杨房沟水电站断层对左岸坝肩稳定性影响及对策

闫兴田，段伟锋，么伦强

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,杭州 311122)

0 前 言

在中国大型水电工程建设中，工程边坡高达数百米，如在建的白鹤滩水电站坝顶以上最大坡高为366 m，已建成的小湾、乌东德水电站坝顶以上最大坡高均在500 m以上，这些水电高边坡的建设规模和难度均位居世界前列。大型水电工程多位于我国西南高山峡谷地带，岸坡陡峭，控制性软弱结构面是决定岩质边坡失稳破坏模式及稳定性的重要因素。随着边坡的下挖，岩质边坡岩体会产生应力调整和向临空方向的卸荷变形[1-5]。变形量过大时，将影响边坡稳定，从而制约工程安全，所以需充分重视边坡变形问题，及时采取措施控制，提高边坡稳定安全系数，以满足永久边坡安全标准[6-8]。

杨房沟水电站是雅砻江中游河段的第6级水电站，杨房沟水电站为Ⅰ等大(1)型，电站总装机容量1 500 MW，最大坝高155 m，是国内首个采用设计施工总承包建设模式的百万千瓦级大型水电工程，被誉为“第2次鲁布革冲击”。左岸坝肩边坡开挖高程2 102.00～2 332.00 m，工程边坡高度达230 m，2017年9月，当左岸坝肩边坡开挖至2 142.00 m高程时，左岸缆机平台高程2 187.00 m揭露出断层f37，致使揽机平台开裂长度达50 m；左岸坝肩边坡高程2 250.00～2 140.00 m边坡整体稳定，但受断层f37和其它结构面组合的影响，边坡存在局部稳定问题。后续如继续开挖，断层上盘临空岩体渐变单薄，对工程边坡的局部稳定性影响将越来越突出。

1 断层f37基本地质条件

1.1 f37断层属性

f37断层所在左岸坝肩边坡处岩性为花岗闪长岩，呈弱风化，产状N40～60°W，SW∠45～60°，断层宽10～30 cm。f37断层在高程2 240.00～2 140.00 m的工程边坡已揭露，揭露桩号分别为：高程2 175.00 m桩号K0+037.00 m、高程2 160.00 m桩号K0+036.00 m、高程2 140.00 m桩号K0+058.00 m(见图1)；其中，高程2 187.00 m以上产状N75～80°W，SW∠45～50°，宽为20～30 cm，高程2 187.00 m以下产状N40～60°W，SW∠60°，宽为10～15 cm，带内岩块、岩屑填充，铁锰渲染较严重，结构面类型属岩块岩屑型。

图1 坝肩边坡高程2 140.00～2 160.00 m断层位置

根据断层揭露性状，结合现场试验成果，断层f37参数建议值如下：天然参数f′=0.5，c′=0.1 MPa；饱和参数f′=0.45，c′=0.09 MPa。

为了进一步查明坝肩边坡内部地质情况，采用钻孔全景成像手段对左岸坝肩边坡2182.00 m高程进行地质勘测，共布置2个水平孔。经分析，9号锚索孔(K0+52.50 m)在孔深7.8～8.2 m揭露f37断层影响带，断层宽度5～10 cm，闭合，带内填充岩块岩屑；10号锚索孔(K0+57.50 m)在孔深8.7～8.8 m揭露断层f37，宽度4～5 cm，闭合，带内填充岩块岩屑。典型剖面见图2。

1.2 受f37断层影响块体及其失稳模式

左岸坝肩边坡高程2 250.00～2 140.00 m边坡整体稳定，局部较破碎，岩体呈次块状～镶嵌结构，以Ⅲ类岩体为主，上、下游开口线附近岩体呈强卸荷，属Ⅳ类岩体。但受断层f37、其它结构面、以及开挖临空面组合影响，断层迹线附近局部存在块体稳定性问题。

