Deformation mechanism and reinforcement treatment of right abutment high slope of Yebatan Hydropower Station
-
摘要: 叶巴滩水电站位于金沙江上游青藏高原边缘复杂地质带，枢纽区边坡开挖高度大、卸荷强烈、地质结构复杂。右岸坝肩边坡施工期现场巡查中发现，沿f29、fr18、f85等断层在坡表与平硐内出现了300多条裂缝，厘清边坡的变形开裂机制、准确评价边坡开裂后的现状稳定性，是否需要采取应急加固处置是叶巴滩水电站施工过程中亟需回答的关键工程技术难题。采用工程地质条件分析、监测资料分析、三维极限平衡分析和数值模拟相结合的研究方法，对叶巴滩右坝肩变形的边界条件和破坏模式进行深入研究，揭示了边坡变形开裂成因机制为开挖卸荷、支护滞后和施工渗水软化等综合因素影响下，沿NW向和EW向结构面组合楔形块体稳定性不断降低，产生了指向河床的蠕滑变形；控制边坡整体稳定性的上、下游边界分别为f85和f29，破坏模式为楔形体滑动。根据该块体滑面的正应力和剪应力分布，提出了针对f29和f85断层布置带有键槽的抗剪洞的应急加固措施，并辅以锚索强腰、排水等工程措施。稳定性分析结果表明，应急加固措施可以显著提高块体安全系数，加固后的边坡满足稳定性要求。研究成果对类似变形开裂破坏的岩质高边坡机理分析及应急加固处置具有借鉴意义。Abstract: Yebatan Hydropower Station is located in the complex geological zone at the edge of the Tibetan Plateau in the upper reaches of the Jinsha River. The slope in the junction area has large excavation height, strong unloading and complex geological conditions. After the excavation of the right abutment slope, more than 300 cracks appear in the slope surface and adits along f29, fr18, f85 and other faults. The deformation and cracking mechanism of the slope, the current stability of the slope after cracking and whether to take emergency reinforcement are the key technical problems that need to be answered at the construction stage of Yebatan Hydropower Station. In this study, the boundary conditions and failure modes of the right abutment slope are investigated by integrating a comprehensive method with the engineering geological condition analysis, monitoring data analysis, three-dimensional limit equilibrium analysis and numerical simulation. Under the influences of the combined factors of slope excavation and unloading, lagging support and seepage softening of construction water, the stability of the wedge-shaped blocks formed by the faults f29 and f85 decreases, resulting in the creeping deformation directed to the riverbed. The upstream and downstream boundaries controlling the overall stability of the slope are the faults f85 and f29, and the failure mode is wedge sliding. According to the normal and shear stress distribution on the sliding surfaces of the wedge block, the emergency reinforcement measures of anti-shear tunnels arranged along the faults of f29 and f85 are proposed, supplemented by engineering measures of anchor cables and drainage. The stability analysis results indicate that the emergency reinforcement measures can significantly increase the stability of the block, and the reinforced slope can meet the stability requirements. The research findings can be used as reference for the mechanism analysis and emergency reinforcement treatment of high rock slopes with similar deformation and cracking failure.
