西藏扎拉水电站倾倒边坡失稳模式及加固措施研究

刘登学 陈兴 徐果 黄书岭 张雨霆

收稿日期：2023-09-16

基金项目：

长江勘测规划设计研究有限责任公司自主创新项目（CX2022S046）

作者简介：

刘登学，男，高级工程师，博士，主要研究方向为工程岩体稳定性分析与安全性评价。E-mail：liudx@mail.crsri.cn

引用格式：

刘登学，陈兴，徐果，等.

西藏扎拉水电站倾倒边坡失稳模式及加固措施研究

［J］.水利水电快报，2024，45（6）：43-48.

摘要：

西藏扎拉水电站枢纽区边坡倾倒变形现象普遍发生，对工程的安全建设和运行带来隐患。对此，采用三维非连续分析方法，对大坝右岸倾倒边坡开挖失稳模式及加固措施开展研究。结果表明：①  大坝右岸倾倒边坡开挖后，潜在失稳区域主要集中在开挖边坡上部钙质板岩极强倾倒区岩体内，后缘主要发生边坡上部崩坡积层破坏，失稳岩体沿着钙质板岩极强倾倒变形区和弱倾倒变形区分界面滑动，呈现典型的“滑移-拉裂”型变形破坏模式；② 锚索+锚杆的联合支护措施可有效限制开挖施工期间大坝右岸倾倒边坡上部钙质板岩极强倾倒区岩体的变形。采取支护措施后，大坝右岸倾倒边坡各工况下的安全系数均可满足规范要求。

关键词：

倾倒边坡； 破坏模式； 边坡加固； 扎拉水电站

中图法分类号：TV223

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.008

文章编号：1006-0081（2024）06-0043-06

0  引  言

近年来，随着矿山、水利水电等工程建设强度和规模日益扩大，岩质边坡倾倒变形破坏已越来越多地成为工程技术人员所面临的难题，其中较为典型的有金川露天矿边坡倾倒变形［1］、抚顺西露天矿北帮西区倾倒滑移变形［2］、黄河拉西瓦水电站右岸坝前果卜岸坡倾倒变形［3］、雅砻江锦屏-三滩河段变质砂板岩地层倾倒变形［4］以及澜沧江苗尾水电站右坝肩倾倒变形［5］等，边坡变形深度均达到数百米。倾倒变形作为岩质边坡的一种主要变形模式，一般发生在岩层倾角陡立或陡倾坡内、坡度呈中-陡的层状边坡中，尤其在边坡前缘较易发生。20世纪70年代，Goodman和Bray将岩质边坡实际可能发生的倾倒变形分为3种基本类型，即弯曲式倾倒、岩块式倾倒和岩块弯曲复合式倾倒［6］。黄润秋等［7］则根据倾倒变形的发育深度将边坡倾倒变形分为浅层倾倒变形、深层倾倒变形和复合倾倒变形。安晓凡等［8］根据边坡的复杂程度和变形破坏机理，将边坡倾倒变形模式分为基本倾倒模式、组合倾倒模式、蠕变模式、悬臂模式和顺层边坡倾倒模式。计算机的不断发展使数值模拟成为研究该类问题的主要手段之一。宋彦辉等［9］采用节理有限元方法对黄河上游茨哈峡电站倾倒边坡的稳定性及破坏趋势进行了研究。岑夺丰等［10］采用基于离散元法的颗粒流程序（PFC）研究了块裂反倾巨厚层状岩质边坡破坏机制及稳定性。张国新等［11］采用非连续变形方法（DDA）对岩质边坡倾倒变形失稳过程进行了模拟，并分析了水对倾倒边坡稳定性的影响。刘红岩等［12］采用数值流形方法（NMM）研究了不同摩擦角条件下岩石边坡的倾倒破坏过程。西藏扎拉水电站枢纽区边坡倾倒变形现象普遍发生，对工程的安全建设和运行造成隐患［13-14］。针对该问题，本文对西藏扎拉水电站大坝右岸边坡存在的倾倒变形问题进行分析，在此基础上，采用非连续方法获得右岸倾倒边坡潜在失稳模式和失稳范围，开展大坝右岸倾倒变形边坡的开挖支护控制措施研究。

