杨房沟水电站左岸坝肩边坡断层f37变形机制及其加固设计

李 锦 成， 殷 亮

(1.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610000；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

在我国西部高山峡谷地区，岩石高边坡是工程建设中的主要地质环境和工程承载体，岩石高边坡稳定性不仅是一个强度稳定性问题，更是一个变形稳定性问题[1]。受多期地质构造作用和强烈的河谷动力学过程影响，边坡形成了众多特殊的或复杂的变形破裂现象[2]。张正虎等[3]结合工程地质条件和监测资料分析了长河坝水电站左坝肩边坡变形机制，认为该边坡变形破坏模式主要为滑移—拉裂破坏和倾倒—拉裂破坏。

1 杨房沟水电站左岸坝肩边坡变形机制

杨房沟水电站为一等大(1)工程，枢纽主要由挡水建筑物、泄洪消能建筑物和引水发电系统等组成。挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，坝高155 m，坝顶高程2 102 m。坝址区河谷狭窄、边坡高陡，为典型深切“V”型河谷地形，主要为燕山期花岗闪长岩，岩体坚硬完整、风化卸荷较弱，坡体非连续面发育，地应力水平中等。

坝址区边坡开挖揭示岩体以Ⅲ类为主，局部较破碎，岩体呈次块状～镶嵌结构，边坡整体稳定性较好。根据左岸坝肩边坡开挖揭示情况，断层f37具有分布范围较大、产状偏转明显、局部影响带较宽等典型特征，使其对边坡变形及稳定性的影响随边坡开挖而趋于复杂化。断层f37在高程2 190 m以上产状N75～80°W，SW∠45～50°，在高程2 190 m以下产状变为N40～60°W，SW∠60°。断层f37影响带宽为10～15 cm，带内岩块岩屑填充、铁锰渲染较严重。以高程2 190 m为界，走向变化约20°～30°，倾角变化约10°～15°，即断层f37由原来的与开挖坡面呈“中等角度相交”变为了“近平行或小角度相交”的情况，整体上对缆机平台及以下边坡稳定性较为不利。

施工过程中，在左岸坝肩边坡上游侧高程2 145～2 130 m梯段爆破后，缆机平台出现了沿断层f37的变形开裂现象，缝宽约在1～2 mm，其对后续工程施工安全与边坡稳定影响较大，深入分析该边坡的变形破坏机制非常重要。图1为左岸坝肩边坡断层f37延伸情况及变形特征。

图1 左岸坝肩边坡断层f37延伸情况及变形特征

笔者结合现场工程地质调查和监测成果，采用三维块体离散元方法，对上述典型工程问题开展研究工作，通过分析复核在断层f37影响下边坡的变形机制及稳定性特征，评估针对性加固处理方案的可行性和合理性，为现场决策提供技术支撑。

2 左岸边坡断层f37变形机制数值模拟分析

2.1 分析方法

近年来，对岩体非连续力学行为的模拟一直是一个难点，同时也是岩体工程研究的热点。DDA、离散元法[4]、界面元法等非连续数值分析方法已应运而生，并逐步形成了可供工程实践应用的商业化程序。其中，3DEC(Three-dimension Distinct Element Code)是一款基于块体离散单元法作为基本理论，用以描述离散介质力学行为的计算分析程序，其作为一种非连续力学分析方法，可再现岩体中结构面产生的非连续变形、甚至完全脱离的行为，同时也可以模拟岩块的连续变形特征。该研究采用ITASCA公司Peter Cundall院士等人开发的3DEC程序，该离散单元方法在处理非连续变形问题和结构面控制型岩体稳定问题上具有显著优势，能够方便地模拟各类地质构造面，适用于节理岩质高边坡的开挖变形响应及稳定分析。

2.2 三维数值模型与参数选取

三维数值模型中岩体物理力学参数主要基于地质建议值和监测反馈分析成果，并结合实际开挖揭示条件、声波检测成果等综合拟定，具体岩体物理力学参数取值见表1。岩体本构模型采用摩尔库伦弹塑性本构模型，该准则是传统Mohr-Coulomb剪切屈服准则与拉伸屈服准则相结合的复合屈服准则。

表1 岩体物理力学参数取值表

针对结构面的模拟将选用接触面模型，接触面的破坏准则基于库仑剪切强度准则。根据边坡实际开挖揭露地质情况，结合坝址区岩体结构面力学指标建议值，并参考相关规范规程，岩体结构面力学参数取值见表2。