-
0. 引言
中国青藏高原地区水力资源丰富，山高谷深，水利水电高边坡工程通常都具有开挖高度大、卸荷强烈、地质结构复杂以及高地应力、高地震烈度等诸多不利因素[1-3]，如何确保工程边坡在施工期的稳定性是许多规模巨大的水利水电工程面临的重大工程技术难题。
针对水电工程高陡边坡施工开挖诱发的变形破坏机制分析以及加固措施问题，徐奴文等[4-5]基于离散元方法，结合微震监测等手段对白鹤滩水电站、锦屏水电站开挖卸荷阶段的边坡稳定性和微裂纹形成过程进行了深入研究，表明边坡岩体微裂纹形成主要受构造应力、地质条件以及开挖卸荷等综合因素影响，采用预应力锚索加固处理能够有效提高边坡稳定性。陈佳伟等[6]、彭巨为[7]基于监测资料对长河坝水电站右岸坝肩边坡开挖过程中先后出现的16条贯通性裂缝进行了成因分析，结果表明是开挖爆破导致的滑移-拉裂-倾倒复合型破坏；在采取锚索强化加固后，裂缝变形得到控制。向柏宇等[8]、商开卫等[9]、马克等[10]采用三维极限平衡分析方法、有限元分析方法和DDA对锦屏左坝肩高边坡、大岗山右岸坝肩边坡关键块体底部剪出口的多次变形开裂错动及开挖过程中发生较大变形的机理进行了深入研究，并对比分析多种加固方案，确定以抗剪洞和锚固洞组合加固提高边坡稳定性。
叶巴滩水电站位于金沙江上游青藏高原边缘复杂地质带，系金沙江上13个梯级水电站的第7级[11]。坝区两岸山体雄厚，地形陡峭，山顶高程大于4000 m，相对高差大于1000 m，属典型的高山地貌。河谷狭窄，谷坡陡峻，为基本对称的深切“V”型峡谷。叶巴滩右岸坝肩开挖边坡包括缆机平台边坡和拱肩槽边坡，开口线最高高程3123 m，最低2677 m，开挖边坡坡高446 m。2022年12月，右岸边坡现场巡查中发现，沿f29和fr18断层在坡表出现了一百多条裂缝，此外沿上游的f85断层也出现了多条裂缝。分析边坡工程地质可知，f29和f85可组合形成大型潜在失稳块体，关系到右岸坝肩边坡施工期整体稳定和运行期的长期稳定性，对叶巴滩水电站工程安全具有重要影响。
基于叶巴滩枢纽区右岸边坡工程地质条件，结合现场裂缝调查与变形监测资料，采用数值分析方法对右岸边坡开挖、滞后支护以及施工用水入渗进行模拟，对比边坡变形及裂缝分布，揭示施工期边坡变形与开裂的成因机制。在此基础上，采用三维极限平衡法对控制边坡整体稳定性的关键块体进行分析，基于块体滑面的正应力与剪应力分布规律，提出边坡应急加固处置方案，确保工程边坡的稳定与安全。
1. 右坝肩工程地质条件
叶巴滩水电站右岸坝肩边坡地形陡峻，多基岩裸露；开挖边坡高度大、卸荷强烈，发育有EW、NE和NW等多个优势方向的结构面，于2021年6月坝肩边坡开挖基本完成。右岸坝肩边坡工程地质平面图如图 1所示，自然边坡和开挖完成后的地形地貌如图 2，3所示。
![]()
图 1 右岸坝肩边坡工程地质平面图Figure 1. Engineering geological Plan of dam abutment slope at right bank右岸坝肩边坡上游发育#2冲沟及无名沟，下游发育#4冲沟。基岩为石英闪长岩，岩质坚硬。根据地表调查和勘探揭示，贯穿右岸坝肩边坡的断层有F3、F4、f9、f21、f26、f27、f28、f29、f30、f74、f77、f85等20多条Ⅱ~Ⅲ级结构面，较大规模断层以陡倾角为主，同时主要发育有J1（近EW/S∠50~75°）、J2（N30~60°E/NW（SE）∠70~85°）、J3（N40~55°W/NE∠70~85°）、J4（近SN/E∠35~55°）等优势裂隙。地下水埋藏深度较大，仅雨季个别平硐内卸荷岩体发育上层滞水，枯水季均为干燥状态。深部地下水以基岩裂隙水为主，边坡EW向陡倾节理发育，地下水排泄畅通。
右坝肩边坡发育的F3和F4为Ⅱ级结构面（图 3），F3斜向中倾下游山里，F4陡倾上游山里，不构成影响边坡整体稳定的滑移面。自然边坡存在以近EW向的f9、f21、f26、f27、f85断层与NW向的F3、f29、f30、f74、f77断层作为切割面，以缓倾坡外的f30作为的底滑面的潜在滑移块体，影响右岸边坡整体稳定性，但f30倾角仅5°~15°，块体在自然边坡中稳定性较好。
右岸Ⅲ~Ⅰ'线之间发育#1卸荷拉裂岩体，勘探未揭示贯通性特定结构面构成卸荷拉裂岩体的底滑面，卸荷拉裂岩体天然状态下整体处于稳定状态。
总体而言，右坝肩自然边坡天然状态未见大规模变形破坏现象，整体处于稳定状态。
施工期用水不当导致右岸坝肩边坡水文地质条件发生重大改变。边坡形成多处施工用水入渗补给源（见图 4），沿f29、f85等结构面发生渗流，向低高程河床排泄，坡体含水率大幅增加，断层破碎带物质长期泡水软化，力学性能不断降低，沿断层区域水压升高。
2. 右坝肩边坡开裂破坏特征分析
至2022年12月，叶巴滩水电站右岸坝肩边坡出现多处变形开裂破坏现象，裂缝主要分布在EL2825~3103 m高程。现场调查地表可见裂缝条数总数311条，洞内91条，不同高程各类裂缝数量如图 5所示，纵斜向剪切裂缝与横向鼓胀裂缝均较发育。竖向剪切裂缝可见长度一般为2~5 m，最大大于10 m，张开宽度0.5~2 cm，剪切位移1~3 cm；水平鼓胀脱裂缝张开宽度2~5 cm，顺坡面发育；斜向裂缝多呈羽列状分布，对短小，一般0.5~1 m，剪切错裂现象较为明显。
![]()
