乌东德水电站泄洪洞出口左侧边坡变形控制研究

周华 王占军 曹去修 胡清义

摘要：乌东德水电站泄洪洞出口左侧边坡开挖过程中，坡面发生较大变形。基于边坡开挖揭露工程地质条件，通过裂缝调查、监测资料分析边坡变形趋势，建立三维数值模型研究边坡变形机理，并在此基础上提出并实施了“系统锚固、坡面灌浆、坡比调整”的系统加固处理方案。后期边坡开挖监测数据表明，左侧边坡已经稳定，加固处理措施有效，可为同类工程边坡变形加固处理提供借鉴。

关键词：边坡变形，变形控制，监测资料分析，裂缝调查，鸟东德水电站

中图法分类号：TV651文献标志码：A DOI：10.15974/i.cnki.slsdkb.2020.02.006

岩质高边坡稳定性是大型水电工程建设的重要工程地质问题，也是影响工程建设成败的重要因素之一。岩质高边坡开挖期间，往往会出现一定程度的卸荷松弛变形，变形超过一定范围即可能失稳。因此，岩质高边坡变形稳定及加固方案研究一直是近年来的研究热点。

漆祖芳等采用有限元强度折减法分析开挖边坡在施工期的稳定性，合理评价了锦屏一级拱坝坝肩边坡施工期的整体稳定性与安全性;曾金华等采用三维有限元法等对边坡进行数值计算，并据此对两岸坝肩边坡采用锚索、锚杆及挂网锚喷等加固措施，达到了稳定边坡的目的。陈本龙对西藏如美水电站天然高边坡开挖后出现的卸荷变形和变形破坏模式等问题进行深入研究，为保证边坡长期稳定提供了科学的依据。何忠明等用FLAC软件建立软岩边坡应变软化特性，并分析了软岩边坡在开挖过程中铅直位移和水平位移的变化趋势。

本文以金沙江乌东德水电站泄洪洞出口左側边坡为研究对象，在开挖揭露工程地质条件基础上，通过裂缝调查、监测资料分析边坡变形趋势，建立三维数值模型研究边坡变形机理，并在此基础上提出有针对性的系统加固处理方案，保证泄洪洞出口左侧边坡后期顺利开挖支护等施工。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

乌东德水电站位于四川省会东县和云南省禄劝县交界的金沙江下游河段，是下游河段乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4个梯级中的第一个梯级电站。水库正常蓄水位975m，总库容74.08亿m³。电站总装机容量10200MW，年发电量389.1亿kW·h。枢纽工程由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物、左右岸引水发电系统及导流建筑物等组成，电站采用坝身表中孔与岸边泄洪洞联合泄洪。

左岸靠山侧平行布置3条泄洪洞，出口挑流鼻坎下游设人工水垫塘消能。水垫塘在小花山台地开挖形成，该部位岩体破碎，抗冲能力较差。水垫塘采用封闭抽排结构型式，四周设置基础廊道，塘末设置顶高程为825m的尾坎，尾坎下游开挖尾渠引导泄洪水流归槽。

1.2左侧边坡地质条件

泄洪洞出口左侧边坡位于人工水垫塘左侧、花山泥石流沟出口下游侧，见图1。边坡开挖前出露地层为第四系覆盖层（O）、褶皱基底落雪组（Pt₂₁）、沉积盖层观音崖组（Z_zg）和灯影组（Z_zd）等。

左侧高程925m以上工程边坡及其上方自然边坡由Z_2g、Z_2d、P_2y、P_3em、T_3bg、J_1y、J_2x等沉积盖层地层构成，地层走向340°-10°，倾向E、倾角28°-35°，缓倾左岸偏上游，岩层走向与边坡走向夹角3°-37°，倾向坡内，构成缓倾反向坡。

高程925m以下工程边坡由Pt₂₁褶皱基底地层构成，地层走向近EW向（250°-290°），倾向S，倾角70°-85°，近横河向展布，陡倾下游偏右岸。左侧边坡走向193°，岩层走向与左侧边坡走向交角57°-83°，构成陡倾横向坡，见图2。

左侧边坡发育F₆、F₇、F₉等3条断层，其中规模较大的1条断层为花山沟断层F₆。

2 泄洪洞出口左侧边坡开挖及变形情况

2.1 边坡开挖施工过程

泄洪洞出口左侧边坡分两期施工：

（1）一期工程于2014年3月完成，主要挖除全部覆盖层，上游侧开挖至高程895m，下游侧开挖至高程850m，形成混凝土系统平台，外侧尾水塔基础、尾水渠及导墙基础开挖完成。

