杨房沟水电站尾水出口边坡稳定性分析及处理方案

赵鹏，吴疆，周勇，潘兵

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，310014)

1 工程基本情况

1.1 工程概况

杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上，是规划中该河段的第6级水电站。电站枢纽主要建筑物包括挡水建筑物、泄洪消能建筑物及引水发电系统建筑物等。

尾水出口为引水发电系统尾部建筑物，布置在二道坝与杨房沟之间，1#和2#尾水洞出口距离二道坝分别为90m和140m。尾水出口边坡坡高接近400m，边坡走向接近N35°W，2260m高程以下地形坡度40°～50°，2260m～2350m高程地形坡度60°～70°，局部呈陡崖地貌。尾水出口自2001.65m高程尾水出口平台以上分别布置了2060m、2030m高程两级马道。

1.2 基本地质情况

尾水出口边坡岩性为花岗闪长岩，岩体以次块状结构为主。根据现场揭露的情况，开挖面以Ⅲ类岩体为主，但表层2m～7m范围坡体为强风化、强卸荷岩体，为IV类岩体。边坡开挖中未发现较大规模断层，但发育多条小断层和挤压破碎带，这些IV级结构面均为岩块岩屑型，大部分倾向坡内，其中部分结构面倾向坡外，且与坡面夹角较小，对边坡的稳定性具有不利影响。

边坡开挖整体成型相对较好，但坡表结构面中等发育，受断层、节理切割影响，特别是开口线部位强卸荷区、顺坡向优势节理发育部位或在不利结构面组合情况下，局部出现了开挖卸荷导致的浅层岩体松弛拉裂、块体稳定问题。

1.3 初期支护方案

尾水出口边坡按照从高至低的顺序，分层分序开挖，一次开挖高程15m，每30m设一级马道，共设3级马道，马道高程分别为2060m、2030m、2001.65m，边坡开挖坡比为1∶0.3。尾水出口边坡主要采用系统锚喷支护，针对开挖过程中揭露的Ⅲ2类围岩，支护参数为：系统锚杆：φ25/φ28，L=6m/9m@2.0m×2.0m，外露10cm；挂网喷混凝土：系统挂钢筋网φ6.5@15cm×15cm，系统喷C25混凝土，厚15cm；预应力锚索：随机布置预应力锚索T=1000kN/2000kN，L=30m/40m。针对开挖过程中揭露的Ⅲ1类围岩，支护参数为：系统锚杆：φ25/φ28，L=4.5m/6m@2.0m×2.0m，外露10cm；挂网喷混凝土：系统挂钢筋网φ6.5@15cm×15cm，系统喷C25混凝土，厚15cm；预应力锚索：随机布置预应力锚索T=1000kN/2000kN，L=30m/40m。

2 尾水出口边坡三维模型及基本参数

2.1 三维模型建立

图1为尾水出口边坡开挖数值计算模拟的整体三维模型，该数值计算模型范围：220m×300m×350m(x×y×z)，模型底部高程为1900m。模型坐标系设置如下：x轴为垂直河流流向的E-W向，y轴为顺河流流向的N-S向，z轴为铅直向。根据现场施工方案，拟定了相应的分序开挖模型，模型中每开挖步的开挖高程约为30m。

图1 尾水出口边坡整体三维模型

2.2 岩体本构模型及力学参数取值

本计算中的岩体本构模型采用摩尔库伦弹塑性本构模型，岩体物理力学参数取值如表1所示。

表1 岩体物理力学参数取值

2.3 岩体结构面本构模型与参数

数值模拟中采用的主要初始参数如表2所示，图2为工程边坡区域开挖揭露的主要IV级结构面空间分布情况。

表2 结构面物理力学参数

图2 尾水出口边坡模型中模拟的主要结构面

2.4 初始地应力场

尾水出口边坡开挖面主要位于边坡浅部卸荷岩体中，水平开挖深度最大约30m，根据上述经验认识，这些区域的地应力场受河谷地形地貌的影响相对较大。图3给出了天然状态下尾水出口边坡典型剖面的最大主应力和最小主应力分布情况。工程边坡浅层一定深度范围内卸荷特征明显，高高程部位以自重应力为主，岸坡应力从上至下初始地应力水平呈增高趋势。在边坡开挖区，最大主应力一般在10MPa以内，最小主应力一般在2MPa以内，其中坡脚部位应力水平相对较高。