图 5 右坝肩边坡不同高程各类裂缝数量Figure 5. Number of various types of cracks at different elevations of abutment slope at right bank裂缝位置分布及部分裂缝发育形态如图 6所示。EL3000 m缆机平台以上边坡调查发现BXF1、BXF2两条连续变形迹线，分别沿NW向断层f29、fr18分布，以剪切错动形成的斜裂缝、竖向裂缝为主，这些裂缝表明f29、fr18断层的上游（上盘）岩体向下、向下游剪切错动。EL2894~3000 m高程存在一条下游边界沿f29断层分布，以水平裂缝为主，水平鼓胀变形产生，指示裂缝上游下错，上游边坡拐角附近，存在细微破裂斜裂缝，沿f85断层分布，但剪切、下错特征均不明显，推测可能为上游边界。EL 2850~2915 m高程发现BXF3、BXF4两条连续的变形迹线。沿迹线BXF3分布的裂缝位于f85断层及邻近的位置，以斜向细微裂缝为主要特征，表明沿f85断层变形产生的坡面破裂现象；沿迹线BXF4分布的裂缝位于进水口边坡上方，力学机制以张裂缝为主，主要表现为进水口边坡开挖卸荷岩体松弛变形产生的破裂现象。
![]()
图 6 裂缝位置分布及部分裂缝发育形态Figure 6. Distribution of crack locations and morphology of cracks3. 边坡变形开裂成因机制分析
3.1 边坡变形空间分布特征
叶巴滩右岸坝肩边坡和进水口边坡部位，采用表面变形测点与多点位移计监测边坡表层岩体变形和内部结构面变形，其中，在坝肩部位共布置有32个外观测点和26套多点位移计；进水口部位15个外观测点和17套多点位移计。
图 7，8分别给出了截至2023年4月，边坡水平、竖直向外观测点位移矢量和等值线图，从中可以看出，水平向变形主要以向坡外、向下游为主，竖直方向以沉降变形为主。位移量值较大的部位主要位于强卸荷—中等卸荷岩体部位，以f85、f29断层为上、下游边界的区域内，水平合位移量值约为26.7~52.4 mm，沉降变形在1.6~51.8 mm。对比图 6可以看出，该区域也是坡面出现大多数裂缝的区域。
![]()
图 7 边坡外观测点水平向位移矢量和等值线图Figure 7. Horizontal displacement vectors and contour plots of external observation points![]()
图 8 边坡外观测点竖直向位移矢量和等值线图Figure 8. Vertical displacement vectors and contour plots of external observation points图 9，10分别给出了截至2023年4月，多点位移计孔口位移分布和典型测线剖面的边坡内部变形情况，典型测线剖面位置见图 9。从中可以看出，多点位移计孔口变形方向主要指向坡外，变形量值在-1.7~58.6 mm。边坡孔口变形较大的部位发生在EL3000~2894 m高程、f29和f85形成块体内的卸荷岩体区域；由图 10可知，边坡内部变形部位主要沿NW向断层f29、f74以及卸荷拉裂底界分布。
![]()
图 9 边坡多点位移计孔口位移分布Figure 9. Distributions of displacement of multi-point displacement gauges根据内、外观监测成果，结合边坡地质条件，从边坡变形机制分析，该部位岩体结构条件复杂，EW、NW、NE等多组多向结构面发育，卸荷拉裂岩体松弛拉裂强烈，存在影响边坡稳定的NW+EW楔形块体模式、卸荷拉裂岩体模式等多种模式，开挖后诱发卸荷松弛变形、以及NW和EW向结构面组合形成块体发生蠕滑变形。值得注意的是，上下游边界f29断层与f85断层组合，可构成影响边坡整体稳定的楔形滑移块体，块体交棱线方向S55°~65°E，倾角30°~40°，与该部位外观测点三向矢量的合位移方向相近。
3.2 边坡变形数值分析
为了进一步揭示右坝肩边坡变形开裂的力学机制，建立右岸三维数值模型，开展右坝肩边坡在开挖和渗水软化作用下的变形分析。
叶巴滩右岸坝边坡三维数值计算模型如图 11（a）所示，坡体内部主要断层展布如图 11（b）所示。断层采用薄层实体单元模拟，强度采用莫尔–库仑准则。采用的岩体及结构面力学参数如表 1所示。施工开挖根据实际开挖过程分步模拟，施工用水对边坡变形的影响，采用对应范围岩体结构面的饱水软化参数进行计算。
![]()
图 11 右岸三维数值模型及主要断层Figure 11. Three-dimensional numerical model and distribution of faults at right bank of slope表 1 右岸边坡岩体及断层物理力学参数Table 1. Physical and mechanical parameters of rock massand fault of abutment slope at right bank岩体 材料编号 密度/(kg·m-³) 变模/GPa 泊松比 黏聚力/MPa 摩擦系数 新鲜岩体 Ⅱ2 2750 18.0 0.22 1.700 1.28 深卸荷 Ⅲ1 2700 11.0 0.26 1.100 1.08 弱卸荷 Ⅲ2 2600 7.5 0.28 0.900 0.95 强卸荷 Ⅳ 2550 3.0 0.33 0.600 0.70 中等卸荷拉裂变形体 Ⅲ2s 2600 4.5 0.29 0.850 0.86 强烈卸荷拉裂变形体 Ivs 2550 1.5 0.33 0.500 0.60 f9、f21 岩块岩屑B1 2500 1.0 0.35 0.100 0.50 f26、f29、f74、f76、f77、f78、f85、fr18 岩屑夹泥B3 2300 1.0 0.35 0.050 0.38 f4 泥夹岩屑B4 2200 0.2 0.35 0.010 0.30 f3 泥型B5 2100 0.2 0.35 0.005 0.23 根据右坝肩的实际施工时序，2020年12月—2021年11月EL2894 m坝顶平台以下边坡开挖，由f29+f85组合形成楔形块体的剪出口在坡面出露，2022年5月蓄水池开始蓄水。