1  工程背景

1.1  工程概况

西藏扎拉水电站采用混合式开发方式，枢纽主要建筑物由大坝、引水隧洞及电站厂房组成，坝址位于碧土乡扎郎村附近，厂址位于察隅县察瓦龙乡珠拉村，见图1。扎拉水电站坝址控制流域面积8 546 km2，多年平均流量110 m3/s，多年平均径流量34.8亿m3，水库正常蓄水位2 815 m，校核洪水位2 816.25 m，总库容914万m3，总装机容量1 015 MW（含生态电站15 MW），为Ⅱ等大（2）型工程。

1.2  右岸边坡倾倒变形问题

坝址区右岸边坡全貌见图2，地质剖面如图3所示。边坡出露的主要地层为P1nc1薄层状钙质板岩，夹少量片岩，坡表覆盖层较薄，植被稀少，主要为全风化堆积体，坡体顶部和坡脚有较厚的碎块石土（Qcol+dl）和卵漂石（Qpal），结构松散-稍密，厚1.2～36.2 m。右岸边坡为逆向坡，岩体普遍倾倒，倾倒变形岩体岩性为钙质板岩，岩层层序保持较好，板理面倾向南西（倾坡内），与正常岩体倾向相同。自坡外向内倾倒变形岩体可分为两个区，即极强倾倒变形区岩体和弱倾倒变形区岩体。极强倾倒变形区岩体呈散体-碎裂结构，岩体内部张裂变形显著，松弛强烈，架空现象明显，大量充填块碎石及角砾、岩屑，在重力作用下多已发生坠覆位移，平硐揭露水平深度11.0～25.6 m，厚度5～15 m，岩层倾角20°～30°，与正常岩体夹角（转角）50°～60°，见图4（a）；弱倾倒变形区岩体大部分为层状结构，岩层基本不发生明显的宏观张裂变形，或形成微量变形的张裂缝，岩层以弯曲变形为主，平硐揭示该区岩体水平深度62.0～84.7 m，厚度25～40 m，岩层倾角35°～50°，与正常岩体夹角（转角）30°～50°，见图4（b）。倾倒岩体与正常岩体界面沿弱卸荷带下限、大致与坡面平行，界面呈折而不断或断续拉裂，未形成连续的界面。下伏正常岩体板理面倾向南西西（倾坡内），倾角60°～80°。

根据大坝右岸边坡岩体结构特征调查结论，边坡在极端工况下可能会产生浅层崩落并加剧坡体倾倒变形发展，最终在强倾倒变形区岩体上段形成折断带，导致大规模滑坡，但由于坡体内发育的倾向坡外的优势结构面较少，强倾倒变形区岩体较为完整，折断带的形成需经过较长的历史发展阶段。右岸边坡现有变形破坏迹象表明：边坡的变形破坏以整体倾倒变形和局部松散物质滑落为主，其中倾倒变形的主要表现形式包括倾倒坠覆、倾倒弯折、层间错动、拉张、切层张剪，见图5。边坡坡脚下部碎石土有利于边坡的稳定性，但工程区部位边坡的开挖将为上部倾倒边坡的变形提供临空条件，进一步加剧边坡的倾倒变形，对边坡的稳定性造成隐患。

2  倾倒边坡失稳模式研究

扎拉水电站大坝右岸边坡倾倒变形及破坏具有

一定的非连续变形特征，对于其变形破坏模式的研

究宜采用非连续介质力学方法进行。本文采用三维离散元软件（3DEC）建立准三维非连续介质力学模型，以“显式”考虑钙质板岩岩体层面的影响，进而研究右岸倾倒边坡的失稳破坏机制、潜在失稳模式及失稳范围。

