锦屏水电站料场边坡变形特征与破坏机制分析

黄志鹏，唐辉明，董志宏，尹健民，郭喜峰，

(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010;2.中国地质大学(武汉)工程学院，武汉 430074)

1 工程背景

我国在长江、金沙江、雅砻江、黄河、大渡河、南沧江、怒江等干流上已建和在建的一批大型骨干水电站，如三峡、龙滩、李家峡、小湾、拉西瓦等工程都存在着严重的高边坡稳定问题。其中三峡工程库区中存在10多处近亿m3的滑坡体，拉西瓦水电站下游左岸存在着高达700 m的巨型潜在不稳定山体，龙滩水电站左岸存在总方量1 000万m3倾倒蠕变体等。这些边坡通过治理加固，已经稳定。为治理这些边坡不但耗去了大量的资金，还拖延了工期，成为我国水利水电工程施工中一个比较严峻的问题，有的边坡工程甚至已成为制约工程进度和成败的关键。这些工程的规模和所包含的技术难度都是空前的。边坡稳定问题是水利水电工程中经常遇到的问题。边坡的稳定性直接决定着工程修建的可行性，影响着工程的建设投资和安全运行。

锦屏一级水电站位于四川省凉山州盐源县雅砻江普斯罗沟峡谷内，是雅砻江干流上的重要梯级电站工程。该电站大坝为混凝土双曲拱坝，坝高305 m，是目前世界上最高拱坝。大坝混凝土骨料约450万m3。由于坝区上、下游河段内缺乏天然砂砾石料，大坝混凝土骨料采用大奔流料场提供的人工骨料。大奔流沟料场边坡为枢纽工程区Ⅱ级边坡，开挖高度接近500 m，属于特高边坡，如图1所示。边坡岩层近平行于边坡，坡体内层间错动带发育，陡倾坡外，岸坡卸荷强烈，岩体结构控制着边坡的稳定。为满足大坝施工用料及进度要求，边坡开挖卸荷速度快，施工期边坡的安全稳定问题突出。

图1 锦屏一级水电站大奔流沟料场高边坡Fig.1 High slope at Dabenliugou quarry of Jinping－ⅠHydropower Station

采用离散元和快速拉格朗日差分数值计算方法进行了计算，分析研究了大奔流高边坡在开挖支护后的变形破坏特征、潜在破坏机制、边坡开挖后的应力场和塑性区分布特征，及各种工况下的安全系数。

2 工程及地质分析

2.1 地质特性

大奔流料场位于大奔流沟下游长约750 m的雅砻江左岸临江斜坡上，下游距锦屏二级水电站闸坝0.3～1.0 km。该段边坡走向自南向北为NE21°—NW334°，倾向SE—NE，倾角55°～65°，局部为直立状陡崖。坡脚河床地面高程1 620 m，自然边坡最大坡高780 余米，两岸岸坡高峻陡峭，自然坡角多＞60°［1］。

料场边坡岩性为大理岩及砂岩，岩层总厚200～350 m，开挖边坡浅表岩层均为薄层砂岩。岩层总体走向350°～30°，倾向 SE，倾角64°～72°。

边坡内层间剪切软弱夹层发育，共有23条。根据成因条件、物质成分和性状，将层间软弱夹层分为2个类型:Ⅰ类夹层(层间剪切破碎夹泥层)，在坚硬变质砂岩中夹有薄层、极薄层炭质板岩，经后期层间剪切及地下水等的作用，炭质板岩发生泥化;这类夹层，厚度一般为5～30 cm，最厚达15～55 cm，夹泥厚一般为0.5～1.0 cm，局部可达3 cm。Ⅱ类夹层(层间剪切破碎夹层)，薄层板岩或薄片状大理岩，在构造作用下产生层间剪切错动、挤压破坏，见断续泥膜，部分夹片状石英细脉;层间剪切破坏面连续较差，较平直，面粗糙，起状差较大。

坡体内查明大小断层32条，剖面出露断层有5条，分别为F12，F17，F18，F113，F90。断层参数及特征见表1。F12，F90，F113断层倾角较小，与岩层层面近90°相交;F17及F18断层倾角较陡，与岩层层面夹角分别为53°和32°，形成楔形体，见图2。置分级拦石网。边坡防护采用表层、深层支护及边坡排水、坡顶清理等综合处理措施。

