缓倾错动带对白鹤滩水电站右岸出线场边坡稳定的影响分析

邵 兵， 方 丹， 万 祥 兵

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概述

白鹤滩水电站右岸出线场布置于金沙江右岸谷肩下红岩堆积体A区邵家斜坡前部高程1 130～1 203 m，邵家斜坡总体地形起伏变化不大，坡面走向约N50°E，倾向SE，坡度约15°。出线场宽49 m，长180 m，长轴走向N2.4°W，建基面高程为1 145 m，右岸出线场西侧为右岸坝肩开挖边坡，南侧为排风竖井出口平台，北侧为出线场开挖工程边坡，边坡坡面走向N87.6°E，倾向SE，顶部为一级土坡，按1∶1.5 开挖，坡高小于10 m，下部基岩坡按1∶0.75 开挖，坡高10 m 或15 m 一级，开挖边坡最大高度为58 m，上下级边坡间设置2～8 m 宽的马道，出线场附近开挖地形情况见图1。

图1 出线场边坡开挖图

2 工程地质条件

白鹤滩水电站右岸出线场边坡地层岩性由砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩组成，砂岩和粉砂岩呈互层状，粉砂质泥岩呈夹层状，为缓倾向南东的单斜地质构造，地层产状为N45°～50°E，SE∠15°～20°，出线场北侧坡岩层视倾角为9°～13°，右岸坝顶以上边坡岩层视倾角为10°～12°，出线场开挖边坡区域发育RS3004、RS3003、RS3002、RS3001、C11、C10等多条缓倾角错动带，局部发育裂隙，层间错动带的力学性质差，延伸性较好，可成为潜在底滑面。

右岸出线场北侧边坡坡面与右岸坝肩坝顶以上边坡坡面相交处两侧临空，边坡中发育粉砂质泥岩和缓倾角错动带(如RS3004、RS3003)，力学性质差，受不同产状的长大裂隙切割容易形成小规模稳定性较差的块体，可能发生指向右岸出线场方向的顺缓倾软弱层内带的滑移，在边坡开挖过程中，受错动带影响区域坡面出现4 条竖向裂缝，均顺坡面发育残留爆破孔，裂缝两侧岩面新鲜，最宽裂缝达10 cm，长度约2.5 m，深度大于50 cm，裂缝集中分布在右岸坝顶以上边坡高程1 182.5～1 185 m 靠右岸出线场侧(南侧)，且错动带部位残留炮孔存在明显错动迹象，具体情况见图2。

图2 岩体裂缝和缓倾错动带分布图

3 数值分析方法与所取得的岩体参数

3.1 数值分析方法

笔者采用离散元法[1]～[3]，运用3DEC[4]程序计算解决工程实际问题。与连续力学方法相比，离散元能同时描述连续体的连续力学行为和接触的非连续力学行为，可将岩体处理成岩块(连续体)和结构面(接触)两个基本对象，其中的接触(结构面)是连续体(岩块)的边界，在对每个连续体在力学求解过程中可以被处理成独立对象(即离散的概念)，而连续体之间的力学关系通过边界(接触)的非力学行为实现。

对边坡岩块采用理想弹塑性本构关系，即岩块屈服以后不考虑其强度衰减。描述其峰值强度特征的准则采用传统的摩尔-库伦准则，其常见式为：

π=c+σmtanφ

式中c和φ为岩体强度参数，即内聚力和内摩擦角。上式还可以改写为：

式中σ1为最大主应力，σ3为最小主应力。

对于结构面采用3DEC中无厚度的结构面单元模拟，结构面单元由两个面贴合而成，面与面的相对变形(变形参数)和粘合特征(强度特征)由参数控制。由于无需模拟软弱充填结构面的厚度(几何形态)，避免出现计算单元的“奇异”造成的不利影响，同时，结构面的工程响应，如张开、压缩、剪切滑移乃至它们之间的任何组合都可以得到直观模拟，故结构面的参数确定根据岩石力学基础理论由结构面的厚度和结构面填充物质进行等效换算。

边坡岩体中地下水作用的模拟主要考虑静水压力的作用，通过设置几乎任意复杂形态的地下水曲面形态的方式予以实现，三维计算时采用离散元程序3DEC直接模拟地下水位面的位置，程序自动根据水位面计算有效应力。

3.2 岩体物理力学参数

图3 右岸出线场自然边坡和人工边坡三维模型示意图

本次计算模型综合考虑了工程关心区域和右岸出线场边坡形态及结构面分布情况，岩体的材料分区以互层岩层线和强、弱卸荷风化线划分，岩体材料主要考虑砂岩、泥岩、粉砂岩、Ⅲ2类和Ⅲ1类岩体，同时考虑地下水位；结构面主要考虑了缓倾层内错动带RS3001～RS3004，层间错动带C9～C11和长大裂隙T3001及随机裂隙，计算模型见图3，主要岩体力学参数及结构面力学参数见表1～2。

表1 材料力学参数表

表2 结构面力学参数表

4 无支护条件下出线场边坡局部稳定分析

图4为无支护条件下出线场边坡开挖至不同高程时坡表岩体的合位移云图。边坡开挖至高程1 160 m时，出线场北侧边坡高程1 180 m处缓倾错动带RS3004上盘岩体开始出现显著变形，开挖至高程1 145 m时，缓倾错动带RS3004上盘岩体变形呈持续增长状态，局部量值达100 mm，同时，缓倾错动带RS3003上盘岩体变形也开始变得显著。图5为无支护条件下出线场边坡开挖完成时沿缓倾错动带RS3004的剪切位移和法向位移云图，沿缓倾错动带RS3004的剪切变形大于9 mm的区域分布范围较大，靠近坡面的局部区域剪切变形达20 mm且法向位移亦较大，岩体受张拉作用明显。总体上，无支护条件下出线场的边坡变形主要为沿缓倾错动带的剪切变形和坡脚处岩体的卸荷回弹变形；受缓倾错动带RS3003影响区域的变形不如受缓倾错动带RS3004影响区域的变形显著。