图3 天然边坡典型剖面初始地应力场分布特征

3 尾水出口边坡开挖响应特征及稳定分析

尾水出口边坡的稳定性不仅受到自然条件下稳定特征的控制，还与施工期边坡具体的开挖支护方案和运行期的各类工程因素等关系密切，因此，本文利用3DEC数值模拟软件，对后续施工期间的边坡开挖响应特征进行模拟，并对边坡稳定性进行分析。

3.1 边坡开挖至2060m高程马道阶段

3.1.1 边坡开挖变形特征

图4给出了尾水出口边坡开挖至2060m高程时坡体变形的累计与分布情况；图5给出了坡体变形分量分布情况，三个分量分别以顺河流方向、水平面朝向坡外、铅直向下为负。在该阶段，边坡的主要变形为典型的向临空面的卸荷回弹变形，开挖坡面的累计变形量值约为2mm～5mm，其中1#尾水出口边坡变形量级略高，主要集中在开口线附近，卸荷变形特征也相对明显。

图4 边坡开挖至2060m高程的典型剖面累计变形分布

图5 边坡开挖至2060m高程的横河向变形(左)、顺河向变形(中)和铅直向变形(右)分布

根据以上计算成果可以看出，尾水出口边坡2060m高程以上开挖过程中，坡体具有较好的整体稳定特征，边坡开挖以卸荷回弹变形为主。

3.1.2 边坡稳定性分析

在数值计算的基础上，通过强度折减法，对边坡开挖过程中的变形特征及稳定性进行分析。图6是边坡2060m高程以上开挖完成后，不同强度折减系数下的位移云图(强度折减系数范围为1.0～1.6)。其中在强度折减系数为1.4的情况下，2#尾水出口边坡区域存在块体滑移失稳现象，该块体主要有由f24、f38、f44等结构面组合而成，可以认为当前开挖阶段，该块体的安全系数在1.3～1.4；当强度折减系数为1.6时，受不利结构面f16、L11影响，1#尾水出口边坡中下部区域也表现出明显的非连续变形特征，该区域浅层岩体存在一定失稳风险。

图6 尾水出口边坡开挖至2060m阶段不同强度折减系数下坡体位移分布

由上述分析可知，尾水出口边坡2060m高程以上开挖后，边坡仍处于整体稳定状态，但局部仍存在潜在块体稳定问题，其中2#尾水出口边坡区域存在由f24、f38、f44等结构面组合而成的潜在不稳定块体，其安全系数在1.3～1.4。总体上看，此阶段开挖对尾水出口边坡整体稳定性的影响较小，但对开挖影响区内局部块体稳定具有一定影响。

3.2 边坡开挖至2030m高程马道阶段

3.2.1 边坡开挖变形特征

图7、图8给出了尾水出口边坡开挖至2030m高程的累计变形及变形分量的分布情况，在该阶段，边坡的主要变形仍然为典型的向临空面的卸荷回弹变形。其中新开挖面的累计变形一般在2mm～6mm左右，局部受断层影响，表现出一定的非连续变形特征，如1#尾水出口边坡下游侧开口线附近，受断层f68影响，断层上盘岩体变形在10mm～15mm，与优势节理、卸荷裂隙组合后，可能存在局部岩体松弛和坍塌破坏风险。2030m开挖平台的累计变形一般可达到6mm～12mm，主要为向上的卸荷回弹变形。此开挖阶段，下部开挖对边坡上部(2060m高程以上)开口线以外浅表岩体有一定影响，变形增量一般在1mm～3mm，影响范围一般在开口线外10m左右。其中1#尾水出口边坡开口线外岩体，因其临空卸荷条件十分不利(受杨房沟影响)，受下部开挖施工扰动影响相对明显，范围一般可达到边坡开口线外20m以上。

图7 边坡开挖至2030m高程的典型剖面累计变形分布

图8 边坡开挖至2030m高程的横河向变形(左)、顺河向变形(中)和铅直向变形(右)分布

综上，在本阶段边坡岩体的主要变形仍然为典型的向临空面的卸荷回弹变形，整体变形量值相对较小，表明边坡仍具备一定的整体稳定性。另外，局部开挖边坡开口线附近存在一定的卸荷松弛变形问题。

