老虎嘴水电站右坝肩边坡稳定性研究

朱彬,魏玉峰,2 ,符文熹

(1.四川大学 水力学与山区河流保护国家重点实验室,水利水电学院，成都 610065； 2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

老虎嘴水电站右坝肩边坡稳定性研究

朱彬1,魏玉峰1,2,符文熹1

(1.四川大学 水力学与山区河流保护国家重点实验室,水利水电学院，成都 610065； 2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

岩土高边坡稳定性问题一直是水电工程研究的重难点之一。本文以老虎嘴水电站右坝肩边坡稳定性作为研究对象，针对边坡卸荷显著、节理发育、施工安全稳定问题突出的特点，采用数值分析软件FLAC3D，结合点安全系数法，对天然情况、导流洞泄洪洞开挖工况、边坡分级开挖分级加固工况以及开挖完成后降雨工况等不同状况下的相应稳定性问题进行了分析研究。结果表明，老虎嘴水电站右坝肩边坡在无支护加固状况下稳定性较低，不能保证施工期的安全，但在严格分级加固后各工况处于稳定状态，满足工程设计标准下的工程稳定要求。

岩土高边坡；边坡稳定性；数值分析；点安全系数

1 前言

随着我国经济建设快速发展，尤其是西部大开发的深入推进以来，出现了一轮又一轮的工程建设高潮，各种工程建设过程中的边坡稳定性问题日益突出，其中岩质边坡的稳定性问题是边坡稳定性研究的重点和难点之一[1]。就水电工程而言，相应的岩石高边坡既是工程建筑物存在的基本环境，又是工程设施的承载体，其重要性不言而喻[2]。影响和控制水电工程边坡稳定的地质结构面成因、性质和相应的力学特性均十分复杂，相应边界条件往往处于剧烈的动态变化之中，与开挖、蓄泄水、泄洪雾化雨和地震等因素均存在相互影响，且各影响因素作用机理极难分清。正因为如此，水电工程岩石高边坡稳定问题不仅涉及到工程本身的安全，同时也涉及到整体周边环境的安全，特别是大坝下游人民生命财产的安全。因此，水电工程岩石高边坡稳定性问题一直是工程地质和岩石力学领域研究的热点之一[3-4]。

老虎嘴水电站是西藏自治区电力发展规划的重点建设项目之一，是缓解藏中电网缺电的骨干电源工程。该工程位于西藏自治区东南部林芝地区工布江达县巴河干流，距巴河出口处约5.5 km，距工布江达县约44 km，距拉萨市约320 km，电站施工区平均海拔3 300多米[5]。该水电站工程所在区域地质环境十分复杂，受河流右侧下切影响，河谷两侧形成左右不对称“V”型坝肩，其中右坝肩的工程地质环境较为复杂。受老公路、导流洞、泄洪洞开挖等因素的影响，施工中右岸边坡出现应力重新分布问题，再加上降雨等自然作用，边坡稳定性问题日显突出。

本文探究老虎嘴水电站右岸边坡稳定性问题，结合水电站右坝肩边坡工程地质条件，分析其变形破坏因素，通过数值分析软件FLAC3D结合点安全系数法[5]对右坝肩边坡在天然情况下、导流洞泄洪洞开挖、边坡分级开挖分级加固和开挖完成后降雨等工况下的稳定性问题进行分析研究。

2 工程地质条件

老虎嘴水电站枢纽工程区古河床为典型的“U”字型冰蚀谷地貌，河流总体位于古河床右岸，平面呈“S”形弯曲。水电站坝址区河谷呈不对称“V”型特征，微地形地貌总体呈“鸡爪子”特征。