图 12给出了坝顶以下边坡切脚开挖诱发位移增量的矢量图，图 13给出了位于缆机平台边坡和坝顶以上边坡2个典型外观测点由开挖卸荷和施工渗水诱发的位移增量与监测结果的对比。对比监测成果可知，数值模拟结果和外观监测成果反映的边坡变形规律是一致的，变形量值略小于监测结果。边坡变形主要区域为f85、f29为上下游边界的中等—强卸荷岩体区域，由于开挖卸荷作用和施工渗水的软化效应，边坡产生指向下游、指向坡外的滑动变形。图 13的分析结果进一步表明，由于坝顶高程以下边坡的开挖切脚效应，距离开挖面较近的外观测点TPYLJ-02产生的位移较大，而远离开挖面的外观测点TPKGZ-02产生的位移相对较小，总体而言，开挖卸荷诱发的变形大于施工渗水诱发的变形。
![]()
图 12 坝顶以下边坡开挖变形矢量图Figure 12. Deformation contours and vectors after slope excavation below dam crest![]()
图 13 开挖卸荷和施工渗水诱发的外观测点变形Figure 13. Deformations of external observation points induced by excavation unloading and construction seepage图 14为右岸边坡内部控制性断层错动变形分布计算结果，对比分析坡面出现的裂缝分布以及裂缝类型。坝肩边坡f29断层附近主要表现为沿f29断层剪切错动和水平鼓涨变形，现场调查揭示的裂缝L29、L24和L21为水平裂缝，L13为竖直裂缝，其破裂机制应为坡面鼓胀变形及沿f29错动变形。开关站1区f29断层附近的变形主要以沿f29剪切变形为主，现场调查揭示的L20、L19和L13为竖直裂缝，其开裂机制为沿f29发生剪切变形。“f3+f29”变形区域上游侧边界主要沿断层f3发生指向下游、指向坡外的变形，现场调查揭示的L18和L80分布于断层F3的两侧，其开裂机制应为变形体沿f3断层错动所致。坝肩边坡f85和f9断层构成了卸荷岩体的上游侧边界，现场调查所揭示的裂缝L27、L85为剪切裂缝，表明该裂缝可能与边坡表层沿f85、f9产生的剪切变形相关。
![]()
图 14 右岸边坡断层典型裂缝变形特征Figure 14. Characteristics of typical crack deformation at right bank of slope总体而言，数值模拟结果显示的裂缝开裂部位及裂缝特征、变形较大的分布区域同现场监测资料以及裂缝分布大致吻合，验证了数值分析的有效性，揭示了边坡变形模式及破坏特征，为进一步施加边坡应急加固措施研究奠定了基础。
4. 右坝肩边坡稳定性分析
4.1 边坡整体稳定性分析
根据叶巴滩右坝肩开裂破坏特征和变形破坏机制分析，f29等NW向断层为下游控制边界，f85等EW向断层为上游边界，fR18断层为变形边坡块体内部边界。f29断层与f85断层组合，可构成影响边坡整体稳定的楔形滑移块体。
采用武汉大学研发的JSlope3D软件对f29+f85楔形滑块的稳定性进行分析，计算方法为Spencer法[12-14]。图 15给出开挖完成后该块体在坝肩出露位置、三维构形和结构面的空间展布，表 2给出了考虑施工渗水软化影响的块体稳定性计算结果。可以看出，当f29强度参数软化折减20%，充水50%时，块体的安全系数为1.07，处于稳定性较差的状态；如果考虑f29和f85同时受到渗水影响，块体安全系数降为0.98，边坡处于临界稳定状态。计算结果表明，该工程边坡受渗水影响后稳定性显著降低。
表 2 f29+f85楔形滑块现状稳定性三维极限平衡分析成果表Table 2. Results of three-dimensional limit equilibrium analysis of stability of f29+f85 sliding wedge in current state块体高度/m 正常工况（不考虑渗水软化） 现状工况 f29强度参数0.85
f29充水50%f29强度参数0.8
f29充水50%f29、f85强度参数0.85
f29、f85充水50%460 1.23 1.10 1.07 0.98 4.2 块体滑面法向及剪应力分布
JSlope3D软件可以给出组成块体结构面的应力分布，图 16给出了f29和f85断层面上法向应力与抗剪应力分布。由于f85断层的倾角小于f29断层，作用在断层f85上的法向应力、抗剪应力明显大于断层f29。并且，由于断层f85的强度参数高于断层f29，断层f85承受阻止块体下滑的抗剪力也明显高于f29断层。
![]()
图 16 块体滑面法向应力和抗剪应力分布Figure 16. Distribution of normal and shear stresses on sliding surface of block此外，作用在该块体后缘和前缘的法向力和抗剪力均较小，EL3000 m高程附近的块体中部位置较大，并从坡面往坡内逐渐增大。图 17，18为断层f29和f85在不同高程上的法向力和抗剪力分布曲线，滑面EL2900~3150 m高程承担了整个滑块的大部分法向力和抗剪力，将抗剪洞布置在滑面高程EL2900~3150 m位置将发挥最优的加固效果。
![]()
