锦屏一级水电站右岸进水口引渠边坡动态设计研究

游 湘，杨 涛，张 旻，杨鹏飞

（1.中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072；2.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031）

1 工程概况

锦屏一级水电站坝区两岸山体雄厚，谷坡陡峻，基岩裸露，相对高差千余米，为典型的深切“V”形谷。岩层走向与河流流向基本一致，右岸为顺向坡。坝址区右岸谷坡岩体由杂谷脑组第二段（T2-3Z）3-8层大理岩、角砾状大理岩组成，层面裂隙及层间挤压错动带较发育。

岸塔式6孔电站进水口与1孔泄洪洞进口前缘位于坝前右岸普斯罗沟下游沟壁，呈一字形布置。为改善进水条件，经水力学试验研究，上游沟壁岩体需开挖掉一部分形成引渠。引渠边坡开挖坡比1∶0.18，边坡开口线1 920 m，开挖底高程1 777 m。该部位地形陡峻，技施设计前一直未布置实物勘探。设计时预测的失稳滑移模式是以第6层层面边界（高程1 887 m）为底滑面的顺层滑动。考虑在1 887 m高程以上（T2（6）2-3z层Ⅳ类岩石）布置锚索T＝200 t，间排距5 m。开挖工程于2005年9月开工。

随着引渠边坡开挖、监测交通洞兼勘测平洞以及施工支洞开挖的不断揭露，泄洪洞引渠边坡发育有f13，fyj6，fXD5，f8SZ-1，f8SZ-2，f8SZ-3共6条断层，gyj2，gyj3～7，g8sz-1，gXN2，gXN4等多条层间挤压错动带。这些断层和层间挤压错动带构成引渠边坡不同高程、不同部位控制开挖边坡稳定性的主要结构面。因此施工期根据不断揭露的地质条件，进行了动态稳定性设计研究。引渠开挖边坡动态设计调整后平面及剖面如图1所示。

2 底滑面g yj3的揭示及其动态设计

2006年10月，右岸进水口引渠边坡监测交通洞兼勘测平硐已开挖完成，引渠内侧边坡1 860 m高程以上已部分开挖。根据揭示的地质资料分析，引渠边坡发育一系列的层间挤压错动带，构成了破坏的底滑面，主要以底滑面gyj3（推测出露高程1 800～1 815 m）、后缘拉裂面fyj6，第③组裂隙为侧裂面组合成为控制性块体。潜在失稳块体的稳定性评价与底滑面的抗剪强度参数取值密切相关。实际结构面，无论是充填物还是连通率均不规则，因此需要结合反演分析，综合确定结构面计算参数。

2.1 滑面参数反演分析

建立边坡的三维几何计算模型如图2。按照fyj6和gyj3的位置固定，第③组裂隙的位置采用间距为20 m进行搜索，共搜索得到潜在失稳滑块5个。经计算对比，滑块1的稳定性最差，因此以滑块1为对象，反算其滑面参数。按暴雨工况下滑块安全系数为1.05，反算得到层间挤压带gyj3抗剪强度参数为：c＝115 k Pa，φ＝31°。

图1 引渠开挖边坡平面及剖面Fig.1 Plane view and profile of the intake slope

图2 三维计算模型Fig.2 Three-di mensional computation model

2.2 动态锚固设计

根据反算参数采用三维刚体极限平衡分析［1-2］方法计算工程边坡需加强锚固设计如下：在高程1 917 m以上设置7排锚索T＝200 t，L＝35～55 m，排距5.00 m。在高程1 814 m～1 917 m间设置锚索T＝300 t，L＝45～100 m，间排距5.00 m。在滑块1的自然临空面部位还增加了锚索7根T＝100 t，L＝30～35 m。

3 底滑面g yj8的揭示及其动态分析

2007年8月，引渠边坡开挖至1 860 m高程时，在坡体内8号施工支洞开挖中揭露出层间挤压错动带g8sz-1，其产状 N40°～60°E／N W∠30°～50°，根据产状推测g8sz-1可能在引渠开挖边坡上约1 780 m高程附近出露，以底滑面g8sz-1、后缘拉裂面fyj6，第③组裂隙为侧裂面组合构成控制引渠边坡稳定的块体。推测的g8sz-1的产状是一个范围，因此需要对其底滑面产状进行敏感性分析，以确定引渠边坡破坏的潜在失稳块体的稳定性。

3.1 底滑面产状敏感性

计算方案及相应的分析结果如表1所示。走向按10°间距划分，倾向按5°间距划分，二者组合构成底滑面的产状，据此确定g8sz-1的计算产状，与fyj6、第③组裂隙组合进行滑块搜索，并分析滑面产状对块体稳定性的影响。搜索的滑块中，选取体积最大的滑块进行分析，按2.1节方法反算得到gyj8抗剪强度参数为c＝150 k Pa，φ＝31°。