2.1  倾倒边坡3DEC模型

建立右岸倾倒边坡的3DEC模型见图6（a），剖面所在面为XZ平面，Z轴正向为高程方向，模型底部高程为2 600 m；X方向以指向坡体方向为正；Y轴垂直XZ平面，遵从右手法则。计算模型中包含了边坡岩体中的钙质板岩极强倾倒区变形岩体，弱倾倒区变形岩体和正常岩体、卵漂石、碎块石土。利用软件中“jset”命令生成节理模型来描述钙质板岩薄层状结构，见图6（b）。由于模拟尺度的关系，无法使节理的间距达到实际的厘米级，在实际建模过程中，采用间距为1 m的平行结构面切割岩体以模拟层面。节理面的倾角根据不同分区岩体层面的倾角确定，具体为极强倾倒变形区岩体节理面倾角取25°，弱倾倒变形区岩体节理面倾角取43°，正常岩体节理面倾角取70°。在建立地质模型并切割节理后，对所有块体划分网格，共计剖分349 114个单元，边坡开挖前后的模型分析见图6（c）、（d）。在计算中，仅考虑自重作用，暂不考虑构造应力。边坡表面自由，除底部为固定约束外，其他各面均为法向约束。岩土体均采用以Mohr-Coulomb准则为屈服函数的理想弹塑性模型，接触面采用Coulomb-Slip模型。

2.2  计算参数

依据勘探平硐内对倾倒变形岩体进行的现场抗剪（断）、变形试验和地震波测试等试验成果确定了计算中所需的钙质板岩参数取值，具体见表1～2。

2.3  右岸倾倒边坡失稳模式分析

边坡在天然状态下达到计算平衡后，将位移清零，然后分步开挖。全部开挖完成后，边坡的位移分布云图如图7（a）所示，位移矢量如图7（b）所示。一般边坡开挖完成后，边坡的变形以斜向上的卸荷回弹变形为主，而右岸倾倒边坡的变形则由于各岩层力学性质和岩体结构差异的影响，产生了明显的分异现象。受下部边坡开挖影响，边坡上部的钙质板岩极强倾倒区岩层与弱倾倒区岩层出现了斜向下指向坡外的变形，且由于钙质板岩极强倾倒区岩体力学强度低，该区边坡的变形显著大于弱倾倒区边坡的变形。极强倾倒区边坡位移值一般在6.0～11.0 cm之间，而弱倾倒区边坡的位移值一般在3.0～6.0 cm之间，两部位边坡变形的不协调，使极强倾倒区与弱倾倒区交界部位剪切效应增强，易产生剪切滑移。下部的开挖边坡则主要以向上的卸荷回弹变形为主，变形量较小，一般小于2.0 cm。

将开挖边坡的位移清零，对钙质板岩极强倾倒区和弱倾倒区岩体及岩层面的黏聚力和摩擦系数进行折减，分析右岸倾倒边坡开挖后潜在的失稳区域，得到极限状态下边坡的变形特征如图8所示。可以看出，边坡潜在失稳区域主要集中在开挖边坡中上部钙质板岩极强倾倒区岩体内，后缘主要发生边坡上部崩坡积层破坏，高程约3 000 m，往下则主要沿钙质板岩极强倾倒区和弱倾倒区分界面滑动，前缘剪出口高程约2 857 m。边坡破坏主要是由于下部边坡的开挖为上部边坡的极强倾倒区岩体变形提供了临空条件，极强倾倒区岩体在重力作用下产生顺坡向的变形，使极强倾倒区与弱倾倒区交界部位剪切效应增强，从而导致极强倾倒区底部岩体折断破裂加剧，伴随着折断破裂面持续发展并与后缘拉裂贯通，右岸倾倒边坡最终呈现典型的“滑移-拉裂”型变形破坏。