图 17 作用在块体结构面f29上的法向力和抗剪力沿高程分布规律Figure 17. Distribution of normal and shear forces acting on fault f29![]()
图 18 作用在块体结构面f85上的法向力和抗剪力沿高程分布规律Figure 18. Distribution of normal and shear forces acting on fault f855. 高边坡应急加固治理
5.1 应急加固治理措施
岩石高边坡的应急加固治理，应根据边坡变形机制，主控结构面及其组合形成的破坏模式、主要诱发因素等因地制宜选择加固措施，并提出加固方案和设计参数。
（1）叶巴滩右坝肩边坡出现宏观破裂的主要诱因是开挖的卸荷作用和施工渗水的软化作用，导致断层破碎带物质长期泡水软化，力学性能不断降低，因此，首先停用蓄水池和尽快疏干施工渗水。
（2）坝顶高程以下岩体开挖后，f29+f85组成的楔形块体剪出口在坡面出露，因此，坝顶高程以下开挖属于切脚开挖，恶化了边坡的稳定条件，因此，应急治理应采用锚索对剪出口部位进行“固脚”，同时，对开挖卸荷诱发变形较大的坝顶-缆机部位坡体采用锚索进行“强腰”加固。
（3）叶巴滩右坝肩边坡稳定性的主控结构面是NW向f29断层和EW向的f85断层，破坏模式是由f29与f85作为上下游边界组合形成大范围的不稳定空间结构楔形体。由于该不稳定楔体方量巨大（392万方），仅仅采用锚索加固难以满足稳定性要求，若采用抗滑桩加固需要布置在滑体中前缘，对于陡坡开挖的坝肩边坡而言没有施工条件。抗剪洞作为一种“深埋混凝土抗剪结构”，其最大的特点在于突破了传统边坡治理技术的适用条件及实施环境，因此，针对主控结构面及其组合形成的大块体，采用抗剪洞进行加固处置。
5.2 应急加固治理设计
针对叶巴滩右坝肩高边坡的主控结构面与破坏模式，确立了“深埋混凝土抗剪结构+锚固系统+排水”的综合治理方案：
（1）为确保边坡及洞内排水孔畅通，在坡面设置排水沟施工，同时把EL2915 m高程蓄水池的施工用水梳干，并改作抗剪洞。
（2）EL2894~3000 m边坡锚索强腰（图 19）、EL2894 m以下断层f29和断层f85出露部位锚索固脚等。
![]()
图 19 EL2894 m~3000 m边坡锚索强腰示意图Figure 19. Distribution anchor cable of slope at elevations of 2894~3000 m（3）根据滑面法向应力及抗剪应力分布结果，在右岸坝顶平台EL2894 m高程，针对f29和f85断层布置带有键槽的抗剪洞，如图 20所示。布置在f29断层的抗剪洞高度8 m，长度200 m，置换面积约为1751 m2；布置在f85断层的抗剪洞高度8 m，长度73 m，置换面积约为696 m2。
对采取应急处置后右岸坝肩块体的稳定性进行复核，主要考虑穿过滑面锚索的加固作用、抗剪洞的置换和抗剪效应。计算采用抗剪洞钢筋混凝土的强度参数f=1.0，c=1.5 MPa，抗剪洞加固后的滑面强度参数，采用抗剪洞置换面积和滑面面积占比进行加权平均确定。加固后f29+f85滑块稳定复核结果如表 3所示。
表 3 块体稳定性三维极限平衡分析成果表Table 3. Results of three-dimensional limit equilibrium analysis of block stability块体 f29断层参数取值 加固措施 安全系数 持久 短暂 地震 f29+f85 原参数85% 锚索加固 1.17 1.08 1.07 原参数 1.26 1.15 1.14 原参数85% 抗剪洞加固 1.24 1.16 1.14 原参数 1.33 1.22 1.21 原参数85% 抗剪洞+锚索联合加固 1.27 1.17 1.16 原参数 1.35 1.25 1.24 计算成果表明：EL2915 m高程蓄水池改作抗剪洞可以消除蓄水池渗漏对边坡稳定性的不利影响，但考虑f29断层已发生渗水软化，因此其强度参数弱化为原参数的85%。相对于未受渗水影响的强度参数，其稳定性安全系数降低了约0.08左右。采用锚索和抗剪洞联合加固后，大块体的安全系数提高了0.13左右，块体在持久、降雨和地震作用下的安全系数均能满足边坡安全控制标准[15]，应急加固措施能够有效提高边坡稳定性，避免边坡进一步发生变形破坏。
6. 结论
（1）叶巴滩右坝肩施工期的变形开裂机制主要是由于开挖卸荷切脚效应和施工渗水的软化效应，导致沿NW向和EW向结构面组合楔形块体稳定性不断降低，产生沿f29、f85断层及其夹持的中等—强卸荷岩体产生指向坡外的蠕滑变形。f29+f85组合块体之间，边坡喷层混凝土中的一系列裂缝，均为受控楔形块体蠕滑产生的一套派生破裂现象。
（2）由断层f29+f85组合形成的楔形滑块是右岸坝肩边坡整体稳定的控制性块体，三维稳定性分析成果表明：断层受施工用水浸泡软化、结构面水压力增大，块体稳定性显著降低，难以满足工程稳定性要求，需要采取有效的应急加固处置措施。
（3）基于对右岸坝肩边坡整体稳定性的控制块体f29+f85的法向应力分布以及滑面抗剪应力分布，提出了在EL3000 m~坝顶EL2894 m高程，针对f29和f85断层布置带有键槽的抗剪洞的应急加固措施，并辅以锚索强腰、排水等工程措施。稳定性分析结果表明，应急加固措施可以显著提高块体安全系数，加固后的边坡稳定性满足要求。
-
![]()
图 1 右岸坝肩边坡工程地质平面图
Figure 1. Engineering geological Plan of dam abutment slope at right bank
![]()
图 5 右坝肩边坡不同高程各类裂缝数量
Figure 5. Number of various types of cracks at different elevations of abutment slope at right bank
