冉從勇，何 蘭，余學(xué)明，葉發(fā)明

（中國電建集團 成都勘測設(shè)計研究院有限公司，成都 610072）

1 工程及地質(zhì)概況

瀑布溝水電站為礫石土心墻堆石壩，左岸布置有引水發(fā)電建筑物及左岸岸邊開敞式溢洪道、左岸深孔無壓泄洪洞，右岸布置有放空洞及右岸尼日河引水隧洞。電站裝機總?cè)萘? 600 MW，保證出力916 MW，多年平均年發(fā)電量147.9億k W·h。最大壩高186 m，水庫正常蓄水位850.00 m，死水位790.00 m，總庫容53.37億 m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。

庫首右岸拉裂變形體位于攔河壩右岸壩軸線上游約780 m左右。拉裂變形體的前緣高程為730 m，后緣高程為1 187 m，前后緣平面長約400 m，寬約360 m，高差達450 m，兩側(cè)有深10～35 m沖溝切割；自然谷坡大致走向為近SN向，谷坡總體呈折線狀，地形下陡上緩，地貌呈槽脊相間。谷坡坡度在980 m高程以下近50°，980 m高程以上近40°。拉裂變形體全貌及地質(zhì)分區(qū)見圖1。Ⅰ區(qū)主要由崩坡積體組成；Ⅱ區(qū)以槽脊為界，槽脊相間的山脊部分有明顯的變形松動且分布不均勻。拉裂變形帶大致以強卸荷為界，其松動帶巖體以碎裂結(jié)構(gòu)為主，破壞形式以槽脊后退式塌滑為主。邊坡可能的失穩(wěn)方式主要是淺表部的牽引式滑塌及其破壞后引起的Ⅰ區(qū)坡體的滑動破壞，其破壞失穩(wěn)會惡化中部拉裂變形帶的穩(wěn)定條件。

圖1 庫首右岸拉裂變形體Fig.1 Defor ming and cracking slope on the right bank of reservoir

庫首右岸拉裂變形體距大壩非常近、方量較大、位置較高，故其破壞方式、穩(wěn)定狀況、發(fā)展趨勢等直接影響電站運營期間地下廠房取水口和大壩的安全。

2003年，拉裂變形體后緣出現(xiàn)雁列的拉裂縫，同時側(cè)緣和前緣有不同程度的變形破裂跡象；高程980 m以下溝槽表部松散體塌滑。

拉裂變形體一期治理于2009年9月份完成，二期初步治理于2011年3月份完成。目前邊坡仍在進行安全監(jiān)測，以確定后續(xù)支護方案。

2 分區(qū)分期動態(tài)治理方案研究

2.1 分期分區(qū)治理的必要性分析

2.1.1 瀑布溝分期蓄水要求進行分期治理

瀑布溝水電站分期蓄水要求：①2009年10月導(dǎo)流洞下閘進行一期蓄水，2009年12月份初蓄至發(fā)電死水位790 m高程以滿足第一臺機組發(fā)電要求；②2010年5月份開始二期蓄水，從水位高程790 m蓄至850 m。

由于庫首右岸拉裂體地形陡峻、地質(zhì)條件復(fù)雜、施工布置受限、施工難度大，加之治理工程量大，拉裂體整體治理不能在蓄水前全部完成，這就要求必須對邊坡進行分區(qū)分期治理，首先要保證瀑布溝一期蓄水要求；再保證瀑布溝二期蓄水要求。

2.1.2 變形體治理的復(fù)雜性要求進行動態(tài)設(shè)計

庫首右岸拉裂變形體地質(zhì)條件復(fù)雜、治理方案及措施難以一步到位，需在邊坡變形監(jiān)測及針對性補充勘探的基礎(chǔ)上進一步復(fù)核邊坡運行狀況，以使邊坡處理設(shè)計更加符合實際情況，做到有的放矢。因此拉裂變形體需要進行分期分區(qū)動態(tài)治理設(shè)計。

2.2 分區(qū)分期治理的條件分析

2.2.1 分區(qū)治理的地形分析

拉裂變形體平面范圍廣、高差大，地形總體上為下陡上緩、槽脊（溝梁）相間，具備分區(qū)治理有利條件。

2.2.2 分期治理的工期分析

瀑布溝初期及二期蓄水要求：2009年9月份完成高程850 m以下邊坡一期治理，2011年3月完成高程855 m以下的補充支護和高程855～980 m范圍內(nèi)的二期初步治理。從施工強度和施工周期上能完成一期和二期初步治理。

2.3 分區(qū)分期及動態(tài)治理措施研究

針對本工程特點及各種邊坡治理措施的適用性及優(yōu)缺點比較后，采用少開挖、少擾動、強支護的治理原則，采用分期分區(qū)治理的設(shè)計思路，在治理設(shè)計過程中根據(jù)現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測成果及補充勘探成果對方案進行動態(tài)設(shè)計，以保證工程治理的合理性和經(jīng)濟性。