表2 岩体结构面力学参数取值

2.3 左岸坝肩边坡开挖变形响应特征分析

针对左岸坝肩边坡梯段开挖过程进行动态仿真数值模拟，分析不同开挖阶段的卸荷变形、结构面非连续变形演化特征。开挖至高程2 190 m时(图2左侧)，边坡以向上的卸荷回弹变形为主，受断层f37影响，断层两侧岩体表现出轻微的非连续变形特征，其中上盘岩体的卸荷回弹变形较大，一般在10～14 mm。开挖至高程2 140 m时(图2右侧)，边坡仍以卸荷回弹变形为主，新开挖阶段的累计变形一般在5～8 mm，其中断层f37影响区域的变形量一般可达10～12 mm。在高程2 190 m处断层f37上盘岩体仍表现为向上的卸荷变形特征，累计变形一般在15～17 mm。

图2 左岸坝肩边坡不同开挖阶段累计变形特征

由此可见，在边坡开挖过程中，随着顺坡向倾坡外断层f37在开挖坡面的逐步出露，其上、下盘岩体的非连续变形特征逐步显现，其中上盘岩体的开挖卸荷变形特征相对突出，在断层出露部位的薄层岩体表现出一定的松弛特征。从变形发展趋势看，该差异变形现象将会持续直至断层f37在开挖面完全揭露为止。断层f37的变形响应特征则主要受结构面性状、赋存地应力条件、爆破控制以及后续针对性加强锚固方案等因素共同影响。

“无支护条件”情况下，左岸坝肩边坡开挖至高程2 102 m累计变形特征预测情况见图3。与前一开挖阶段相比，断层f37上盘岩体松弛特征明显，变形增长可达到25～35 mm，断层上、下盘岩体表现为明显的错动变形。若不针对断层f37影响区进行加固处理，将会出现边坡失稳风险。

图3 左岸坝肩边坡开挖至高程2 102 m累计变形特征(无支护条件预测)

2.4 左岸坝肩边坡断层f37变形机制分析

将左岸缆机平台高程2 190 m以下边坡开挖简化为三个典型阶段进行对比分析：高程2 190～2 160 m梯段、高程2 160～2 145 m梯段、高程2 145～2 135 m梯段。图4分别给出了三个典型的开挖阶段垂直向下变形增量分布情况，图5为高程2 145～2 135 m梯段开挖变形增量及矢量分布特征。结合前文边坡开挖总变形响应特征，有如下特点：

(1)在高程2 190～2 160 m梯段开挖后，断层f37逐步在坡面靠上游侧出露，受其影响岩体变形以斜向上游侧的卸荷回弹变形为主，垂直向下(下沉)变形特征不明显。

(2)在高程2 160～2 145 m梯段开挖后，局部岩体沿断层f37出现了轻微的垂直向下(下沉)变形特征，量值在1 mm左右。

(3)在高程2 145～2 135 m梯段开挖后，断层f37在坡面靠上游侧完全揭示，其在临时坡脚的出露范围也逐渐变广(推测f37将在EL.2130 m全面揭露)，其上盘岩体渐变单薄、承载能力降低，此阶段的变形增长和二次应力调整均相对强烈，并表现出一定的卸荷松弛特征。边坡沿f37产生了相对明显的斜向下卸荷松弛变形现象，量值可达到2～5 mm。在缆机平台处断层f37上盘部分岩体表现出相对明显的下沉变形特征，量值可达到1～3 mm。

图4 边坡高程2 190～2 135 m典型开挖阶段的垂直向下变形增量

图5 边坡高程2 145～2 135 m梯段开挖变形增量及矢量分布

因此，在边坡开挖卸荷作用下，断层f37上、下盘岩体表现出了一定的非连续变形特征和卸荷松弛现象，且随着断层f37在开挖坡面的逐步揭露而趋于明显。其中高程2 145～2 135 m梯段开挖对上部边坡的影响相对显著，这应是在缆机平台沿断层f37出现变形开裂现象的主要原因。

3 针对性加固设计方案与稳定性分析

3.1 针对性加固设计方案

针对左岸坝肩边坡受断层f37影响区稳定性较差的情况，为满足边坡继续下挖及缆机运行等边坡稳定要求，通过深入分析论证拟定了针对性的左岸坝肩边坡断层f37加强支护处理措施(图6)。结合现场施工安排，提出了分期实施的加固处理方案。

