大岗山水电站右岸坝肩边坡深层加固研究

商开卫 张公平

摘要：大岗山水电站右岸坝肩边坡具有高地应力、高地震烈度、却荷风化强烈的显著特点，受岩脉、却荷裂隙、断层切割影响，形成了一系列关健块体，而在开挖过程中，这些块体底部剪出口附近受到开挖却荷、爆破震动和地下水作用等因素的影响，出现了沿边界结构面的多次变形开裂与错动。对右岸开挖边坡变形开裂的机理进行深入研究，从边坡的开挖稳定、变形及塑性破坏区等方面，对原设计拟定的三种深层加固方案进行比选分析，选用方案二作为推荐优化方案。为了保证深层抗剪结构施工过程的整体稳定性，建议先开挖并回填低高程的三层杭剪洞，然后再进行高高程的抗剪洞施工。

关键词：深层混凝土杭剪结构；刚体极限平衡；数值模拟；施工工序；大岗山水电站

中图分类号：P642；TV642.4+5 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.033

随着我国水电建设规模的不断扩大，工程建设中遇到很多大型复杂岩质高边坡问题川，而这些岩石高边坡往往具有断层、节理、软弱发育的特点，其施工期及运行期的稳定性是水电站建设顺利实施的关键。

大岗山水电站位于大渡河中游上段的四川省雅安市石棉县境内，为大渡河干流规划的第14个梯级电站。工程枢纽建筑物为混凝土双曲拱坝，坝顶高程1135.0m，最大坝高210m，总库容7.42亿m3，水电站装机容量2600MW。

坝址区两岸边坡具有“两高一强烈”（高地应力、高地震烈度、卸荷风化强烈）的显著特点，自然坡度一般为40°～65°，相对高差一般在600m以上。基岩主要岩性为澄江期花岗岩类。两岸1250m高程以上分布有一定厚度的崩坡积层。坝址区岩脉、挤压破碎带、断层和节理裂隙发育。其中，右岸发育的XL316-1和F231等卸荷裂隙密集带和断层，成为影响右岸边坡稳定的控制性因素。此外，由于中、陡倾角的顺坡向节理裂隙较为发育，加之坝址区边坡“两高一强烈”的显著特点，因此右岸工程区在施工开挖过程中形成了上、下游200m范围内高度约300m、体积近500万m3的一系列不稳定块体，使边坡的稳定问题变得十分突出。

笔者对右岸边坡进行了系统研究，清晰地揭示了右岸边坡变形开裂的机理；首先，从边坡的开挖稳定、变形及塑性破坏区等方面对原设计拟定的三种深层加固方案进行了深入比选，甄选出推荐的加固方案；然后，基于推荐加固方案，开展优化设计研究；最后，通过研究每层抗剪洞的施工时序对边坡稳定性的影响，提出抗剪洞施工程序的建议，为现场施工提供了科学依据。

1 右岸边坡变形开裂的机理研究

顺坡向、中倾坡外的F231断层贯通右岸边坡，总体产状SN/E∠40°～50°，断层破碎带宽7～30cm，由碎裂岩、角砾岩、碎粉岩组成，自F231断层至开挖坡面的水平距离从下游往上游逐步增大。随着拱肩槽边坡的开挖，卸荷裂隙密集带XL316-1和断层F231剪出口的阻滑岩体被逐步挖除，右岸边坡的稳定条件逐步恶化，加之开挖爆破震动和地下水作用等因素的影响，边坡在2009年5月3日、8月16日、9月1日相继出现裂缝（见图1）。

第1次和第2次裂缝主要分布在破碎带βj601和β62附近，说明潜在不稳定块体的后缘出现拉裂变形现象；第3次裂缝主要沿β219辉绿岩脉分布，说明潜在不稳定块体的上游侧裂面出现开裂变形现象。由此清晰地揭示了右岸边坡潜在滑块的边界条件和其变形开裂的机理。

（1）潜在滑块是以倾向坡里的βj601、β62、β85和β4等岩脉破碎带为后缘切割面，以β219、β223等NWW向岩脉破碎带、近EW向的第④组裂隙为上游侧切割面，以卸荷裂隙密集带XL316-1和F231断层为控制性底滑面，组合形成一系列潜在不稳定块体。