图2 3-3剖面钻孔成像示意 单位：m

f37断层在揽机平台高程2 187.00 m出现张开裂隙主要原因是：工程边坡下挖到高程2 140.00 m后，f37断层逐渐出露(如图3虚线所示)，对工程边坡的局部稳定性影响将越来越突出，断层上盘临空岩体渐变单薄，边坡岩体应力调整，沿断层f37近平行坡面段产生卸荷松弛现象。

左岸坝肩边坡2 190.00 m高程以下范围内，f37断层下游侧出露f169断层、f166断层、f145断层。其中，f169断层产状N70°E，SE∠70～75°，宽5～10cm，夹碎裂岩、岩屑，面见铁锰质渲染，出露在高程2 160.00～2 190.00 m边坡上，在高程2 160.00 m以下逐渐尖灭，结构面类型属岩块岩屑型。f166断层产状N10～15°E，SE∠80°，宽5～10 cm，夹碎裂岩、岩屑，面见铁锰质渲染，局部蚀变，强～弱风化状，出露在高程2 160.00～2 190.00 m边坡上，在高程2 160.00 m以下断层带变窄，相当于节理，结构面类型属岩块岩屑型。

高程2 190.00～2 140.00 m范围内边坡，f37断层和f169断层组合形成潜在不稳定块体1；f37断层、f169断层、f166断层组合形成潜在不稳定块体2，如图3所示。

1.3 监测数据分析

在揽机平台裂缝高程2 187.00 m安装了3支测缝计(编号为Jzbp-1～3)及3个表面变形临时测点(TPzbp-1～3)，以监测裂缝的开合变化情况。仪器安装埋设位置如图4所示。

图3 f37断层影响潜在不稳定块体三维

图4 高程2187.00 m f37断层裂缝观测点示意

截止9月14日，Jzbp-1(裂缝最上游、9月5日安装)累计开合度为0.08 mm；Jzbp-2(裂缝中间、9月5日安装)累计开合度为0.07 mm；Jzbp-3(裂缝最下游、9月4日安装)累计开合度为-0.08 mm。

左岸裂缝高程2 187.00 m平台3个表面变形测点TPzbp-1～3显示当前水平位移累计量介于-1.5～2.5 mm，24 h变化量介于-0.8～1.7 mm；垂直位移累计量介于-1.6～1.7 mm，24 h变化量介于-1.5～-0.1 mm；各测点变化量均在±2.5 mm(测量精度)以内。综合观测误差等因素，该部位在未继续下部开挖的情况下，变形量较小。监测成果显示，近期f37断层及其影响块体未发生变形。

2 f37断层影响边坡稳定性分析

2.1 3DEC离散元法边坡稳定性分析

根据开挖揭露的岩体结构特征，不利断层组合后可能在缆机平台以下边坡形成块体1、块体2，块体1由f37、f169组合而成，块体2由断层f37、f166及优势节理等组合而成，块体均以f37为潜在底滑面，块体的空间分布特征如图5～7所示，计算表明，块体1、块体2及块体1+块体2组合块体的潜在破坏模式均为滑移破坏。

图5 块体1典型破坏模式示意

图6 块体2典型破坏模式示意

图7 块体1+块体2典型破坏模式示意

2.2 刚体极限平衡法边坡稳定性分析

(1) 计算模型

根据赤平投影(见图8)分析，f37作为底滑面与侧滑面f169组合形成不利块体1，f37作为底滑面与侧滑面f169、f166组合形成不利块体2，在重力及缆机荷载作用下，块体1和块体2有可能产生平面型滑动破坏。计算块体1选取2-2剖面计算，块体2选取4-4剖面计算，如图9、10所示。

图8 稳定性分析赤平投影图

图9 块体1典型剖面示意 单位：m

(2) 计算结果

稳定分析分为边坡完成开挖后，缆机基础混凝土浇筑前、缆机基础混凝土浇筑后(缆机未运行)、缆机运行期三个时期进行计算。考虑边坡永久运行期无缆机运行荷载，而其设计安全系数与缆机运行期一致，故缆机运行期若能够满足设计安全系数，边坡永久运行期则自然满足。