图6 左岸坝肩边坡断层f37加强支护处理典型剖面图

(1)一期加强支护措施。必须在高程2133 m以下边坡开挖及缆机基础混凝土浇筑前完成，主要包括：①高程2 162～2 182 m共布置5排2 000 kN预应力锚索，L=30 m/40 m间隔布置，高差×水平距离5 m×5 m，下倾15°。锚索之间设混凝土联系梁(30 cm×40 cm)，锚墩与联系梁需浇筑形成整体。②考虑到高程2 160 m以下块体较薄，在高程2 143 m布置1排2 000 kN预应力锚索，L=30 m/40 m间隔布置，间距5 m，下倾15°。在高程2 133 m附近布置一排锁口锚筋桩332，L=9 m，间距2 m。

(2)二期加强支护措施。必须在缆机运行前完成，主要包括：高程2 138 m、2 150 m、2 155 m共布置3排2 000 kN预应力锚索，L=30 m/40 m间隔布置，间距5 m，下倾15°。锚索之间设混凝土联系梁(30 cm×40 cm)，锚墩与联系梁需浇筑形成整体。

3.2 针对性加强支护处理方案评价

根据现场开挖揭露的岩体结构特征，在左岸缆机平台以下边坡组合形成潜在不利块体A(f37+f169+优势节理)、块体B(f37+f166+优势节理)、块体C(f169+f166+优势节理)，三个不利块体均以f37为潜在底滑面，其空间分布见图7。

图7 左岸缆机平台以下边坡与断层f37相关的潜在不利块体

基于离散元强度折减法，根据拟定的加强支护处理方案(计算中仅考虑预应力锚索加固效果，挂网喷混凝土、锚杆、锚筋桩等均作为安全储备)，计算出各种工况下块体稳定安全系数见表3。

表3 各种工况下块体稳定安全系数

采用三维块体离散元方法，对断层f37影响区潜在不利块体的稳定分析成果表明：

①无支护状态下，块体A、块体B安全系数均小于1.0，无法满足稳定安全要求。

②高程2 187～2 160 m布置5排2 000 kN预应力锚索支护后，各种工况下块体稳定安全系数均满足规范要求，即：完成一期加强支护措施后，边坡具备继续开挖及缆机基础混凝土浇筑的条件。

③高程2 187～2 130 m布置9排2 000 kN预应力锚索支护后，各种工况下块体稳定安全系数均满足规范要求，即拟定的加强支护处理方案可以能够满足缆机运行期、工程永久边坡稳定要求。

4 针对性加固效果分析复核

4.1 数值反馈分析论证

在断层f37采用针对性加强支护处理方案下，左岸坝肩边坡开挖至高程2 102 m的累计变形特征见图8。可以看出，断层f37影响区域岩体变形增长明显降低，最大变形一般仅在10～15 mm，表明设计拟定的加强支护处理方案对岩体变形起到了较好的控制作用，方案合理可行，能够确保施工期、缆机运行期、工程永久边坡稳定满足规范要求[5]。

图8 针对性加强支护条件下，左岸坝肩边坡开挖至高程2 102 m累计变形特征

4.2 监测成果分析论证

针对断层f37的加强支护处理措施实施以后，断层f37影响区的相关监测成果均处于平稳状态，无持续变形或其他异常现象。图9展示了典型测点的变形过程线，累计变形在7 mm左右，且趋于收敛稳定。表明针对性加强支护处理措施对控制边坡变形作用十分明显，边坡处于稳定状态。

图9 左岸坝肩边坡典型测点测值过程线

5 结 语

笔者针对杨房沟水电站左岸坝肩边坡受断层f37影响下的变形机制及稳定特征，采用基于非连续方法的三维离散元(3DEC程序)进行了深入分析。

(1)左岸坝肩边坡受顺坡向倾坡外不利断层f37切割影响，在边坡开挖卸荷作用下，断层f37上、下盘岩体表现出了一定的非连续变形特征和卸荷松弛现象。施工过程中出现了沿断层f37的变形开裂现象，缝宽约在1～2 mm，其对后续工程施工安全与边坡稳定影响较大，深入分析该边坡的变形破坏机制非常重要。

(2)通过三维离散元法数值计算深入分析论证，结合现场施工安排，提出了分两期实施的加强支护处理方案是合理可行的。监测成果表明：加固处理方案实施效果良好，变形已趋于收敛，边坡处于稳定状态。

(3)三维离散元法在分析研究受控于多组不利结构面的岩质边坡变形破坏机制时，可真实、快速再现边坡开挖卸荷过程中的非连续变形特征，便于与现场揭露情况和监测成果进行对比分析，可为类似高陡岩石边坡稳定性分析及加固处理方案拟定提供参考。