右岸坝肩基岩裸露，山体雄厚，地形完整，山顶植被茂密，右坝肩边坡整体地形地貌特征如图1所示。右坝肩不同高程边坡坡度存在一定变化，河水面至高程3 278 m处岸坡坡度为55°～65°，高程3 278～3 298 m处坡度为60°～75°，高程3 298 m以上坡度为45°～55°。同时边坡走向存在较大变化，高程3 280～3 278 m以下为SE172°～168°，高程3 280～3 278 m以上因公路修建而形成了人工开挖边坡，走向为SE173°～145°，坡高25～28 m，局部最高处35 m。边坡区域地下水埋深37～94 m，坡降18‰～83‰，整体呈现上陡下缓的特点。

图1 右坝肩全貌

右岸坝肩岩层为中厚层状变质石英砂岩夹条带分布薄层状砂质板岩，板岩出露厚度0.6～3.35 m，最厚处达6.2 m，占岩层厚度的13%～28%，整个岩层整体呈层状结构，较完整，岩体结构特征如图2所示。岩层产状为走向NW310°～320°、倾向SW(或NE)、倾角75°～80°，岩层走向与自然斜坡总体走向约40°～50°，总体构成斜向坡。

图2 右坝肩边坡坡体结构特征

边坡岩体陡倾角断裂发育，倾角大多在80°以上，多为层间挤压带，破碎带宽度一般为0.1～0.6 m，最大1 m，延伸长度在100～150 m之间，破碎带组成物多为片状岩、碎裂岩、块状岩，夹泥较少，局部有灰黑或棕红色泥质物。裂隙以走向NWW～NNW、NNE～NE向的陡倾角裂隙为主，一般宽度为0.3～1.0 cm，延伸长度一般在30～70 m之间，裂面平直、光滑，多数无充填及钙质薄膜，少数充填岩粉。走向NW、NE向缓倾角裂隙不发育，延伸长度一般在3～5 m(个别延伸长度超过10 m)，空间连续性差。

天然状态，右坝肩边坡岩体的变形破坏特征主要表现在老公路开挖面局部有掉块、表部岩体有卸荷拉裂以及开挖坡顶以上的斜坡浅表部范围的卸荷松弛松动。这主要与长期的斜坡形成演化过程中的风化、卸荷、反复冻胀、降雨淋滤和水的楔入作用以及地震作用等有关。另外，泄洪洞贯通阶段及交通洞出口贯通阶段两次大爆破振动作用对右坝肩边坡浅表部岩体也有一定的扰动。

3 坝肩边坡稳定性分析

老虎嘴水电站右坝肩工程地质环境复杂，根据其破坏特征，下面采用点安全系数法结合FLAC3D有限差分软件来分析评价老虎嘴水电站右坝肩边坡稳定性。

3.1 点安全系数法

点安全系数考虑滑动面上的实际应力分布和上覆岩土体对抗滑稳定的影响。从理论上来讲，只要整个滑动面上每个点(或局部)K≥1，则可推断整个滑动面处于稳定状态。但实际计算中往往存在个别破坏点，根据潘氏原理，滑坡失稳时，它将沿抵抗力最小的一个滑面破坏，当滑坡体的滑面稳定时，则滑面上的反力(以及滑坡体内的内力)能自行调整，以发挥最大的抗滑力，因此个别点的破坏不代表边坡整体失稳，只有出现贯通破坏区时，才可定义出破坏面[7]。点安全系数表达式为：

(1)

其中

(2)

式中,Fs为抗剪安全系数；c为内聚力；σ1为空间岩体任一点的最大主应力；σ3为空间岩体任一点的最小主应力。

(3)

式中,Ft为抗拉安全系数；σt为抗拉强度，规定为负值。

3.2 FLAC3D数值计算分析

右坝肩边坡剖面计算模型见图3。计算工况包括：①天然情况；②导流洞泄洪洞开挖；③坝肩边坡分级开挖分级加固；④开挖完成后降雨工况。各工况分析如下(由于本文篇幅限制，仅列出坝肩边坡分级开挖分级加固的FLAC3D数值计算分析结果图)：