表1 各种产状组合的滑块形态Table 1 For ms of sliding blocks with various occurrence combination

底滑面产状对其稳定性有较大的影响，如图3所示。底滑面产状位于区域ABCD内时，需要增加坡面支护力，才能保证工程边坡的稳定。当底滑面走向为N60°E，与工程边坡走向基本一致时，是最不利的情况，而当倾角为35°时，为最危险情况，现有支护不足以保证工程边坡稳定，所需锚固力相当大，需首先考虑优化边坡体型，尽量避免g8SZ-1在开挖坡面出露。

图3 可能失稳的底滑面产状范围Fig.3 Scope of possible unstable bottom surface

3.2 开挖体型优化

结合进口水力学试验成果分析引渠边坡开挖体型有优化的余地，将原设计的1 827.00 m高程直线段引渠边坡在桩号引0+30 m位置调整为圆弧形开挖，调整后的体型开挖平剖面如图1。从而避免了挤压错动带g8SZ-1在开挖坡面出露的可能性或增加了其外侧的岩体厚度，对提高边坡的稳定性大有益处。

3.3 优化开挖体型后坡体变形分析

3.3.1 计算模型

三维几何模型如图4（a），真实再现了计算区域复杂的地形地貌、控制性结构面。控制性结构面包括：fyj6，g8sz-1、第 ③ 组 结 构 面 （N60°～80°W／NE（SW）∠70°～80°）。采用遍布节理模型来模拟，节理模型的产状采用第③组结构面的产状。在几何模型的基础上，建立有限元计算模型如图4（b）。为较好地模拟复杂的地质因素，模型全部采用四面体单元进行离散。计算域共剖分了167 526个单元，30 484个节点。

根据模型所处的地形地貌条件、河谷对称性及边坡荷载方向，模型边界条件顺河向边界（X向）、横河向边界（Y向）和底部边界（Z向）分别取法向支座。

3.3.2 计算参数

数值分析采用了国际通用岩土分析软件FLAC3D。根据计算域的地质情况，按岩体分级分区选择材料。采用弹塑性本构模型，屈服准则选用莫尔-库仑准则。材料参数如表2所示。

表2 岩体力学参数Table 2 Mechanical parameters of rock mass

3.3.3 坡体变形分析

3.3.3.1 块体分区分析

开挖未加支护前的坡体位移增量如图5（a），开挖后坡体变形仅局限在工程边坡为临空面的有限范围内。尽管fyj6和g8sz-1围限了较大区域的岩体，从刚体极限平衡的角度分析，这一部分岩体均有失稳可能，但由于第③组结构面的存在，致使潜在失稳块体的边界不完全由fyj6和g8sz-1所构成，第③组结构面成为局部失稳块体的上游边界。

从图5（b）暴雨工况所示的塑性区分布来看，工程边坡附近岩体具有大片贯通的塑性区，显示了自工程开挖以来，该部分岩体受扰动最明显，在各工况应力调整的过程中，正在或者曾经出现过塑性流动。在块体上游侧，底滑面部位的岩体发展成为塑性区，其上部岩体仍处于弹性，值得注意的是，在上游侧g8sz-1出露的转折处，其上部岩体沿第③组结构面的产状方向发展成为贯通的塑性区。由此将块体划分为下游侧的潜在失稳块体一和上游侧的潜在失稳块体二。

图4 边坡计算模型Fig.4 Computation model of intake slope

图5 有限元计算结果Fig.5 Result of finite element calculation

3.3.3.2 加固方案分析

为保证下游滑块的长期稳定性，按本文第2章三维刚体极限平衡分析方法复核原2.2节加强锚固设计方案，边坡安全系数满足规范要求，体型优化后不需再增加支护。

为保证边坡的永久运行安全，本文还采用滑面单元点安全系数分布来评价支护方案的加固效果，并从提高滑面点安全系数的角度对各种锚索布置方式进行了分析评价。点安全系数［3］定义如下：

数值计算过程中，滑面上一点达到塑性破坏，只表明该点在最危险截面上的正应力和垂直该正应力平面上的最大剪应力间满足屈服准则。只有当所有滑带单元垂直滑面的正应力和平行滑动方向的剪应力间都满足屈服条件时，滑坡才会整体失稳。该点在滑动方向的抗剪强度由下式确定：

式中：τu，σn分别为滑面上滑动方向上的抗剪强度和垂直滑面的正应力（拉为正），c，φ分别为滑带材料的内聚力和内摩擦角。

滑面该点的安全系数定义为

滑坡的整体安全系数定义为

计算结果表明：若上部强支护，则滑面点安全系数基本没有提高，若中部强支护，滑面点安全系数有一定提高，若下部强支护，滑面点安全系数提高最大。未支护时滑面点安全系数及其位移矢量计算成果如图6（a），滑块内侧沿线点安全系数较小，局部小于1，最小值为0.933。图6（b）示出了坡面平均布置锚索时滑面点安全系数的分布特征，工程边坡开挖面一侧点安全系数有极大提高，最大达1.712，滑面整体安全系数达到1.316。