（2）二期工程自2015年3月开始，主要为水垫塘剩余部分、高程850m以下尾渠及排导槽下游段开挖支护。2017年6月汛前，左侧边坡总体开挖至高程806m，局部开挖至高程796m。基坑充水度汛后，左侧边坡开挖支护全面停止。

左侧边坡先挖除上部覆盖层，再开挖形成人工边坡，覆盖层剥离线最高高程约1070m。人工边坡结构为横向坡，以尾坎为界分为两段，上游段为水垫塘左侧边坡，最高开口高程约970m，底部至水垫塘基础廊道开挖高程786.5m，人工边坡最大高度183.5m;尾坎下游段为尾渠左侧边坡，最高开口高程约945m，尾渠底板开挖高程819.5m，边坡最大高度约125m。水垫塘左侧边坡以高程850m为界，上部、下部单级开挖坡比分别为1：0.2、1：0.3，尾渠左侧边坡单级开挖坡比均为1：0.2。

覆盖层及人工边坡开挖后，坡面进行了系统喷锚支护，中上部设系统锚索，高程850m以下水垫塘边坡系统支护与边墙结构锚固措施相结合布置。对于开挖过程中出露的块体，采用锚索、锚桩及锚杆进行随机支护。

2.2边坡变形情况

2016年11月，左侧边坡启动高程850m以下开挖施工后，坡面部分表观监测数据突然增大。2017年3月，高程806m以上边坡开挖完成，表观监测数据揭示边坡变形速率仍较快，恢复监测的内观监测变形较大，最大变形量达到83.73mm（见图3），监测锚索和锚杆受力也有所增大。

2017年4月，左侧边坡开挖全面暂停，仅开展开挖坡面系统支护施工，随后边坡变形速率趋缓。基坑充水度汛后的8月底，内观位移监测最大变形量91.96mm，表观监测Y轴累计最大值为227.98mm，监测锚索最大锚固力2740.9kN。

3 左侧边坡变形特征及安全监测分析

3.1 地表裂缝调查情况

截至2017年5月，左侧边坡共发现33条裂缝，其中仅6条为岩体变形裂缝，皆位于断层F₆下游开口线上方局部脊状突出地形部位。裂面起伏粗糙状，延伸长度约10m，张开宽度均小于4cm，深度小于0.4m，均延伸至下伏岩体中，成因主要与边坡松弛变形有关。其余27条均为坡面喷护混凝土裂缝，未延伸至岩体中，成因主要与混凝土收缩、温度变化等因素有关。

3.2 安全监测成果分析

左侧边坡共布置6个变形监测断面，共计17套多点位移计、14个表观监测墩、21个锚索测力计、26个锚杆应力计，不同种类监测仪器揭示的边坡变形特征吻合程度良好。此处仅选取多点位移计监测成果进行分析。

坡面多点位移计监测深度30-40m，首测时间不一。受现场施工损毁等影响，部分仪器在2015年3月至2017年3月间无监测数据，仅M13、M14、M16捕捉到了相对较完整的变形过程（见图4）。

从图4可以看出：

（1）孔口累计变形量多数小于25mm，M11点变形量最大达92.15mm，位于凸出脊状地形靠近开口线顶部，边坡中部区域次之，850混凝土系统后方边坡及坡面其他区域累计变形量小。

（2）左侧边坡岩体变形深度基本在20-30m之间。

（3）左侧边坡变形总体可分3个阶段，即变形加剧、变形趋缓、变形收敛或趋于收敛阶段。2016年12月至2017年3月，为左侧边坡高程830m以下高强度爆破开挖期，边坡变形量和变形速率较大，其后边坡变形逐渐收敛或明显趋于收敛阶段。

4 左侧边坡变形机理分析

基于左侧边坡开挖揭露工程地质条件，选取出口左侧边坡、出口正面边坡建立整体三维数值分析模型，采用FLAC软件对边坡岩体力学参数进行反演，并分析研究左侧边坡在开挖卸荷条件下的力学响应、边坡变形破坏机制和潜在失稳模式，为边坡加固处理措施拟定提供依据。