（2）边坡的变形开裂主要由于XL316-1和F231剪出口的阻滑岩体被逐步挖除，潜在滑块沿底滑面XL316-1和F231产生滑移变形，因此引起块体后缘面和侧裂面附近产生张开变形。该潜在的滑动模式总体上是一种受右岸边坡地质结构面控制、伴随开挖引起的滑移一拉裂变形，呈现由下游往上游、从低到高发展的牵引渐进式破坏。

針对右岸边坡特定的滑移一牵引一拉裂式的破坏机理，对滑坡体下部特别是控制性底滑面卸荷裂隙密集带XL316-1和断层F231采取必要的加固处理措施，对维持边坡的整体稳定性具有至关重要的作用。

2 边坡的深层加固方案比选

2.1 比选方案的拟定

大岗山水电站右岸坝肩边坡稳定的控制性因素是不利软弱结构面的切割、组合作用而形成的大范围不稳定空间结构滑体。其治理深度超过传统边坡治理深度，因此推荐采用以抗剪洞和锚固洞为基础的治理措施，以提高岩体的强度和传力能力[2]。抗剪洞和锚固洞处理措施的针对性强，实施难度相对较小，有利于对边坡治理的施工工期进行控制[3]。

大岗山水电站右岸边坡的治理包括浅层和深层两种加固措施，其中浅层加固措施为锚索支护、深层加固措施为抗剪洞和锚固洞。为给方案比选提供技术支持，拟定了3种不同的深层加固方案，见表1。方案二的布置见图2。

2.2 三维极限平衡分析结果比较

采用三维边坡稳定分析可视化软件SLOPE3D[4]对右岸边坡两个潜在块体（各块体的空间分布及滑裂面展布情况见图3、图4）的稳定性进行分析。表2给出了采用不同加固措施后边坡的安全系数。从表2可以看出：

（1）由于块体①的边界条件较为模糊，F208和F231断层在LPV-LPV剖面之间高程存在一定落差，目前的加固方案对该块体起加固作用的只有1270m、1240m以及1210m这三个高程的抗剪洞，因此方案二的加固效果比方案一差，但仍满足边坡加固规范规定的下限值。

（2）块体②的边界条件清晰，边坡开挖后的计算结果表明，采用3种加固方案后潜在滑块的安全系数均满足规范要求的上限值。

2.3 位移、应力及塑性区对比分析

针对大岗山水电站右岸坝肩边坡的加固治理工程，采用FLAC3D软件分析加固措施对右岸边坡变形及稳定性的影响。计算参数采用地质建议值，边坡开挖、预应力锚索、抗剪洞等的施工严格按实际施工时序考虑。为分析加固措施对开挖边坡表观变形的影响，选取关键点KC5、KC6、KC7、KC8进行分析。关键点布置及LPⅥ-LPⅥ剖面位置见图5，三维数值模型见图6。

2.3.1 位移对比分析

为了分析3种深层加固方案的加固效果，分以下4种工况进行模拟：工况一为锚索支护；工况二为锚索支护+加固方案一；工况三为锚索支护+加固方案二；工况四为锚索支护+加固方案三。表3为不同工况下边坡开挖至1070m高程时关键点横河向和竖直向位移对照表。图7为边坡开挖至980m高程时，4种工况下LPⅥ-LPⅥ剖面的横河向位移云图。

由表3可知，不同的加固方案对边坡关键点的位移影响比较明显，与工况一比较，工况二、三、四下的横河向位移均明显减小，但方案一、方案二的横河向位移比较接近，方案三的位移最小，说明方案三加固效果最好。但从竖直向回弹变形来看，与工况一比较，工况二、三、四均有所增加，其中工况四的回弹变形最大，但此变形对边坡的局部和整体稳定性影响较小。

另外，边坡开挖至980m高程时，不同工况下边坡内部变形机制也有所不同。工况一边坡内部岩体的滑动位移主要沿X1316-1和F231、X19-15和F208两组组合滑面滑动，但在实施抗剪洞等加固措施后，滑坡变形不仅在量值上明显减小，而且范围也明显缩小，X1316-1和F231形成的组合滑面基本消失，其中方案一和方案二加固效果相当，方案三的加固效果最好。

