导流洞进口边坡施工围岩稳定性分析及支护措施评价

韩殿超

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710048）

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[1]。杨房沟水电站两条导流隧洞均布置在右岸山体,导流隧洞进口高程均为1985.00 m,导流隧洞过流断面为城门洞型,衬后净断面尺寸13 m×16 m（宽×高）。地质条件显示[2],杨房沟1#、2#导流洞洞身进口段为变质粉砂岩洞段,围岩类别为IV类,围岩弹性模量,抗剪断参数均较低,对洞室开挖稳定不利,进口段发育夹炭质板岩条带,岩体较破碎,完整性差,呈互层～薄层状；此外导流洞进口段边坡还发育多组结构面,导致导流洞进口边坡以及该洞段的导流洞开挖过程围岩稳定问题相对突出。前期地质资料及相关文献表明,陡倾断层、软弱夹层等会对杨房沟地下洞室开挖围岩的稳定性构成直接影响,且易于形成“局部”结构面-应力组合型破坏问题[3-5]。

本文基于杨房沟岩体力学基本特征及现场工程地质资料,以导流洞进口边坡开挖为案例,采用数值分析方法分析评价自然边坡、导流洞一层开挖（未支护）、导流洞二、三层开挖（未支护）等3 种工况下边坡的稳定特征,以保证导流洞进口段边坡施工期的安全性。

1 工程地质条件

图1为杨房沟导流洞进口段地质剖面图,导流洞洞身进口段为变质粉砂岩洞段,围岩类别为IV 类,岩层总体产状为N20°E～N20°W,SE（NE）∠50°～70°,走向与洞轴线夹角0～20°。导流洞进口段边坡发育3 组结构面：（1）产状N40°～50°E,NW ∠60°～70°,闭合～微张,平直光滑,延伸较长；（2）产状N15°～20°W,SW ∠65°～70°,面闭合～微张, 平直光滑, 断续延伸, 较长；（3）产状N20°～30°W,SW（NE）∠5°～20°,面微张,断续延伸,较短。同时,导流洞进口边坡优势裂隙组也较为发育。

图1 导流洞进口段地质剖面图

2 计算模型的建立及参数的选取

2.1 计算模型的建立

数值计算已经普遍用于解决工程中的岩石力学问题,从工程角度出发,工程数值计算的关键问题是如何事先分析工程问题的性质,然后从众多的计算方法和软件中有针对性地选择一种合理的软件进行求解[6-9]。在本次分析中采用离散元3DEC 软件,3DEC 是作为美国ITASCA 公司所开发的离散元法数值分析程序,主要针对岩体介质的不连续性问题研发,采用不连续力学理论的离散元方法求解。图2 所示为导流洞进口段自然边坡和开挖后边坡的三维模型模型图。其中岩体的材料分区根据地质剖面图以强卸荷线、弱卸荷线划分,分为V、IV 类和III 类岩体。图3 所示为导流洞进口段自然边坡和开挖后边坡位移、速率监测点布置图。

图2 导流洞进口自然边坡和开挖边坡三维数值模型

图3 导流洞进口自然边坡和开挖边坡监测点布置

2.2 本构与参数

本次计算中对边坡岩块和结构面均采用了理想弹塑性本构关系,即岩块屈服以后不考虑其强度衰减。计算中岩体采用Mohr-Coulomb 本构模型,岩体参数取值按表1 取值。结构面采用Coulomb-slip 本构模型,该模型能够有效模拟结构面的变形和破坏,且能合理描述破坏后的力学行为,结构面切向刚度和法向刚度的取值根据地质提供的结构面综合模量和厚度平均值换算得到,结构面参数按表2 进行取值。

表1 导流洞进口段岩体力学参数地质建议值表

表2 导流洞进口段结构面力学参数地质建议值表

3 计算工况与计算条件

3.1 计算工况

本次数值模拟采用强度折减法分别进行：（1）自然边坡工况；（2）导流洞一层开挖（未支护）工况；（3）导流洞二、三层开挖（未支护）工况下边坡的稳定性计算。以期判断边坡在各个工况下的稳定性,数值分析中考虑了多个岩层和结构面对边坡稳定性的影响。

3.2 强度折减法计算边坡稳定性判断

本文采用的强度折减法思路就是不断恶化边坡岩体和结构面的强度,直到其发生破坏出现不稳定；折减的操作方法是将边坡岩体参数和结构面参数同时除以一个系数进行强度折减计算,直至边坡开始出现问题[10]。强度折减计算中对边坡稳定性分析评价工作从以下3 个方面着手：

1）监测点速率判断：根据计算模型中设置的若干监测点,了解这些部位速度变化特征,速度不能趋于零时清楚表示该部位岩体出现运动位移,即失稳。

2）监测点变形判断：从某种程度上讲,实际计算中速度趋于零是指速度值足够低,而可能并不绝对为零。此时了解变形变化特征显得很有必要,当速度基本趋于零时,如果变形增量相对较小和变形增长率也相对不大,往往表示相对较好的稳定性。

3）变形场分布特征：边坡面上变形场分布,即三个方向变形分量所指示的变形状态,根据在边坡坡面上的异常分布或者与其他地质条件如断层的关系,判断导致变形的主要因素和对稳定性的指示意义。