计算域内模拟了边坡不同地层、花山沟F₆断层等，考虑了边坡主要地层不同岩体分级和开挖扰动卸荷松弛等。计算模拟了各级边坡开挖、支护，层状岩体采用遍布节理弹塑性层面模型。

研究表明：泄洪洞出口左侧边坡的开挖力学响应模式主要受控于边坡的岩性、岩体结构、开挖坡形、开挖卸荷规模以及施工扰动效应等内外因素。左侧边坡高陡，下部工程边坡的开挖切脚对边坡产生了较大扰动;边坡岩体质量总体为差一较差，以IV₁-IV₂级为主，合计占比达92.2%。在大规模开挖卸荷条件下岩体产生较大的变形和松弛，无论是边坡岩体的变形量、卸荷松弛深度以及锚索荷载增量均明显大于一般的岩质边坡，边坡出现上述现象与构成边坡的岩体总体质量较差密切相关，岩体质量较差是引起局部凸起地形的坡体出现较大变形的主要原因，F₆断层碎裂岩一碎粉岩和盖层观音崖组Z_2g完整性差一破碎岩体也对边坡的变形有一定影响。边坡高程830m以下IV₂级岩体的开挖削弱了边坡底座、坡脚的支撑作用，进一步加剧了上部岩体的卸荷松弛，使得边坡岩体的变形持续增大，松弛深度不断向深部延伸。

鉴于边坡变形已逐渐趋于收敛，且坡体内不存在倾向坡外的规模较大的断层等结构面，边坡尚不存在整体稳定问题。

5 左侧边坡变形加固方案

5.1 加固方案

结合左侧边坡变形机理，针对性地开展了变形加固措施研究，形成了“系统锚固、坡面灌浆、坡比调整”的加固处理方案，并辅以变形监测及开挖施工措施。

（1）左侧边坡增设锚索。高程830m以下坡面结合现场施工情况，总体增加2排1500kN级、L=45-50m预应力锚索;左侧边坡中上部、靠近泥石流排导槽上方的变形较大区域，增设69束2000kN级、L=55-65m预应力锚索;新增锚索锚墩适当加大，内锚段适当增长。

（2）高程830m以下坡面固结灌浆。左侧边坡岩体质量总体较差，多为IV级岩体。物探测试表明，高程830m以下边坡岩体卸荷松弛深度超过20m。为加强左侧边坡岩体整体性，坡面IV2级及以下岩体进行固结灌浆，灌浆孔孔深25m，间排距3m×3m，垂直坡面、矩形布置。

（3）高程806m以下开挖坡比放缓。为减小左侧边坡坡脚开挖对边坡稳定性影响，将高程806m以下边坡开挖坡比由1：0.3调整至1：0.6，开挖坡比调整后，坡面系统支护原则维持不变，水垫塘部分边墙结构型式、底部基础廊道平面位置、顺流向结构缝位置等作相应调整。

（4）坡面增设内、外观监测仪器。为确定边坡变形范围及发展趋势，在一期、二期边坡监测断面上增设8个固定棱镜观测边坡表面位移，在泥石流排导槽上方工程边坡新增锚索上布设5台锚索测力计，同时增设4支多点位移计。

（5）边坡开挖施工控制。2017年汛后水垫塘底板全部挖至高程792m后，左侧边坡坡脚齿槽开挖宜采用一次爆破、分段出渣、齿墙混凝土跳仓浇筑等方式进行施工，尽量减小切脚开挖对边坡的影响。

5.2处理效果

2017年汛期，左侧边坡部分加固措施开始实施，汛后全面启动边坡开挖支护施工。图5为典型测点M13XHDS多点位移计变形过程线。从图5可以看出，后期施工过程中该点位移测值基本不变，左侧边坡变形已基本稳定。同時，随着水垫塘边墙等混凝土结构形成，边坡稳定性得到进一步加强。

6 结论

（1）泄洪洞出口左侧边坡地质条件复杂，工程边坡高陡，岩体质量差，快速开挖卸荷松弛对边坡变形稳定产生较大不利影响。

（2）经边坡裂缝调查、监测资料和变形机理分析后，形成了“系统锚固、坡面灌浆、坡比调整”的加固处理方案，并辅以变形监测及开挖施工措施。

（3）监测数据表明：左侧边坡变形已经稳定，已实施的加固处理措施是有效的。可为同类工程边坡变形控制加固处理提供借鉴。