总的来说，边坡采用深层加固措施后，坡体内部的变形得到有效改善，滑坡变形明显减小，有利于提高边坡的稳定性。从位移变形上分析，方案三的加固效果最好。

2.3.2 应力对比分析

图8为右岸边坡在不同工况下开挖至980m高程时LPⅥ-LPⅥ剖面的第一主应力云图。分析可知，在不同工况下，当边坡开挖至980m高程并实施加固后，坡面上的最大压应力约为4.0mPa，坡面基本处于零拉应力或双向受压状态。此外，采用深层加固方案后，边坡浅表层的应力状态基本保持不变，坡体内部抗剪洞、锚固洞、斜井附近压应力有所增大，但其压应力均小于混凝土的抗压强度，其中方案二对坡体内部应力的调整范围最大，说明方案二更能充分发挥混凝土置换结构的性能，更有利于边坡的稳定。

2.3.3 塑性区对比分析

4种工况下边坡开挖至1070m高程时X1316-1滑面的塑性区分布见图9，图中的蓝色部分为未屈服状态。由图9可知，当考虑加固方案时，工况一出现的沿X1316-1和F231形成的贯通的塑性区已经完全被打断并且沿其他结构面分布的塑性区范围也有所减小。从3种深层加固方案对塑性区打断的效果来看，方案二的加固效果最突出。

以上两种计算方法对3种深层加固方案的分析结果表明，相比单纯的浅层加固措施，实施深层和浅层的综合加固治理措施后，边坡的安全系数明显提高，边坡的稳定性与安全性得到进一步保证。由于在进行右岸边坡深层加固措施研究之前，1315m高程以上已完成了系统锚索的支护，如若再对1315m高程以上进行削坡处理，势必会造成资源的浪费，因此方案三缺乏可操作性。相比于方案一和方案三，方案二在确保边坡满足规范允许最小安全系数的前提下，对坡体内部应力的调整范围和塑性区的打断范围上是最显著的，因此选用方案二作为推荐方案开展优化设计。

3 深层加固方案的优化设计

3.1 优化后的深层加固方案

综合右岸边坡的开挖变形、稳定分析以及锚固洞受力特征分析结果，针对拟定的三种加固方案，推荐方案二作为实施加固方案，并基于以下两点对方案二进行优化设计，优化的右岸边坡深层加固支护方案见图10。

（1）LPⅣ-LPⅣ剖面的安全系数较低（正常工况下的安全系数分别为1.009、1.134、1.204），稳定性相对较差。由于抗剪洞布置在低高程剪出段压剪破坏区更能发挥作用，因此在坡体的LPⅣ-LPⅣ剖面、高程1060m部位增設一条抗剪洞。该抗剪洞主要是针对F231断层进行加固，以提高滑面的抗剪能力。

（2）由于XL316-1是卸荷裂隙密集带，局部发育宽度达14m，目前的抗剪洞呈现夹心饼结构，其宽度明显不足，以至于不能够有效发挥其抗剪能力，因此在1240m和1210m高程采用锚固洞和抗剪洞的组合形式对XL316-1进行加固处理，以此对滑裂面软弱部位进行补强加固，阻止边坡下滑。

同时，由于锚固洞属于埋人式悬臂结构，如果承受弯矩、剪力过大，可能会产生破坏，因此需要对锚固洞加固结构进行优化。在优化方案中，Ⅱ～Ⅲ2类岩体和Ⅳ类岩体的锚固洞长度分别为10、15m，布置在1240m和1210m高程的锚固洞长度相比于方案二均减小10m。

LPⅣ-LPⅣ剖面中，1210m和1240m高程锚固洞优化后的内力变化见表4；原设计方案二和优化方案下，1240m高程锚固洞的弯矩分布、剪力分布与滑裂面的相互关系见图11、图12。

（1）优化后的1240m高程锚固洞，由于前端没有延伸进入到岩脉β202内部，锚固洞的弯矩和剪力只是受开挖边坡潜在滑体下滑力作用，因此原方案二中锚固洞受力突变现象消失，优化后的锚固洞承受的最大弯矩和剪力明显减小，锚固洞受力更为合理，可以安全正常地发挥作用。