3.2.2 边坡稳定性分析

图9是尾水出口边坡在不同强度折减系数下的位移云图(强度折减系数范围为1.0～1.6)。在强度折减系数为1.5的情况下，边坡部分区域出现变形显著增长情况，2030m高程以上2#尾水出口边坡区域存在块体滑移失稳现象；当强度折减系数为1.6时，1#尾水出口边坡2030m以上断层f16坡面出露区域存在较明显的非连续变形特征。

图9 尾水出口边坡开挖至2030m高程阶段不同强度折减系数下坡体位移分布

2#尾水出口边坡永久开挖面部位存在由f24、f38、f44等结构面组合而成的潜在不稳定块体，块体分布高程在2040m～2080m，水平深度约5m～20m，当前阶段该块体的安全系数在1.4～1.5，作为永久工程边坡，现场应根据实际开挖揭示情况并制定针对性加强支护方案。

断层f16对1#尾水出口边坡2030m高程以上区域有一定不利影响，可导致该区域浅层岩体松弛或局部块体变形和破坏问题。另外，断层f16对临时开挖平台2030m高程同样存在一定不利影响，特别是与下部L11及优势节理组合后，存在局部坍塌破坏的风险，开挖控制不当将会造成该临时施工平台的缺失或垮塌，进而影响现场排架搭设和后续开挖施工，也会对该阶段施工安全造成一定的不利影响。因此，在边坡2060m～2030m高程开挖阶段，应加强断层f16发育区域的岩体结构调查工作，分析研究潜在的不利结构面组合交切关系，必要时应采取针对性加强锚固措施。

综上所述，尾水出口边坡2060m～2030m高程开挖完成后，边坡整体处于稳定状态，但局部存在潜在块体稳定问题。

3.3 边坡开挖至2001.65m高程平台阶段

3.3.1 边坡开挖变形特征

图10、图11给出了边坡2030m～2001.65m高程开挖阶段的累计变形及变形分量的分布情况。在该阶段，边坡的主要变形仍然为典型的向临空面的卸荷回弹变形，其中新开挖面的累计变形一般在4mm～10mm，卸荷变形特征在边坡开口线附近表现的较为明显。2001.65m高程开挖平台的累计变形一般可达到10mm～15mm，主要为向上的卸荷回弹变形。

图10 边坡开挖至2001.65m高程的典型剖面累计变形分布

图11 边坡开挖至2001.65m高程的横河向变形(左)、顺河向变形(中)和铅直向变形(右)分布

综上，在本阶段边坡岩体的主要变形仍然为典型的向临空面的卸荷回弹变形，整体变形量值相对较小，表明边坡仍具备一定的整体稳定性。

3.3.2 边坡稳定性分析

图12为尾水出口边坡在不同强度折减系数下的位移云图(强度折减系数范围为1.0～1.6)。与前一开挖梯段相似，2#尾水出口边坡区域存在由f24、f38、f44等结构面组合而成的潜在不稳定块体，该块体的安全系数在1.4～1.5；1#尾水出口边坡上部区域变形及稳定性受断层f16影响较明显，该部位安全系数在1.5左右。

图12 尾水出口边坡开挖至2001.65m高程阶段不同强度折减系数下坡体位移分布

整体上，尾水出口边坡2030m～2001.65m高程开挖阶段对其整体稳定性影响较小，在坡面部分卸荷松弛块体被挖除后，边坡安全系数可普遍维持在1.4以上，边坡整体稳定性较好。

3.4 小结

通过对尾水出口边坡开挖模拟及稳定性分析，可以看出工程边坡具备一定的整体稳定性，但局部存在块体稳定问题。其中2#尾水出口区域存在由f24、f38、f44等结构面组合而成的潜在不稳定块体，该块体的安全系数在1.4～1.5；1#尾水出口区域边坡整体稳定性较好，其下部区域的稳定性较中上部偏低，整体安全系数可达到1.5左右，坡体局部受不利结构面f16、L11影响，存在浅层块体变形及稳定问题。