3  倾倒边坡加固措施研究

3.1  边坡支护措施设计

针对右岸倾倒边坡，设计了锚杆和锚索联合支护方案，见图9。高程2 820 m以上每级开挖边坡顶部设置了锁口锚杆，并在锁口锚杆下部布置了系统锚杆：锁口锚杆32 mm@2 m×2 m，长度9 m；系统锚杆25 mm@2 m×2 m，长度6 m。高程2 835 m以上每级开挖边坡设置了两排1 500 kN锚索，长度分为30，35，40 m和50 m，间距4.5 m。

3.2  边坡开挖稳定性分析

图10为考虑支护措施后，右岸倾倒边坡开挖后的位移云图和位移矢量。可见支护措施可有效控制边坡开挖后中上部钙质板岩极强倾倒区岩体的变形。边坡开挖后，工程边坡变形以向上的卸荷回弹变形为主，最大变形量值约为1.7 cm，出现在开挖坡底2 750 m平台处。

表3为采用强度折减法获得的右岸倾倒边坡各工况下的安全系数。根据NB/T 10512-2021《水电工程边坡设计规范》，右岸倾倒边坡属A类Ⅱ级边坡，持久条件、短暂条件与偶然条件相应工况下，要求设计安全系数最低分别为1.25～1.15、1.15～1.05和1.05。根据边坡稳定性计算结果，右岸倾倒边坡支护后在各工况下的安全系数均满足规范要求。

4  结  论

本文对西藏扎拉水电站大坝右岸边坡存在的倾倒变形问题进行了分析，根据边坡地质条件，建立非连续介质力学模型，研究右岸倾倒边坡潜在失稳模式和失稳范围并设计边坡开挖控制措施，采用强度折减法求解了开挖、降雨等静力工况和地震工况下的边坡安全系数，得到以下主要结论。

（1） 离散元分析结果表明，大坝右岸倾倒边坡潜在失稳区域主要集中在开挖边坡上部钙质板岩极强倾倒区岩体内，后缘主要发生边坡上部崩坡积层破坏，失稳岩体沿着钙质板岩极强倾倒变形区和弱倾倒变形区分界面滑动，呈现典型的“滑移-拉裂”型变形破坏模式。

（2） 采取锚索+锚杆的联合支护措施，可有效限制开挖施工期右岸倾倒边坡中上部钙质板岩极强倾倒区岩体的变形，右岸倾倒边坡支护后各工况下的安全系数均满足规范要求。

参考文献：

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［13］  黄振伟，肖东佑.西藏扎拉水电站倾倒变形边坡稳定性分析与评价［J］.人民长江，2019，50（12）：90-94，156.

［14］  黄振伟，马力刚，雷明.西藏扎拉水电站倾倒边坡工程地质特性研究［J］.工程科学与技术，2020，52（5）：79-88.

（编辑：高小雲）

Study on instability mode and reinforcement measures of toppling slope of Xizang Zhala Hydropower Station

LIU Dengxue1，CHEN Xing2，3，XU Guo2，HUANG Shuling1，ZHANG Yuting1

（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；

2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China;  3.National Dam Safety Research Center，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The phenomenon of toppling slope in Xizang Zhala Hydropower Station is widespread，which posed hidden dangers to the safety construction and operation of the project. In this regard，a three-dimensional discontinuous analysis method was adopted to study the instability mode and reinforcement measures of the right bank dumping slope after excavation. The results showed that： ①After the excavation of the right bank toppling slope，the potential instability area was mainly concentrated in the extremely strong toppling area of calcareous slate in the upper part of the excavation slope，and at the rear edge，it was mainly damaged by the colluvial layer in the upper part of the slope. The unstable rock mass slides along the interface between the extremely strong and weak toppling deformation zones of calcareous slate，presenting a typical "slip-tensile fracture" deformation and failure mode. ② The combined support measures of anchor cables and anchor rods can effectively limit the deformation of the rock mass in the extremely strong dumping area of the upper calcareous slate during the excavation and construction period of the right bank toppling slope. After taking support measures，the safety factors of right bank toppling slope under various working conditions can meet the requirements of the specifications.

Key words：

toppling slope； instability mode； slope reinforcement； Zhala Hydropower Station