图4 未支护条件下出线场边坡开挖过程变形图

图5 未支护条件下出线场边坡沿错动带RS3004剪切位移(左)和法向位移(右)图

采用强度折减法[5]～[11]计算并分析了无支护条件下出线场边坡的整体稳定安全系数，分析并评价了边坡变形破坏失稳特征。

通过在模型坡面布置变形监测点，根据监测点的变形是否收敛来判断边坡是否失稳。由图6可知，当折减系数为1.5时，监测点的变形呈现收敛态势；当折减系数达1.6时，监测点的变形呈持续增长趋势，相对应的变形速率亦呈持续增大趋势，呈不收敛态势，由此可以判断：无支护条件下出线场边坡持久工况的整体稳定安全系数为1.5。

图6 边坡监测点变形随强度折减系数变化关系曲线图

图7为不同强度折减系数下出线场边坡变形增量云图。当折减系数为1.2时，出线场北侧边坡缓倾错动带RS3004和RS3003控制的上盘岩体首先发生较大的变形，最大变形量达150～250 mm，表明这两个区域是出线场边坡率先发生显著变形而发生破坏的区域；随着折减系数增大，这两个区域的变形量值和范围逐步增大，当折减系数为1.4时，变形较大区域的最大量值达250～350 mm；当折减系数为1.6时，变形较大区域的最大变形量值达300～400 mm，表明无支护条件下出线场北侧边坡呈受缓倾结构面控制的局部变形破坏特征。

综上所述，无支护条件下出线场边坡整体稳定性较好，但受缓倾结构面及陡倾裂隙面控制的局部区域变形显著，边坡的局部稳定问题突出，尤其出线场北侧边坡受缓倾错动带RS3004控制的上盘岩体在一定范围内存在局部失稳破坏的可能，应引起重点关注，建议针对图7所指示的潜在破坏区域采取局部支护措施。

5 出线场边坡局部支护措施分析

5.1 局部支护方案设计

出线场边坡的局部稳定主要受缓倾结构面控制且影响深度较深，笔者建议针对缓倾错动带影响区域的上盘岩体采用“长锚索+框格梁”的支护方案。长锚索可穿过缓倾结构面深入到边坡内部的稳定岩体，从而达到锚固缓倾结构面上盘岩体的作用；而框格梁可将各锚索有机联系起来、联合发挥作用，从而提高锚索支护的系统性。具体支护方案见图8。另外，右岸出线场边坡由于岩体成互层夹泥岩特征，需采用有效的截排水措施防止雨水沿坡面卸荷裂隙渗入造成的岩体和结构面软化而导致边坡出现局部失稳破坏。

5.2 局部支护方案支护效果评价

图9为出线场边坡在未支护和支护条件下开挖完成时的变形云图。局部支护措施对出线场北侧边坡的变形总体上有一定的限制，尤其是对缓倾错动带RS3004控制的上盘岩体变形限制明显，有效地改善了出线场北侧边坡的局部稳定性。支护锚索在预张拉70%的情况下，锚索轴力均小于设计荷载1 000 kN，最大值为861.7 kN，接近设计荷载的90%，支护强度满足工程要求。

图7 出线场边坡变形随强度折减过程合位移增量变化特征图

图8 出线场边坡局部支护方案图

图9 出线场边坡在未支护(左)和支护条件下(右)开挖完成时变形特征对比图

图10为当折减系数为1.6时出线场边坡在未支护和支护条件下的变形增量云图。局部支护措施对缓倾错动带影响区域的变形限制效果相比于未折减时更加明显，变形量值和变形区域都有明显的减少，支护效果显著。锚索荷载普遍超设计荷载50%，但并未达到锚索的极限荷载。

图11为出线场边坡在未支护和支护条件下边坡变形监测点变形随折减系数增加的过程曲线图。局部支护后安全系数由1.5提高至1.8，边坡的稳定性有较明显的提高，表明局部支护措施有效改善了边坡稳定性，支护效果较好。

图10 出线场边坡在未支护(左)和支护条件下(右)开挖边坡折减系数为1.6时的变形特征对比图

图11 出线场边坡在未支护(左)和支护条件下(右)开挖边坡折减过程曲线对比图

6 结 语

(1)由无支护条件下出线场边坡稳定性分析可知：出线场边坡整体稳定性较好，但出线场北侧边坡受缓倾错动带影响的区域变形较大，尤其是缓倾错动带RS3004控制的上盘岩体在一定范围内变形最为显著，存在局部失稳破坏的可能，应重点予以关注。建议采取局部支护措施。

(2)针对由缓倾错动带控制的局部稳定问题，笔者提出了“长锚索+框格梁”的局部支护方案，同时加强了整个边坡的截排水工作。局部支护方案有效地限制了出线场北侧边坡受缓倾错动带影响区域的变形，边坡持久工况的安全系数由1.5提高至1.8，表明局部支护措施有效改善了边坡稳定性，支护锚索发挥了显著的作用，支护效果好。

(3)右岸出线场边坡局部支护锚索锚固力达1 000 kN，满足工程要求。为更好地监控边坡施工期和运行期的稳定状态，笔者建议：在锚索支护区域布置一定数量的锚索测力计并加强日常的监测工作，根据实际施工后锚索的锁定值和现场锚索测力计监测数据进行实时反馈分析。