杨房沟水电站河谷演化模拟及边坡稳定性分析

王小江，李 冲，张孟七

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南长沙410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)

0 引 言

杨房沟水电站位于四川省凉山州木里县境内的雅砻江中游河段上，坝型为混凝土双曲拱坝，正常蓄水位2 094 m，相应库容4.558亿m3，最大坝高155 m。装机容量1 500 MW，多年平均发电量68.74亿kW·h[1]。坝址区河谷深切、山高坡陡、地应力水平相对较高。河谷斜坡由于岩体节理、断层切割及风化卸荷等地质作用的影响，坝址区天然边坡在一定程度上存在稳定性问题。

本文在地质勘探成果以及掌握的坝址河谷边坡及河床部位岩体地质条件和特征(主要包括河谷演化、河谷形态、边坡岩体应力场基本规律、边坡卸荷情况及变形破坏规律等)的基础上，参考已有研究成果[2- 8]，建立河谷边坡演化发展的数值计算模型，确定合理的初始地应力条件，采用可反映边坡演化进程的岩石力学本构模型模拟河谷的演化发展，通过对比实测点计算应力值与实测值来检验模拟的合理性，并在此基础上分析现今河谷应力场的基本规律，采用强度折减法计算边坡安全稳定系数，分析河谷边坡的稳定性。

1 坝址区地质条件

杨房沟坝址区两岸山顶海拔4 000～4 500 m，河谷深切呈 “V”形，左岸为万年雪山山脉，右岸为太阳山山脉，山脉走向呈近南北向，地势北西高南东低，两岸地形陡峭，基岩裸露，地形坡度多在50°以上，局部呈悬崖状。杨房沟长约 8.3 km，流域面积约 14.25 km2，深切逾百米，沟口宽30～40 m，沟口有少量的泥石流堆积物。工程场地位于松潘-甘孜地槽褶皱系雅江褶皱带(印支期)，库区位于川滇菱形块体内。近坝区西北部主要断裂有三岩龙断裂及前波断层。上坝址花岗闪长岩节理以NNE、NWW及NNE向为主，NE、NW向较少，变质粉砂岩内主要发育NW、NE、NWW向的优势节理。

坝址区主要出露三叠系上统新都桥组变质粉砂岩(T3xd)、三叠系上统杂谷脑组中薄层灰色板岩夹砂岩(T3z)、燕山期花岗闪长岩岩体及第四系松散堆积物(Q4)等。岩体全风化及强风化分布及发育深度有限，主要分布在相对缓坡及植被发育区，水平发育深度约3 m。边坡岩体的卸荷变形主要受花岗闪长岩中发育的NNW和NNE向裂隙控制，在坡面一定深度形成了强卸荷带和弱卸荷带。坝址区勘II工程地质剖面见图1。

图1 坝址区勘II工程地质剖面

2 河谷演化模拟计算

2.1 模拟概化

2.2 模型建立

计算剖面的选择主要考虑坡体的地质代表性和分析成果的对比性。此次计算选择勘II线剖面作为模拟计算剖面。模型建立在局部坐标系X、Y下，X轴正方向指向右岸(即SW62°)，Y轴正方向铅直向上。总体范围为：上部高程3 000 m、下部高程1 400 m，横河向长1 333 m。求解规模为：块体数1 836个，可变形三角形单元 17 802个，网格结点16 326个，接触数12 279个。模型中考虑4组优势节理： N15°E /NW∠40°、N80°E /NW∠40°、N20°E /SE∠50°和N60°W /SE∠80°。二维离散元模型见图2。河谷坡面附近监测点实测地应力见表1。

图2 二维离散元模型

2.3 计算参数与边界条件

首先采用GSI方法获得岩体基本力学参数初始值，进行初始地应力场的模拟计算，然后根据计算结果揭示的基本特征与现实条件的差别，分析出可能不合理的某个或几个岩体参数，对其取值进行适当调整，直到满足要求，再作为初始条件进行计算。岩体力学参数见表2。结构面强度参数见表3。

表1 监测点实测地应力

表2 岩体力学参数

表3 结构面强度参数

模型左、右边界及底部均采用速度约束条件，对所有可变形块体及结构面给定线性变化的初应力条件。根据部分应力实测资料及河谷实际条件确定计算中初始地应力条件为：σxx=-0.017H、σyy=-0.026H、σzz=-0.017H。式中，σxx、σyy、σzz分别为X、Y、Z方向初始应力；H为埋深。