（2）对于1210m高程锚固洞，优化后锚固洞承受的最大弯矩为26MN·m，最大剪力为8MN，同方案二比较，锚固洞受力仍较合理，可保证锚固洞安全正常地发挥作用。因此，把锚固洞长度缩短10m是合理的。

3.2 优化方案边坡的稳定性复核

根据三维极限平衡分析结果（表5）可知，采用优化加固方案后，块体①和块体②的安全系数均能够满足边坡在施工期和运行期的稳定性要求。

4 混凝土深层抗剪结构施工程序设计

为了分析抗剪洞的施工时序对边坡稳定性的影响，假定块体②为右岸边坡深层滑动的控制性破坏模式。图13为6层抗剪洞和斜井与块体②的空间关系。表6为抗剪洞逐层开挖及回填混凝土后边坡在正常工况下安全系数的变化。

由表6可知，开挖①、②、③层抗剪洞后，块体②的安全系数降低了0.087。回填混凝土后，安全系数提高了0.175。而④、⑤、⑥这三层抗剪洞开挖后，块体②的安全系数降低了0.025，回填混凝土后，安全系数提高了0.096。因此，为了保证抗剪洞施工过程中边坡的整体稳定性，建议的施工时序和块体②的安全系数变化见表7。计算结果表明，建议的施工工序基本满足边坡施工期的稳定性要求。

5 结语

通过对大岗山水电站右岸坝肩边坡变形开裂机理的研究发现，该边坡的潜在滑动模式是一种滑移一牵引一拉裂式破坏，由于其控制范围广、控制性结构面埋深较大，因此传统的边坡治理方式不适用。为此提出一套以抗剪洞和锚固洞为主的深层治理方案，辅以系统的浅层治理措施，并在加固治理中得到成功运用。

（1）右岸坝肩边坡的潜在滑块是以倾向坡里的β62、β85等岩脉破碎带为后缘切割面，以β219、β223等NWW向岩脉破碎带、近EW向的第④组裂隙为上游侧切割面，以卸荷裂隙密集带XL316-1和断层F231为控制性底滑面组合形成的一系列潜在不稳定块体。该变形模式呈现出由下而上、从低到高发展的牵引渐进式破坏。

（2）针对右岸边坡的变形开裂机理，设计提出了以抗剪洞为主的深层治理方案。从边坡的开挖稳定、变形及塑性破坏区等方面，对设计拟定的3种深层加固方案进行了深入的比选分析。选用方案二作为推荐方案并开展相应的优化设计工作。

（3）优化方案中，增设1060m高程抗剪洞，并在1240m和1210m高程采用锚固洞和抗剪洞的组合形式对XL316-1裂隙密集带进行加固处理，同时对锚固洞的结构进行优化，Ⅱ～Ⅲ2类岩体和Ⅳ类岩体的锚固洞长度分别取10、15m。

（4）通过研究每层抗剪洞开挖及回填混凝土后边坡安全系数的变化，在保证深层抗剪结构施工过程中边坡整体稳定的前提下，建议先进行低高程的3层抗剪洞施工，然后再进行高高程的3层抗剪洞施工。

（5）大崗山水电站右岸坝肩边坡治理措施的有效性是整个工程成败的关键因素之一。目前的监测结果表明，边坡加固处理效果良好，变形收敛、变形稳定满足设计控制要求。

参考文献：

[1]张金龙，徐卫亚，金海元，等.大型复杂岩质高边坡安全监测与分析[J].岩石力学与工程学报，2009，28（9）：1819-1827.

[2]向柏宇，姜清辉，周钟，等.深埋混凝土抗剪结构加固设计方法及其在大型边坡工程治理中的应用[J].岩石力学与工程学报，2012，31（2）：289-302.

[3]宋胜武，冯学敏，向柏宇，等.西南水电高陡岩石边坡工程关键技术研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（1）：1-22.

[4]姜清辉，王笑海，丰定祥，等.三维边坡稳定性极限平衡分析系统软件SLOPE3D的设计及应用[J].岩石力学与工程学报，2003，22（7）：1121-1125.