4 工后监测反馈分析

4.1 计算模型

模型计算取边坡1-1剖面（见图1中位置）。模型采用四面体单元进行离散。计算域共剖分了2 851个单元，5 890个节点，单元网格划分如图7。

图6 点安全系数分布Fig.6 Distribution of the safety factor of sliding surface point

4.2 反演分析计算

图7 有限元网格划分Fig.7 Finite element meshes

连通率即结构面被断层贯通的程度，也就是断层在结构面中所占的比例。结构面的力学参数受连通率影响，按岩体力学参数和断层力学参数的加权平均来计算更加合理。根据前期地质资料确定断层和岩体的c和φ值，再通过修改连通率得到新的c值和φ值作为结构面力学参数，根据边坡监测点的位移值与不同连通率所对应的计算值之间的接近程度，取二者最接近时的连通率所对应的c值和φ值作为结构面的计算参数，即求得待反演参数。

通过Flac3d软件求得的在不同连通率下多点位移计孔口和距孔口最深处的相对位移在多点位移计方向的投影位移，分别如表3所示。

表3 Flac 3d反演计算结果Table 3 Result of Flac 3d inversion calculation

根据监测资料，孔口处和距孔口最深处的相对位移为0.89 mm，故当连通率等于0.43时，最为接近实际位移。通过反演的连通率计算断层和底滑面的抗剪强度参数为c＝373.8 k Pa和φ＝28.55°。

4.3 基于反演结果的边坡稳定性分析评价

在反演结果的基础上进行边坡稳定性分析，各滑块底滑面的c值和φ值与反演参数相等，计算结果如表4所示。最不利块体组合为gyj3+fyj6，在最不利地震荷载（0.269 g）作用下，块体安全系数为1.069，块体稳定性能够得到保障。

表4 1－1剖面工程边坡的稳定性分析Table 4 Slope stability analysis f or pr ofile 1－1

5 结 论

锦屏一级水电站右岸进水口引渠边坡为高陡顺层岩石边坡，边坡后缘发育陡倾的fyj6断层，是潜在失稳块体的后缘面，层间挤压带发育，构成了潜在失稳块体的底滑面。但层间挤压带的发育位置和产状、连通率等复杂多变，施工前期无法准确定量评价块体稳定性。施工期设计遵循了动态设计原则，保障了工程边坡的安全。

（1）2006年10月，开挖揭示边坡体主要以底滑面gyj3为控制性结构面，论文讨论了底滑面参数的确定方法以及相应的块体稳定性。建立边坡的三维计算模型，采用搜索方法，确定出潜在失稳滑块。按暴雨工况下滑块安全系数为1.05反算得到底滑面gyj3的抗剪强度参数为：c＝115k Pa，φ＝31°。据此对块体加强锚固设计。

（2）2007年8月，坡体开挖至1 860 m高程时，揭露出控制性底滑面g8sz-1，其产状有一定的变化范围，论文对此进行了敏感性分析，提出了不利产状区域，据此优化了边坡开挖体型，避免了挤压错动带g8SZ-1在开挖坡面出露的可能性或增加了其外侧的岩体厚度。并建立三维几何及数值计算模型，分析优化体型后的坡体变形特征和支护方案评价。通过对g8sz-1的产状研究和开挖体型优化，避免了再次增加大量的支护措施，从而节约了工程投资。

（3）为确保边坡稳定安全，边坡施工完建后开展了监测资料的反馈分析。利用多点位移计的监测结果，通过比较计算位移和监测位移，综合支护效果、结构面特性等，反演出结构面的等效抗剪强度参数为：c＝373.8 k Pa和φ＝28.55°，据此评价了引渠边坡施工完建后是稳定安全的。

［1］陈革强.刚体极限平衡法浅析［J］.海河水利，1999，（2）：16-18.（CHEN Ge-qiang.Discussion on the Rigid Body Li mit Equilibriu m Methods［J］.Haihe Water Resources，1999，（2）：16-18.（in Chinese））

［2］张 鹏.岩土边坡刚体极限平衡法的误差根源与范围研究［D］.西安：西安理工大学，2003.（ZHANG Peng.Research on the Error-mechanis m and Error-Range of the Rigid Limited Equilibrium Method in the Stability of Rocks &Soil Slope［D］.Xi’an：Xi’an University of Technology，2003.（in Chinese））

［3］杨 涛，周德培，马惠民，等.滑坡稳定性分析的点安全系数法［J］.岩土力学，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））

［4］Itasca Consulting Group Inc.FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Di mensions），Version2.0，User’s Manual［K］.USA：Itasca Consulting Group Inc.，1997.