![]()
图 6 裂缝位置分布及部分裂缝发育形态
Figure 6. Distribution of crack locations and morphology of cracks
![]()
图 7 边坡外观测点水平向位移矢量和等值线图
Figure 7. Horizontal displacement vectors and contour plots of external observation points
![]()
图 8 边坡外观测点竖直向位移矢量和等值线图
Figure 8. Vertical displacement vectors and contour plots of external observation points
![]()
图 9 边坡多点位移计孔口位移分布
Figure 9. Distributions of displacement of multi-point displacement gauges
![]()
图 11 右岸三维数值模型及主要断层
Figure 11. Three-dimensional numerical model and distribution of faults at right bank of slope
![]()
图 12 坝顶以下边坡开挖变形矢量图
Figure 12. Deformation contours and vectors after slope excavation below dam crest
![]()
图 13 开挖卸荷和施工渗水诱发的外观测点变形
Figure 13. Deformations of external observation points induced by excavation unloading and construction seepage
![]()
图 14 右岸边坡断层典型裂缝变形特征
Figure 14. Characteristics of typical crack deformation at right bank of slope
![]()
图 16 块体滑面法向应力和抗剪应力分布
Figure 16. Distribution of normal and shear stresses on sliding surface of block
![]()
图 17 作用在块体结构面f29上的法向力和抗剪力沿高程分布规律
Figure 17. Distribution of normal and shear forces acting on fault f29
![]()
图 18 作用在块体结构面f85上的法向力和抗剪力沿高程分布规律
Figure 18. Distribution of normal and shear forces acting on fault f85
![]()
图 19 EL2894 m~3000 m边坡锚索强腰示意图
Figure 19. Distribution anchor cable of slope at elevations of 2894~3000 m
表 1 右岸边坡岩体及断层物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of rock massand fault of abutment slope at right bank
岩体 材料编号 密度/(kg·m-³) 变模/GPa 泊松比 黏聚力/MPa 摩擦系数 新鲜岩体 Ⅱ2 2750 18.0 0.22 1.700 1.28 深卸荷 Ⅲ1 2700 11.0 0.26 1.100 1.08 弱卸荷 Ⅲ2 2600 7.5 0.28 0.900 0.95 强卸荷 Ⅳ 2550 3.0 0.33 0.600 0.70 中等卸荷拉裂变形体 Ⅲ2s 2600 4.5 0.29 0.850 0.86 强烈卸荷拉裂变形体 Ivs 2550 1.5 0.33 0.500 0.60 f9、f21 岩块岩屑B1 2500 1.0 0.35 0.100 0.50 f26、f29、f74、f76、f77、f78、f85、fr18 岩屑夹泥B3 2300 1.0 0.35 0.050 0.38 f4 泥夹岩屑B4 2200 0.2 0.35 0.010 0.30 f3 泥型B5 2100 0.2 0.35 0.005 0.23 
下载: 导出CSV
表 2 f29+f85楔形滑块现状稳定性三维极限平衡分析成果表
Table 2 Results of three-dimensional limit equilibrium analysis of stability of f29+f85 sliding wedge in current state
块体高度/m 正常工况（不考虑渗水软化） 现状工况 f29强度参数0.85
f29充水50%f29强度参数0.8
f29充水50%f29、f85强度参数0.85
f29、f85充水50%460 1.23 1.10 1.07 0.98
下载: 导出CSV
表 3 块体稳定性三维极限平衡分析成果表
Table 3 Results of three-dimensional limit equilibrium analysis of block stability
块体 f29断层参数取值 加固措施 安全系数 持久 短暂 地震 f29+f85 原参数85% 锚索加固 1.17 1.08 1.07 原参数 1.26 1.15 1.14 原参数85% 抗剪洞加固 1.24 1.16 1.14 原参数 1.33 1.22 1.21 原参数85% 抗剪洞+锚索联合加固 1.27 1.17 1.16 原参数 1.35 1.25 1.24