3 模拟结果

3.1 应力场分布规律

初始应力场计算值与实测值对比见表4。从表4可知，两者最大误差不超过10%。表明所采用的模拟方法是合理的，模拟结果对工程有参考价值。

图3为勘II线剖面的主应力矢量。从图3可以看出，由于侵蚀切割作用导致岩体的应力重分布，使得河谷岩体应力状态呈现岸坡深部的原岩应力区、岸坡浅表层卸荷带的应力松弛区、河谷底部应力集中区、以及连接应力松弛区和集中区的应力过渡区[9-10]。其中，应力松弛区主要位于岸坡浅表层的弱风化带，由于岩体初始应力的释放，谷坡表面应力降低，形成松弛区，此处岩体由于表生改造作用，卸荷裂隙发育，岩体结构松弛，变形模量较小，σ1=0～3.5 MPa，方向与坡面近于平行；应力过渡区水平分布深度在40～100 m范围内，σ1=10.5～14 MPa；河谷应力集中区是由于河谷临空面形成后产生的应力重分布而形成的，位于河床垂直深度15～90 m范围内，σ1=24.5～28 MPa，最大值出现在河床垂直深度65 m左右，此处应力集中程度较高，主要是由于谷坡地形和横向水平地质构造作用叠加所致，勘II线钻孔136在孔深69～85 m局部产生较多饼状岩芯，这与应力集中区信息相符；原岩应力区位于左、右岸水平深度150 m，以及河床垂直深度大于200 m范围内，此处的应力不受岸坡地形的影响，应力变化梯度较缓，主应力方向稳定。

表4 初始应力场计算值与实测值对比

图3 勘II剖面河谷 σ1矢量

3.2 塑性区规律

河谷剥蚀结束后勘II剖面的塑性区见图4。从图4可知，高边坡岩体的表生改造会导致边坡在距离地表一定范围内形成类似隧道围岩松动圈的卸荷带(实测显示，卸荷水平深度20 m左右，上坝址区左岸水平发育深度较右岸略深)。模拟所得塑性区水平发展深度在10～30 m之间，左岸发育水平深度较右岸略深，发育特征与实际卸荷带相符；边坡的地貌形态是影响塑性区发育深度的重要因素，地形越陡，山体越高，塑性区越发育；由于边坡下部受到谷底的约束作用，应力释放及调整较困难，塑性区发育深度较浅，随着边坡高程的增加塑性区发育深度增加。

图4 勘II剖面塑性区

4 边坡稳定性分析

极限状态下勘II剖面塑性区见图5。从图5可知，左岸河谷塑性区水平深度较右岸大，左岸高高程岸坡浅部与河床底部存在较大范围的拉裂破坏区，对边坡的局部稳定性有较大影响，具体表现为局部落块，崩落等，在暴雨和地震等不利工况下会更加严重，应予以重视。极限状态下勘II剖面位移矢量和剪切位移见图6。从图6可知，位移矢量总体表现为近垂直坡面的回弹变形，左岸河谷低高程部位位移较大，河谷岸坡右岸有块体松动，此处有较大的剪切位移和横河向位移，对边坡稳定不利，对相应部位应采取工程措施加固。采用强度折减法计算得河谷边坡的总体安全稳定系数为1.89。

图5 勘II剖面塑性区

图6 勘II剖面位移矢量与剪切位移

5 结 语

结合杨房沟水电站坝址河谷边坡岩体地质条件及地应力实测资料，采用离散元模拟方法，研究了勘II剖面处河谷演化以及现今边坡应力和塑性区基本规律，采用强度折减法计算得出边坡总体安全稳定系数，得出以下结论：

(1)应力场模拟值与实测值相比最大误差不超过10%，表明模拟方法合理。侵蚀切割作用导致边坡岩体的应力重分布，使其应力状态呈现为原岩应力区、岸坡浅表层的应力松弛区、河谷应力集中区和应力过渡区。松弛区卸荷裂隙发育，岩体质量差；集中区应力集中程度较高，局部产生较多饼状岩芯。

(2)塑性区的发育特征与边坡地貌形态和地形约束作用有关，模拟水平发育深度在10～30 m之间，发育特征与实际卸荷带相符。

(3)强度折减法计算得河谷边坡总体安全稳定系数为1.89。河谷左岸高高程岸坡浅部与河床底部存在较大范围的拉裂破坏区，右岸有块体松动，对边坡稳定不利。

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