设计坡面支护在2 030 m高程以上系统锚杆长6～8 m，3 m×3 m梅花形布置。每级边坡布置有2排预应力锚索，为深30 m/1 000 kN和深60 m/2 000 kN 2种梅花形布置，整个坡面均采用挂网喷护处理。2 030 m高程以下系统锚杆改深为4.5 m和6 m梅花形布置，锚索为一排深30 m/1 000 kN和深60 m/1 000 kN 2种梅花形布置，其余处理方式基本相同。此外，对开挖边坡局部可能出现的不稳定块体采取了加强随机锚杆处理，对部分岩体较破碎坡面进行了加强锚索支护处理。大奔流料场边坡开挖始于2008年12月，截止至2014年1月，Ⅰ区开挖支护至高程1 760 m;Ⅱ区开挖支护至高程1 775 m;Ⅲ区开挖支护至高程1 775 m。

2.2 工程特性

根据料场地形地质情况，料场布置成“L”形，设计边坡顶高程为2 188.5 m，设计开采底高程为1 730 m，最大开挖坡高458.5 m。相邻两级马道高差为15 m，1 835 m高程以上单级坡比1∶0.3～1∶0.45，1 835 m 高程以下单级坡比1∶0.45，大部分马道宽为2～3 m，部分马道加宽以便于布置锚索和设

图2 工程地质剖面Fig.2 Engineering geological profile

表1 岩石力学参数Table 1 Rock mechanics parameters

2.3 工程地质分析

大奔流料场高边坡开挖将倾角为50°～55°自然边坡开挖形成单级坡角71°、综合坡角64°左右的人工边坡，岩层倾角与开挖边坡坡角十分接近，属于陡倾、薄层状顺向边坡。组成坡体的岩体具有层状结构的特点，这种层状岩体相对数百米坡高来讲可视为薄板。当边坡开挖后，层状岩层一侧临空，层间摩擦力降低，层状岩层沿层面滑移，在坡脚受阻，边坡中、下部可能会出现弯曲、外鼓和拉裂等，引起溃屈破坏［2－3］。

3 高边坡数值仿真分析

3.1 离散元计算方法及模型

根据边坡的工程及地质特征，选取计算剖面如图2，该剖面位于北西正面坡。模型计算范围宽度630 m，高度850 m。按实际开挖与支护顺序模拟了26级马道开挖及锚杆和预应力锚索支护。模拟了边坡的断层 F12，F17，F18，F113，F90，J301，J302，J303 等23条层间错动带。岩体材料划分为厚层大理岩、中厚层大理岩、薄层砂板岩、中厚层砂板岩、及厚层砂板岩，见图2。根据现场及室内岩石力学试验成果，计算分析采用岩体及结构面力学参数见表1。由于山体陡峻、卸荷充分，因此仅考虑自重应力。计算采用离散元法［4］(UDEC)，岩块的力学模型为摩尔－库伦模型，结构面力学模型为库伦滑移模型。

开挖支护完成后，边坡变形矢量分布如图3所示。受陡倾断层水平挤出作用影响，1 925 m高程以下坡面岩体变形较大，1 925 m高程以上坡面岩体变形较小。受下部开挖影响，1 925 m高程以上岩体铅直变形方向向下。受上部开挖卸荷影响，1 925 m至1 685 m高程坡面岩体铅直变形以向上为主。

图3 边坡总变形分布Fig.3 Total deformation distribution

在边坡开挖过程中，各级马道岩体均首先表现出卸荷回弹变形。随着向下开挖，卸荷回弹变形逐渐减小，直至为0。随着开挖高程逐渐降低，马道岩体变形方向发生改变，并随着下部开挖产生向下变形增量。

边坡开挖位移以卸荷回弹变形为主，且位移矢量的方向受控于结构面。在1 925 m高程以上，边坡水平向的位移值明显小于竖向位移。在1 925 m高程以下，边坡水平向的位移值明显大于竖向位移。坡体浅表薄层砂板岩变形较大，其它岩层变形较小。边坡变形较大的部位出现在1 925 m高程至1 745 m高程坡面，为陡倾角断层F18及缓倾角断层F113在坡面出露部位。由于陡倾断层和开挖临空面形成的楔形体向下位移，对断层下盘形成向外挤出作用，位移较大，最大位移达到11.29 cm，以水平位移为主。

在1 730 m高程以上坡体内，层间错动带处于不连续张开状态。边坡多数层间错动带及F17，F18断层多处于剪切极限状态。其中层间错动带J203，J307，F18断层、F17 断层剪切变形较大，其中F17的剪切错动变形达到9.2 cm，如图 4。由此可见，边坡的变形主要为结构面变形，岩体变形较小。

