡走向N44°W。

边坡出露岩性单一，由花岗岩组成。岩体风化卸荷情况为：弱上风化强卸荷岩体定为Ⅳ类岩体，发育深度在水平方向约20m，弱风化弱卸荷岩体定为Ⅲ类岩体，分为Ⅲ1、Ⅲ2两个亚类，发育深度在水平方向上约30m［1］。第四系覆盖层主要为谷坡的崩坡积、坡残积，崩积物主要分布在尾水洞上游坡脚处，陡坎处有坡残积及植物覆盖（图1）。

图1 尾水洞出口边坡地质平面图

边坡岩体中结构面较发育，据地表结构面统计，主要可见5组，其中以①、②两组最为发育，③组次之，④、⑤两组发育程度较低。结构面的具体性状特征见表1。

2 边坡岩体结构及变形破坏模式

根据前述对边坡岩体结构特征的分析，尾水洞出口边坡构造形迹呈NE及NW向展布，主要以陡倾结构面产出，缓倾结构面倾向坡外，边坡整体稳定性较好。边坡的变形破坏模式主要表现为局部随机危岩块体，以及在风化作用下，受第⑤组顺河向陡倾坡外结构面及第①组结构面控制的冒落式破坏，其中第①组结构面构成顶部切割面，第⑤组顺河向陡倾结构面构成滑移面，洞脸边坡有强卸荷底界作为滑移面，结构面④作为拉裂面发生的破坏，内侧边坡有结构面①作为滑移面，结构面④作为拉裂面发生的破坏［2］。

表1 尾水洞出口边坡结构面性状特征

3 边坡整体稳定性评价

3.1 计算模型建立

根据地表出露断层和地表裂隙统计情况，尾水洞出口边坡主要发育有5组结构面：（1）偏上游，倾坡外的一组缓倾结构面；（2）偏下游，倾坡外的一组中陡倾结构面；（3）略偏上游，陡倾角的一组结构面；（4）中陡倾上游的一组结构面；（5）顺河向，陡倾的一组结构面。边坡的稳定性主要受陡倾结构面及强卸荷底界控制。边坡的变形破坏模式主要为陡倾结构面和强卸荷底界的滑移拉裂型，工程边坡将滑移拉裂破坏，以下以尾水洞洞脸边坡的稳定性作计算分析。

由尾水洞出口边坡1＃纵剖面、2＃横剖面（图2～3）可知，工程边坡开挖部位处于弱上风化强卸荷带内，在大方量开挖切脚之后势必进行应力调整而向开挖临空面卸荷，使边坡局部处于不稳定状态。主要潜在破坏方式为以弱上风化强卸荷岩体底界为潜在滑移面，以陡倾结构面为拉裂面发生滑移拉裂破坏，具体组合模式见表2。

表2 尾水洞不利结构面组合模式表

图2 尾水洞出口工程地质2＃横剖面图

图3 尾水洞出口工程地质1＃纵剖面图

3.2 计算结果及安全性评价

采用一般条分、毕肖普、简布3种方法对边坡在天然、暴雨、地震3种工况下的稳定性做了计算［3］，其中地震工况取50a一遇超越概率为5%时的基岩水平加速度峰值为181.4g。计算参数根据结构面的性状特征，依照成勘院提供的力学参数表选定。计算结果见表3。

尾水洞出口边坡一带（左岸2＃横剖面一带），边坡上部受Ⅳ类岩体控制，计算结果表明，稳定性系数在天然工况下为1.223～1.347，暴雨工况下为1.154～1.286，地震工况下为1.027～1.177，表明该处边坡在地震工况下处于基本稳定—不稳定状态；尾水洞出口边坡一带（左岸1＃纵剖面一带），稳定性系数在天然工况下为1.240～1.843，暴雨工况下为1.168～1.765，地震工况下为1.051～1.089，表明该处边坡处于稳定状态。

表3 尾水洞出口边坡稳定性计算成果表

4 边坡局部稳定性分析

据尾水洞设计方案，洞脸边坡产状为：N44°W／SW∠63°，内外侧边坡产状为：N20°E／SE∠74°，N20°E／NW∠74°，N20°E／直立。分别发育有4组结构面：N45°E／NW∠28°，N87°E／SE∠56°，N80°E／NW∠80°，N65°E／NW∠60°。对尾水洞出口边坡的裂隙组合与开挖面的关系作赤平投影分析（图4～5）。由赤平投影分析可得：洞脸边坡中，1和2可以构成楔形块体，滑移面角度较小不致构成破坏。内侧边坡中，1和2也可以构成楔形块体，滑移面角度较小不致构成破坏［4］。

5 边坡稳定性综合评价

尾水洞出口工程边坡岩体岩性为燕山早期茨玛绒侵入体（ηγ52），由花岗岩组成，岩体风化卸荷比较强烈，自然边坡总体为陡倾结构边坡，自然边坡整体处于基本稳定—稳定状态。边坡岩体主要为Ⅳ类岩体，开挖坡比为1︰0.3，每25m设3m宽马道。因为边坡的开挖坡比大于边坡岩体的稳定坡比，且开挖坡高最大为100m，工程边坡可能存在安全隐患。

图5 左岸尾水洞内外侧边坡赤平极射投影图

尾水洞出口边坡一带（左岸2＃横剖面一带），边坡上部受Ⅳ类岩体控制，计算结果表明，稳定性系数在天然工况下为1.209～1.401，暴雨工况下为1.148～1.335，地震工况下为1.049～1.330，表明该处工程边坡在暴雨和地震工况下处于基本稳定—不稳定状态；左岸尾水洞出口边坡一带（左岸1＃纵剖面一带），稳定性系数在天然工况下为1.278～1.319，暴雨工况下为1.213～1.256，地震工况下为1.059～1.00，表明该处工程边坡处于稳定状态。边坡浅表部存在不利的随机块体组合。

6 处理措施建议

鉴于上述稳定性评价结果，建议对边坡作如下处理：

（1）洞脸边坡作一定量的预应力锚索支护，以防止洞脸边坡以陡倾结构面为拉裂面，以强卸荷底界为底滑面的变形破坏；

（2）因边坡浅表部均存在不稳定随机组合块体，且岩性相对较软弱，建议对边坡作全断面锚杆支护，并进行喷浆或挂网处理［5］。

7 结语

通过研究分析，对尾水洞出口边坡岩体稳定性做出评价，得到以下主要结论：

（1）尾水洞出口边坡岩体相对较发育，通过计算可以得出，在天然和暴雨工况下处于稳定状态，在地震工况下，处于不稳定状态。

（2）尾水洞出口边坡岩体局部稳定性通过赤平投影分析，主要以楔形滑移块体为主，但是考虑到滑移角度较小，故产生破坏的可能性很小。

（3）尾水洞出口边坡根据具体情况应做相应支护。

［1］周志东，胡卸文，张倬元，等.西南某水电站坝肩岩体质量分级方法选取探讨 ［J］.成都理工大学学报：自然科学版，1999 （1）：1－8.

［2］张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理［M］.北京：地质出版社，2009：278－296.

［3］张季如.边坡开挖的有限元模拟和稳定性评价［J］.岩石力学与工程学报，2002，21（6）：843－847.

［4］王思敬.赤平极射投影方法在岩体稳定分析中的应用［M］.北京：科学出版社，1975.

［5］张发明，刘汉龙，赵维炳.预应力锚索加固岩质边坡的设计实例［J］.岩土力学，2000，21（2）：177－179.