為滿足分期蓄水要求，將邊坡分為一期治理和二期治理，一期治理后能保證一期蓄水安全要求，二期治理后需保證邊坡長久運行安全要求?？紤]到二期施工范圍較大，施工周期較長，為保證瀑布溝正常蓄水運行，二期初步治理工程支護措施考慮先按B類1級邊坡安全系數(shù)的低限進行控制。分期分區(qū)平面布置見圖2。

圖2 庫首右岸拉裂邊形體治理平面布置Fig.2 Plan of treat ments for the defor ming and cracking slope on the right bank of reservoir

一期治理主要是針對850 m高程以下進行綜合治理設(shè)計，主要加固II-2區(qū)與II-1區(qū)（工程措施A—D區(qū)），同時對邊坡（Ⅰ區(qū)）后緣拉裂縫進行封閉，在Ⅰ區(qū)上部邊坡布設(shè)排水溝，并布設(shè)監(jiān)測設(shè)施加強邊坡觀測。A區(qū)主要對局部垮塌的溝槽部位采用清理浮土、錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土、排水孔進行淺表加固和封閉；B—D區(qū)為重點加固區(qū)域，在清坡后，表層巖體采取系統(tǒng)錨桿、框格梁、深孔錨筋束，深部巖體根據(jù)風(fēng)化深度的不同分別設(shè)置間排距5 m的錨索進行綜合加固（其中B區(qū)和C區(qū)預(yù)留50%的錨索未實施，視監(jiān)測情況再確定是否實施）。同時將正常蓄水位以下的5個勘探平洞回填C20混凝土，其中部分采用頂部配置工字鋼、洞周邊配置鋼筋的方式形成抗剪洞。

二期治理主要根據(jù)一期治理實施后邊坡監(jiān)測反饋資料的分析論證及2008年地質(zhì)勘探成果資料，進一步進行穩(wěn)定性分析并落實最終的邊坡加固治理方案和措施，主要加固范圍為高程850 m以上II-2區(qū)與II-1區(qū)及Ⅰ區(qū)下部邊坡（工程措施F，G，H區(qū)），同時根據(jù)監(jiān)測成果分析對一期治理中B區(qū)和C區(qū)預(yù)留50%的錨索進行補充實施。采用了深層錨索、中層錨筋束、淺層錨桿、表層噴護、框格梁、坡面排水溝、深層排水孔、表層排水孔等綜合加固措施。對正常蓄水位以上的3個勘探平洞采用C20鋼筋混凝土襯砌后作監(jiān)測兼排水洞。

考慮到二期施工范圍較大，施工周期較長，二期初步治理工程支護措施先按DL／T 5353—2006要求的B類1級邊坡安全系數(shù)的低限進行控制，主要加固900～980 m高程區(qū)（F區(qū)50%錨索）、850 m高程以下措施全部實施完成及G區(qū)、H區(qū)未施工的工程。二期剩余部分在加強對邊坡的內(nèi)外監(jiān)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合監(jiān)測成果和后期揭示的地質(zhì)資料評價邊坡的穩(wěn)定性，再進一步確定實施二期剩余部分措施。

3 邊坡穩(wěn)定性分析研究

3.1 邊坡設(shè)計標準分析

由于拉裂變形體距壩軸線約780 m，其下游為大壩，對岸布置有電站進水口、導(dǎo)流洞進口、泄洪洞進口等建筑物。這些建筑物中，除導(dǎo)流洞進口為3級建筑物外，其余均為1級建筑物。瀑布溝大壩為礫石土心墻堆石壩，如果邊坡失穩(wěn)，滑體涌浪是土石壩的重大安全隱患；另外，滑體堆積物還可能堵塞引水和泄水建筑物進口，影響其正常運用。綜合考慮各影響因素以及蓄水要求后，確定一期（高程790 m以下）和二期按B類1級邊坡進行設(shè)計。二期初步治理取B類1級邊坡規(guī)范下限值，詳見表1。瀑布溝水電站樞紐區(qū)地震基本烈度定為Ⅶ度，邊坡地震設(shè)防烈度同基本烈度一致為Ⅶ度，基準期50 a超越概率5%的壩址基巖峰值加速度為ah＝0.140 g。

表1 拉裂變形體抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)Table 1 Mini mum safety coefficients of the defor ming and cracking slope

3.2 二維邊坡穩(wěn)定性分析

3.2.1 計算方法

邊坡地形地質(zhì)條件復(fù)雜，變形失穩(wěn)后影響大，計算分析既采用二維剛體極限平衡法，也采用三維數(shù)值分析進行邊坡相關(guān)計算。雖然該邊坡為巖石邊坡，但該邊坡巖體松動、分化卸荷強烈且已發(fā)生變形跡象，因此選用下限解法進行邊坡穩(wěn)定性分析。由于剛體極限平衡分析為靜不定力學(xué)問題，不同方法各有優(yōu)劣［1］，本研究二維計算采用STAB2009和GEO-SLOPE［2］2種計算軟件，選取了Spencer法、剩余推力法和工程師團法3種下限解法進行了計算對比分析［3］，各方法差別見表2。