4 边坡围岩稳定性计算结果分析

4.1 自然边坡工况稳定分析

自然边坡监测点位移变化变形特征和变形速率计算结果见图4,其纵坐标为位移、速度大小,横坐标为强度折减系数,由计算结果可知,当自然边坡折减系数3.0 时边坡的变形收敛并趋于稳定,相对应变形速率趋于很小值或接近于零值,当折减系数达3.2 时变形出现持续增长,呈不收敛态势,相对应变形速率亦出现持续增大趋势,可判断自然边坡的整体安全系数介于3.0～3.2 之间；自然边坡整体稳定性较好,满足规范要求的工程设计边坡要求。

图4 自然边坡监测点变形折减过程曲线

图5为不同强度折减系数下自然边坡表面变形分布特征,由图可知,自然边坡随着折减过程变形明显区域位于2070 m～2090 m 高程的V 类软弱覆盖层区域,该区域同时受炭质板夹层影响,当边坡岩体及结构面的强度折减系数逐渐增大时,该区域控制边坡变形的特征逐步显著。由前面位移和速率分析判断可知天然边坡的安全系数在3.0～3.2 之间,当折减至3.2 时（临界失稳状态）,变形的云图较清晰的指示边坡在2070 m～2090 m 高程随着软弱覆盖层呈现整体滑移拉裂失稳破坏。

图5 自然边坡变形随折减过程的合位移分布特征

4.2 导流洞第一层开挖（未支护）工况稳定性分析

导流洞第一层开挖（未支护）工况下监测点位移变化变形特征和变形速率计算结果见图6,由计算结果可知,在导流洞第一层开挖（未支护）工况下,当边坡折减系数2.5 时边坡的变形收敛并趋于稳定,当折减系数达2.6 时变形出现持续增长,呈不收敛态势,相对应变形速率亦出现持续增大趋势,可判断边坡在导流洞第一层开挖（未支护）工况下整体安全系数介于2.5～2.6 之间。

图6 导流洞进口边坡监测点变形折减过程曲线（导流洞第一层开挖（未支护））

图7为导流洞第一层开挖工况不同强度折减系数下导流洞进口边坡变形分布特征,由图可知,在导流洞第一层开挖工况下,边坡随着折减过程变形明显区域位于1#、2#导流洞开挖影响区域,当边坡岩体及结构面的强度折减系数逐渐增大时,1#、2#导流洞开挖影响区域内岩体变形特征逐步显著,是工程重点关注的区域,当边坡岩体及结构面的强度折减至2.6 时（临界失稳状态）,1#、2#导流洞开挖影响区域内岩体沿着覆盖层产生整体滑移拉裂失稳破坏。

4.3 导流洞第二、三层开挖（未支护）工况稳定性分析

导流洞第二、三层开挖（未支护）工况下监测点位移变化变形特征和变形速率计算结果见图8,由计算结果可知,在导流洞第二、三层开挖（未支护）工况下,当边坡折减系数2.2时边坡的变形收敛并趋于稳定,当折减系数达2.4 时变形出现持续增长,呈不收敛态势,相对应变形速率亦出现持续增大趋势,可判断边坡在导流洞第二、三层开挖（未支护）工况下整体安全系数介于2.2～2.4 之间。

图8 导流洞进口边坡监测点变形折减过程曲线（导流洞第二、三层开挖（未支护））

图9为导流洞第二、三层开挖工况不同强度折减系数下导流洞进口边坡变形分布特征,由图可知,在导流洞第二、三层开挖工况下,边坡随着折减过程变形明显区域位于1#、2#导流洞开挖影响区域,当边坡岩体及结构面的强度折减系数逐渐增大时,1#、2#导流洞开挖影响区域内岩体变形的特征逐步显著,是工程重点关注的区域,当边坡岩体及结构面的强度折减至2.4 时（临界失稳状态）,1#、2#导流洞开挖影响区域内岩体沿着覆盖层产生整体滑移拉裂失稳破坏。

图9 导流洞进口边坡变形随折减过程的合位移分布特征（导流洞第二、三层开挖（未支护））

5 结语

本文基于杨房沟岩体力学基本特征及现场工程地质资料,针对导流洞进口边坡开挖,采用数值分析方法分析评价了自然边坡、导流洞一层开挖（未支护）、导流洞二、三层开挖（未支护）等3 种工况下边坡的稳定特征,具体结论如下：

1）自然边坡抗滑稳定安全系数在3.0～3.2,边坡整体稳定性较好；导流洞一层开挖（未支护）工况下边坡抗滑稳定安全系数在2.5～2.6；导流洞二、三层开挖（未支护）工况下边坡抗滑稳定安全系数在2.2～2.4；导流洞二、三层开挖（支护）工况下边坡抗滑稳定安全系数在2.3～2.4。

2）自然边坡工况下,边坡变形最大位移发生在2070 m～2090 m 高程的V 类软弱覆盖层区域；导流洞开挖工况下,边坡变形最大位移发生在导流洞开挖影响区域内；3 种工况下,边坡的最终破坏均以边坡沿着覆盖层发生整体滑移拉裂失稳破坏为主。

3）结构面的影响使得各工况下边坡整体变形有所增加,但各工况下边坡的安全系数和稳定性仍能满足工程设计要求。