1) 缆机基础混凝土浇筑前

缆机基础混凝土浇筑前且无支护措施时对块体1、块体2进行刚体极限平衡计算，其稳定安全系数如表1所示。在暴雨状态下块体1的安全系数值小于标准值1.15，不满足规范要求。故需对块体1采取加固措施。经复核计算，为满足块体1暴雨期稳定要求，需要单宽1 200 kN加固力，即布置3排2 000 kN预应力锚索@5 m×5 m。

表1 块体1、块体2稳定安全系数

2) 缆机基础混凝土浇筑后(缆机未运行)

高程2 187.00～2 130.00 m边坡按设计已明确的4排锚索措施施工完成后，对块体1和块体2进行刚体极限平衡计算，其稳定安全系数如表2所示。

表2 块体1、块体2稳定安全系数

表2可知，在暴雨状态下块体1的安全系数值1.11，不满足规范要求。块体2满足规范要求。故缆机基础混凝土浇筑后块体1不满足规范要求，控制工况为暴雨工况，需要在浇筑基础混凝土前采取加强支护处理措施。

经计算分析，为使块体1在浇筑缆机基础混凝土后满足稳定要求，需单宽加固力2 000 kN，布置5排2 000 kN预应力锚索@5 m×5 m，控制工况为暴雨工况；为使块体2满足稳定要求，需要单宽加固力800 kN，需要布置2排2 000 kN预应力锚索@5 m×5 m，控制工况为暴雨工况。

3) 缆机运行期

经计算分析，为满足块体1在缆机运行期各种工况下的稳定性，需单宽加固力3 600 kN，布置9排2 000 kN预应力锚索@5 m×5 m，控制工况为暴雨工况；为满足块体2在缆机运行期各种条件下的稳定性，需要单宽加固力2 400 kN，布置6排2 000 kN预应力锚索@5 m×5 m，控制工况为暴雨工况。加固后，块体1和块体2稳定安全系数如表3所示。

表3 加固后块体1、块体2稳定安全系数

3 加固措施及安全监测布置

根据块体稳定计算分析成果，为满足边坡下挖及缆机混凝土浇筑、缆机运行边坡稳定要求，对加固及监测措施设置如下：

(1) 爆破开挖2 130.00 m高程以下边坡及缆机基础混凝土浇筑前需完成的加固措施(Ⅰ期加固)。

(2) 缆机运行前需完成的加强支护措施(Ⅱ期加固)。

(3) 针对断层f37影响区域原已布置1套多点位移计、6支锚杆应力计、2台锚索测力计、2个表面变形测点。为观测在施工期及运行期间f37断层对左岸缆机运行及边坡稳定的影响，在高程2 187.00 m平台裂缝产生位置增加2组三向测缝计，观测f37断层变形情况；同时在2 162.00 m高程新增的锚索上选择布置1台锚索测力计，在2 143.00 m高程新增的锚索上选择布置1台锚索测力计。

4 结 论

(1) f37断层所在左岸坝肩边坡岩性为花岗闪长岩，高程2 187.00 m以下边坡主要受f37影响，可能形成以f37为底滑面，以f169断层、f166断层为侧滑面的潜在不稳定块体，在重力及缆机荷载作用下，可能产生滑移破坏。

(2) 三维离散元计算成果表明，f37断层和f169断层组合形成的块体1以及f37断层、f169断层、f166断层组合形成的块体2破坏模式均为以断层f37为底滑面的滑移破坏模式。

(3) 刚体极限平衡计算成果表明,为满足缆机运行及边坡永久运行的稳定要求，应对块体1和块体2进行加固，布置5排2 000 kN预应力锚索后，块体各工况下安全系数均满足规范要求；布置9排2 000 kN预应力锚索支护后，各种荷载组合情况下，块体各工况下安全系数均满足规范要求，说明当前拟定支护方案是合适的，能够满足缆机运行期及永久运行期边坡稳定要求。

(4) 在边坡后续的开挖过程中，应重视对块体1、块体2变形监测数据的分析，及时反馈并为边坡支护提供依据。