综上，应主要针对2#尾水出口边坡存在的潜在不稳定块体、1#尾水出口边坡的断层影响区，制定加强支护方案。

4 尾水出口边坡加强支护措施

4.1 1#尾水出口边坡加强支护措施

针对f16断层影响区，在1#尾水出口2060m～2030m高程边坡原支护方案基础上，增设部分预应力锚索加强锚固(见图13)：

图13 1#尾水出口2030m～2060m高程工程边坡预应力锚索布置示意

(1)2052m高程布置3根预应力锚索WS-M50-WS-M52，T=1000kN、L=30m锚索和T=2000kN、L=40m锚索长短间隔布置，间距5m，下倾15°；

(2)2047m高程布置1根预应力锚索WS-M53，T=2000kN，L=40m锚索，下倾15°；

(3)2042m高程布置4根预应力锚索WS-M54～WS-M57，T=1000kN、L=30m锚索和T=2000kN、L=40m锚索长短间隔布置，下倾15°。

4.2 2#尾水出口边坡加强支护措施

针对断层f24、f38、f44组合形成的不利块体，在2#尾水出口2060m～2030m高程边坡原支护方案基础上，增设部分预应力锚索加强锚固(见图14)：

图14 2#尾水出口2030m～2060m高程工程边坡预应力锚索布置示意

(1)2055m高程布置3根预应力锚索WS-M63-WS-M65，T=1000kN、L=30m锚索和T=2000kN、L=40m锚索长短间隔布置，间距5m，下倾15°；

(2)2050m高程布置3根预应力锚索WS-M66～WS-M68，T=1000kN、L=30m锚索和T=2000kN、L=40m锚索长短间隔布置，间距5m，下倾15°。

5 尾水出口边坡监测成果分析

尾水出口边坡共埋深14个表面变形测点、4套多点位移计、11组锚杆应力计和3台锚索测力计。出口边坡开挖完成后，监测成果如下：

(1)表面变形测点监测：目前临空向最大累计位移10.6mm、顺河向最大累计位移-8.2mm、垂直向最大累计位移12.7mm，累计水平及沉降变形量小。

(2)多点位移计监测：目前多点位移计变形量介于0.8mm～2.34mm之间，各多点位移计变形量小。

(3)锚杆应力计：目前实测锚杆应力介于-1.08MPa～63.80MPa，月变化量介于-6.18MPa～2.85MPa，变化量小。

(4)锚索测力计监测：100t锚索测力计实测荷载介于1045.4kN～1072.9kN，监测锚索目前荷载占设计荷载比率为104.54%～107.29%，月变化量介于-4.7kN～-0.2kN，荷载损失率介于-3.67%～0.63%。

监测成果表明：多点位移计、表面变形观测、锚杆应力计和锚索测力计各项监测数据测值稳定或收敛，按要求支护后边坡稳定性较好。

6 结语

本文利用杨房沟水电站尾水出口边坡揭露的地质条件，通过3DEC软件建立三维模型以及进行数值模拟计算，分析边坡开挖过程中的开挖响应特征以及边坡稳定性，找出开挖过程中潜在的不利因素，并制定相应的针对性加强支护措施，从而保证施工期的安全性及运行期的边坡整体稳定性。主要结论如下：

(1)尾水出口边坡在开挖施工过程中，主要变形特征为向临空面的卸荷回弹变形，边坡的累计变形量随开挖高程由高至低呈现逐步递增的规律，下部坡脚一带地应力偏高，相应的开挖卸荷也相对明显，边坡典型部位的开挖变形量值总体在20mm以内，其中卸荷变形特征相对明显区域主要集中在开口线附近。

(2)工程边坡具备一定的整体稳定性，但局部存在块体稳定问题。其中2#尾水出口区域存在由f24、f38、f44等结构面组合而成的潜在不稳定块体，该块体的安全系数在1.4～1.5；1#尾水出口区域边坡整体稳定性较好，其下部区域的稳定性较中上部偏低，整体安全系数可达到1.5左右，坡体局部受不利结构面f16、L11影响，存在浅层块体变形及稳定问题。

(3)针对尾水出口边坡局部存在的块体稳定问题，通过在块体、断层影响区域增设锚索的方式加强边坡支护，提高了块体的安全系数，保证了边坡的整体稳定性。

(4)边坡开挖完成后，通过边坡监测成果可以看出，各项监测数据测值稳定或收敛，表明按要求支护后边坡的稳定性较好。