图3 坝肩边坡计算模型图

(1) 天然情况

天然情况计算成果表明，边坡开挖前的主应力总体随深度递增，由于变形模量大小不一，因而在覆盖层和风化卸荷、基岩的分界线处，主应力的分布较为不连续。同时，天然状况下，边坡主应力处于压应力状态，而表面部位的最小主应力也很小，坡顶、老公路平台外侧等浅表部有较小量值的拉应力(最大值约0.002 MPa)，天然情况下边坡整体处于稳定状态。

(2) 导流洞泄洪洞开挖

边坡的爆破开挖等产生的荷载对边坡稳定性的影响是十分显著的，历史研究表明，采用数值模拟方法分析边坡岩体在相应荷载下的稳定性分析是可行的[8-9]。

老虎嘴水电站右坝肩边坡导流洞、泄洪洞开挖后，弹塑性计算获得最大主应力、最小主应力和最大剪应力成果。成果表明：由于导流洞、泄洪洞开挖产生的应力释放在导流洞、泄洪洞附近存在应力集中，受上部坡体地形的影响，导流洞、泄洪洞附近应力有偏压效应，尤其是导流洞，这可以从导流洞、泄洪洞开挖后的位移特征看出。导流洞、泄洪洞距坡面较远，开挖后对右坝肩边坡整体稳定性基本没有影响，对应的破坏分布特征和点安全系数等值线表明，除各断层附近有破坏(点安全系数接近1.0)外，边坡其它部位均处于稳定状态。

(3) 边坡分级开挖分级加固

右坝肩边坡采取的主要开挖加固措施如下：坝肩分4个台阶开挖，在高程3 303～3 318 m之间，交错布置4排100 T预应力锚索，锚索分别长50 m、40 m，间距为4 m，排距6 m，垂直坡面；在高程3 282～3 298 m之间，交错布置4排100 T预应力锚索，锚索分别长30 m、40 m，间距为4 m，排距6 m，垂直坡面；在高程3 261～3 277 m之间，交错布置4排100 T预应力锚索，锚索分别长40 m、30 m，间距为4 m，排距6 m，垂直坡面；在高程3 236～3 258 m之间，交错布置4排100 T预应力锚索，锚索分别长30 m、20 m，间距为4 m，排距6 m，垂直坡面。坝肩边坡在预应力锚索之间作挂网喷混凝土处理，高程范围3 268～3 318 m内(坝肩开挖面除外)，布置Φ22系统锚杆，深度4.5 m，间排距3 m×3 m，外露10 cm，锚杆数量150根；并挂网喷混凝土，钢筋网采用φ6@20，喷混凝土厚度为10 cm，喷护面积为1 300 m2。

图4 坝肩开挖完成后最大主应力图

图5 坝肩开挖完成后最小主应力

严格模拟上述分级开挖及时支护加固过程，计算获得边坡开挖完成的最大主应力、最小主应力和最大剪应力成果如图4～6所示，成果表明：严格控制一层开挖高程并及时施加锚固措施，开挖面附近应力松弛不显著，各级台阶坡脚侧的剪应力集中也不显著。开挖面附近的位移量值不大(如图7所示)，主要表现为卸荷回弹，需要注意的是在坡体上部由于陡倾坡内断层不在预应力锚索加固范围内，边坡开挖后，该断层有所拉张，使得该断层上盘岩体发生显著的垂直变形，其余陡倾断层由于锚索荷载效应，对应附近的位移较小且无明显的相对错动特征。为避免该陡倾断层持续拉张对工程的影响，建议除在坝肩灌浆廊道对揭露的各断层实施加固处理外，有必要对坡体上部的该断层进行锁口加固处理(深度穿过完整性较好的基岩即可)。破坏分布特征如图8所示，边坡除各断层锚索加固范围之外、基坑坡脚有零星的破坏分布外，边坡其它部位均处于弹性，点安全系数等值线也具有类似特征，如图9所示。总体来讲，在目前制定的加固措施和严格控制一层开挖高度下(包括控制爆破方法和爆破参数)，右坝肩边坡整体稳定。