下载: 导出CSV
-
[1] 黄润秋. 中国西南岩石高边坡的主要特征及其演化[J]. 地球科学进展, 2005, 20(3): 292-297. doi: 10.3321/j.issn:1001-8166.2005.03.005 HUANG Runqiu. Main characteristics of hign rock slopes in southWestern China and their dynamic evolution[J]. Advances in Earth Science, 2005, 20(3): 292-297. (in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1001-8166.2005.03.005
[2] 宋胜武, 冯学敏, 向柏宇, 等. 西南水电高陡岩石边坡工程关键技术研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2011, 30(1): 1-22. SONG Shengwu, FENG Xuemin, XIANG Baiyu, et al. Research on key technologies for high and steep rock slopes of hydropower engineering in Southwest China[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(1): 1-22. (in Chinese)
[3] 马洪琪. 小湾水电站建设中的几个技术难题[J]. 水利发电, 2009, 35(9): 17-21. MA Hongqi. Technical difficulties in the construction of Xiaowan hydropower station[J]. Water Power, 2009, 35(9): 17-21. (in Chinese)
[4] 徐奴文, 李韬, 戴峰, 等. 基于离散元模拟和微震监测的白鹤滩水电站左岸岩质边坡稳定性分析[J]. 岩土力学, 2017, 38(8): 2358-2367. XU Nuwen, LI Tao, DAI Feng, et al. Stability analysis on the left bank slope of Baihetan hydropower station based on discrete element simulation and microseismic monitoring[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(8): 2358-2367. (in Chinese)
[5] 李韬, 徐奴文, 戴峰, 等. 白鹤滩水电站左岸坝肩开挖边坡稳定性分析[J]. 岩土力学, 2018, 39(2): 665-674. LI Tao, XU Nuwen, DAI Feng, et al. Stability analysis of left bank abutment slope at Baihetan hydropower station subjected to excavation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2018, 39(2): 665-674. (in Chinese)
[6] 陈佳伟, 邓建辉, 魏进兵, 等. 长河坝水电站右坝肩边坡裂缝成因分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(6): 1121-1127. doi: 10.3969/j.issn.1000-6915.2012.06.005 CHEN Jiawei, DENG Jianhui, WEI Jinbing, et al. Cause analysis of cracking in right abutment slope of changheba hydropower station[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(6): 1121-1127. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-6915.2012.06.005
[7] 彭巨为. 长河坝水电站坝肩边坡动态监测及稳定性分析[J]. 地下空间与工程学报, 2017, 13(增刊2): 915-920. PENG Juwei. Dynamic monitoring and stability analysis on abutment slope of Changheba hydropower station[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2017, 13(S2): 915-920. (in Chinese)