开挖边坡破坏区如图5所示，主要为拉伸破坏，主要分布于结构面交汇区域，零星分布于坡体表面，剪切破坏区较少。破坏区不连续，开挖边坡处于稳定状态。

为了验证和模拟大奔流料场高边坡的破坏机制，采用离散元强度折减法［5］进行计算。不考虑支护加固，将岩体和结构面抗剪强度及抗拉强度分别折减25%，30%，35%，计算结果如图6。

图4 边坡结构面剪切变形Fig.4 Shear deformation of structural plane

图5 开挖边坡塑性区分布Fig.5 Plastic zone distribution

当强度降低到25%和30%，结构面及断层剪切错动变形不大，岩层弯曲不明显。当强度降低到35%时，陡倾断层F17和F18发生强烈的剪切错动，坡体内厚层大理岩、中厚层大理岩和薄层砂板岩沿断层错动，边坡浅表的中厚层大理岩和薄层砂板岩产生强烈的弯曲变形。层间错动带与陡倾断层形成的楔形体向下滑移，断层错动，下盘岩体被挤出，向坡外变形，向内弯曲，见图6。

边坡变形同时受顺坡向层间错动带和反倾断层控制，除了顺层滑移和弯曲变形外，还有沿陡倾结构面的错动变形。按中国水利水电工程地质规范［6－7］，这种含有反倾结构面的顺坡向层状结构边坡的变形破坏属溃屈破坏。

图6 不同强度折减系数边坡的变形及破坏Fig.6 Deformation and failure of slope with different strength reduction factors

3.2 FLAC3D方法分析

基于连续介质力学方法［8］(FLAC3D)建立了数值分析模型，计算表明:全部开挖完成后，边坡浅部岩体卸荷松弛，松弛范围大致沿着层间错动带呈折线型分布，层面和错动带消耗了大量的卸荷释放能量，松弛深度一般为20～35 m。边坡开挖后，在坡脚部位存在一定程度的压应力集中，为3～5 MPa，如图7所示。开挖完成后，边坡内有小范围的拉应力区。最大拉应力值为0.73 MPa，出现在高程1 835 m马道、高程1 730 m平台。边坡开挖过程中，总体上，各级马道坡脚部位的应力值随上覆岩层的开挖而逐步降低。但本级马道开挖时，存在一定的应力集中，最大主应力经历了原岩应力场—上覆岩体卸载—本级马道开挖加载—下部开挖再卸载的复杂力学过程。

边坡岩体的塑性区随开挖逐渐增加，在开挖坡面上主要分布在各级马道。薄层砂板岩塑性区，在坡表出露部位。在边坡内部，塑性区主要位于中下部薄层砂板岩以及弱卸荷带范围内。边坡内塑性屈服程度较大部位主要发生在错动带内部以及中下部特别是泥夹碎屑型结构面内塑性应变较大。如图8。

边坡加固的重点应对下部抗力体加以合理的保护和加固，及时提供围压，预应力锚索、钢筋混凝土格构以及系统锚杆等措施均可以起到良好的加固作用;边坡放缓坡比，留宽平台，并使边坡坡面出露在厚层砂岩中以及采用每级马道多排锚索支护方案对提高边坡稳定性效果明显。

边坡安全系数随开挖坡高的增大而逐渐降低。由于边坡在1 895 m高程以下坡比放缓，边坡坡面避开了薄层砂板岩，在中～ 厚层砂岩出露，下部安全系数有较明显的提高，且随开挖高程降低安全系数降低幅度变小，正常工况、短暂工况(暴雨作用)及偶然工况(地震作用)边坡安全系数见表2。

图7 开挖完成后的最大主应力云图Fig.7 Maximum principal stress after the excavation

图8 边坡开挖完成后的塑性区分布Fig.8 Plastic zone distribution after the excavation

表2 边坡安全系数Table 2 Safety factors of slope

边坡开挖完成后正常工况对应的安全系数为1.35;短暂工况对应的安全系数为1.18，偶然工况对应的安全系数为1.17。满足规范中安全系数的不同工况的对应要求。

4 结论

(1)边坡开挖变形以卸荷回弹为主，竖向变形大于水平变形;层间错动带及陡倾断层错动变形较大，层间错动面多处于剪切极限状态和不连续张开状态。

(2)边坡开挖后，在坡脚部位存在一定程度的压应力集中，为3～5 MPa;边坡内有小范围的拉应力区。

(3)边坡整体处于稳定状态，但边坡岩体局部存在塑性破坏区，主要分布于薄层砂板岩、剪切错动带及坡体浅表，以拉伸破坏为主，少量剪切破坏;边坡为溃屈破坏模式。

(4)建议及时对下部坡脚岩体进行锚固，提供侧向压力，限制边坡下部岩体的侧向变形，防止因下部岩体侧向变形过大而引起边坡的破坏。

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