图6 坝肩开挖完成后最大剪应力

图7 坝肩开挖完成后位移

(4) 开挖完成后降雨

降雨将对边坡稳定性产生不利影响这一现实已经被广泛认可[10-11]。

模拟坝肩边坡开挖完成后降雨条件下的稳定性分析可知，位移较大主要在坡体上部的断层附近(最大量值约4.1 cm)，且主要受控于中倾坡外的断层。稳定性计算成果表明，破坏分布仅在坡顶浅表部有拉破坏增加，断层附近、坝基坡脚附近的破坏均没有明显发展加剧特征，点安全系数整体均在1.05以上。以上表明，坝肩边坡开挖后在降雨条件下处于稳定状态。

图8 坝肩开挖完成后破坏分布

图9 坝肩开挖完成后点安全系数

4 结论

(1) 天然情况下，老虎嘴水电站右坝肩边坡开挖前的主应力总体随深度递增，主应力的分布较为不连续，边坡主应力处于压应力状态，表面部位的最小主应力也很小，边坡浅表部位局部有较小量值的拉应力，整体处于稳定状态。

(2) 导流洞、泄洪洞开挖后，老虎嘴水电站右坝肩相应位置存在应力集中，存在应力偏压效应。导流洞、泄洪洞距坡面较远，开挖后对右坝肩边坡整体稳定性基本没有影响，除各断层附近有局部破坏外，边坡其它部位均处于稳定状态。

(3) 在严格控制边坡分级开挖分级加固下，老虎嘴水电站右坝肩边坡开挖面附近应力松弛不显著，各级台阶坡脚侧的剪应力集中也不显著，开挖面附近的位移主要表现为卸荷回弹，坡体上部陡倾坡内断层在边坡开挖后有所拉张，使得该上盘岩体发生显著的垂直变形，其余陡倾断层无明显错动特征。总体来讲，在目前制定的加固措施和严格控制开挖高度下，右坝肩边坡整体稳定。

(4) 老虎嘴水电站右坝肩在边坡开挖完成后降雨条件下产生的位移主要在坡体上部的断层附近且主要受控于中倾坡外的断层，破坏分布仅在坡顶浅表部有一定的拉伸破坏，坝肩边坡开挖后在降雨条件下处于稳定状态。

[1] 冯君.顺层岩质边坡开挖稳定性及其支护措施研究[D].西南交通大学,2005.

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STUDY ON THE STABILITY OF THE RIGHT ABUTMENT SLOPE OF LAOHUZUI HYDROPOWER STATION

ZHU Bin1，WEI Yu-feng1,2，FU Wen-xi1

(1.State Key Lab. of Hydraulics and Mountain River Eng.,College of Water Resource & Hydropower, Sichuan Univ.,Chengdu 610065,China; 2.State Key Lab. of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu Univ of Technol.,Chengdu 610059,China)

The stability problem of high rock slope is one of the most important research projects of hydropower engineering. The stability of right abutment slope in the Laohuzui Hydropower Station is regarded as the research object. According to the characteristics of slope unloading significantly, joint development, construction safety and stability problems, by using the numerical analysis software FLAC3D, combining point safety factor method, to analyze the corresponding stability problem in the natural condition, the diversion tunnel of Hongdong drainage excavation condition and slope excavation hierarchical reinforcement conditions after excavation and rainfall conditions. The results show that the Laohuzui Hydropower Station dam abutment without reinforcement under the condition of low stability, cannot guarantee the safety during construction, but in the condition of strict grading in a stable state after reinforcement, meet the engineering requirements under stable engineering design standards.

high rock slope; slope stability; numerical analysis; point safety factor method

唐兵(1967- )，男，重庆江津人，汉族，本科，中国中铁二院工程集团有限责任公司，工程师，主要从事铁路、公路、轨道交通地质勘察工作。E-mail：173759169@qq.com

1006-4362(2017)01-0049-05

2016-12-22 改回日期： 2017-01-28

国家重点基础研究发展规划项目(973 计划，No. 2015CB057903)；四川省科技计划专项(No. 2014SS027)；中国博士后科学基金(No. 2016M590890)。

TV74;TU457

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