[8] 向柏宇, 姜清辉, 宋胜武, 等. 深埋混凝土抗剪结构加固设计方法及其在大型边坡工程治理中的应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(2): 289-302. doi: 10.3969/j.issn.1000-6915.2012.02.008 XIANG Baiyu, JIANG Qinghui, SONG Shengwu, et al. Reinforcement design method for deep embedded concrete shear resistance structure and its application to large-scale engineering slope[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(2): 289-302. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-6915.2012.02.008
[9] 商开卫, 张公平. 大岗山水电站右岸坝肩边坡深层加固研究[J]. 人民黄河, 2018, 40(1): 138-144. doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.033 SHANG Kaiwei, ZHANG Gongping. Deep reinforcement study on right dam shoulder slope of dagangshan hydropower station[J]. Yellow River, 2018, 40(1): 138-144. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.033
[10] MA K, LIU G Y, GUO L J, et al. Deformation and stability of a discontinuity-controlled rock slope at Dagangshan hydropower station using three-dimensional discontinuous deformation analysis[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2020, 130: 104313. doi: 10.1016/j.ijrmms.2020.104313
[11] 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院. 金沙江叶巴滩水电站大坝工程标招标设计报告—4. 工程地质[R]. 成都: 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院, 2017. Chengdu Hydropower Investigation and Design Institute, China Hydropower Consulting Group. Dam project tender design report of Yebatan hydropower project, Jinsha River, part 4: engineering geology[R]. Chengdu: Chengdu Hydropower Investigation and Design Institute, China Hydropower Consulting Group, 2017. (in Chinese)).
[12] 姜清辉, 王笑海, 丰定祥, 等. 三维边坡稳定性极限平衡分析系统软件SLOPE3D的设计及应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(7): 1121-1125. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2003.07.014 JIANG Qinghui, WANG Xiaohai, FENG Dingxiang, et al. SLOPE3D—a three-dimensional limit equilibrium analysis software for slope stability and its application[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22(7): 1121-1125. (in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2003.07.014
[13] JIANG Q H, LIU X H, WEI W, et al. A new method for analyzing the stability of rock wedges[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2013, 60: 413-422. doi: 10.1016/j.ijrmms.2013.01.008
[14] JIANG Q H, ZHOU C B. A rigorous solution for the stability of polyhedral rock blocks[J]. Computers and Geotechnics, 2017, 90: 190-201. doi: 10.1016/j.compgeo.2017.06.012
[15] 水电工程边坡设计规范: NB/T 10512—2021[S]. 北京: 中国水利水电出版社, 2021. Code for Slope Design of Hydropower Projects: NB/T 10512—2021[S]. Beijing: China Water & Power Press, 2021. (in Chinese)
计量
- 文章访问数: 148
- HTML全文浏览量: 17
- PDF下载量: 33