表2 變形體邊坡分析方法Table 2 Methods of analysing the defor ming slope

根據(jù)地形地質(zhì)條件、地質(zhì)分區(qū)選取代表性剖面新縱1-1、新縱2-2、新縱3-3和新縱7-7進行計算。計算時，在剖面上采取全斷面范圍內(nèi)的搜索，并結(jié)合地質(zhì)專業(yè)提出的臨界滑面進行計算，既考慮了基覆界線、強風(fēng)化底界、強卸荷底界、弱卸荷底界等滑裂面，同時也搜索其它潛在的臨界滑裂面。

3.2.2 計算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)建議物理力學(xué)參數(shù)，對邊坡穩(wěn)定性進行反演分析，復(fù)核和修正地質(zhì)建議參數(shù)，認為邊坡在天然+暴雨情況下（考慮滲壓0.2）的參數(shù)較合適（3個控制型斷面的安全系數(shù)分別為0.967，1.055，0.996），計算指標如表3。

表3 拉裂變形體穩(wěn)定計算采用物理力學(xué)指標Table 3 Physical and mechanical indexes adopted f or the stability calculation of def or ming and cracking slope

3.2.3 計算工況

由于瀑布溝庫首右岸拉裂體下部位于正常蓄水位以下，需研究與水庫有關(guān)的工況，如正常蓄水位、水位驟降等。經(jīng)過分析，確定計算工況見表4。

表4 計算工況Table 4 Calculation conditions

3.2.4 計算成果分析

經(jīng)二期系統(tǒng)加固處理后，坡體穩(wěn)定安全系數(shù)均達到了表1要求，搜索最小安全系數(shù)見圖3；由于篇幅有限，僅選取新縱3-3剖面進行介紹。計算成果見表5至表7及圖3。由計算成果可知：邊坡一期治理后，死水位高程790 m以下（603區(qū)）滿足表1要求；二期初步治理后，邊坡滿足B類1級邊坡規(guī)范下限要求。

3.3 三維數(shù)值分析研究

圖3 各工況下可能最危險滑面及安全系數(shù)（二期支護后）Fig.3 Probable most dangerous slip surface and safety factors under different conditions（after second stage support）

表5 一期支護后新縱3－3剖面穩(wěn)定計算安全系數(shù)Table 5 Safety f actors f or section N3－3（after the first stage support）

表6 二期支護后新縱3－3剖面穩(wěn)定Spencer法計算的安全系數(shù)Table 6 Safety f actors for section N3-3 calculated by Spencer method（after the second stage support）

表7 二期初步治理后新縱3－3剖面穩(wěn)定Spencer法計算的安全系數(shù)Table 7 Safety f actors for section N3-3 calculated by Spencer method（after the second stage preliminary treat ment）

根據(jù)庫首右岸拉裂變形體邊坡的工程地質(zhì)條件與邊坡支護特點，采用三維數(shù)值分析方法（CORE3）研究邊坡在天然、正常蓄水、地震、庫水位驟降、暴雨等工況下的應(yīng)力分布、變形特征、塑性區(qū)分布，以及可能的失穩(wěn)破壞模式、破壞機理、可能失穩(wěn)坡體的范圍，為穩(wěn)定性評價和加固設(shè)計提供可靠的依據(jù)［4］。

由于滑坡體較淺，且松弛明顯，故初始地應(yīng)力場僅考慮初始自重應(yīng)力場。參考水文地質(zhì)資料并結(jié)合實際地形特點，采用有限單元法獲得穩(wěn)定滲流場。根據(jù)變形體邊坡的巖體結(jié)構(gòu)特征及結(jié)構(gòu)面分布情況，模擬了3組主要裂隙。

通過有限單元法分析可得到如下結(jié)論：天然工況下，邊坡整體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但局部（深度小于15 m）點安全度偏低，特別是松動區(qū)，存在局部失穩(wěn)的可能性；邊坡上部有出現(xiàn)張拉裂縫的可能性，邊坡中下部（尤其是松動變形巖體和強風(fēng)化巖體）有出現(xiàn)局部崩塌、滑動的可能性，松動變形巖體和強風(fēng)化巖體是整個邊坡穩(wěn)定性較差的部位；蓄水、地震、庫水位驟降及暴雨等均對邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，蓄水后巖體屈服區(qū)最大水平深度約15 m；地震工況下，在高程850 m邊坡較大位移達170 mm；庫水位驟降時，驟降區(qū)域向坡外最大位移約18 mm。

4 邊坡監(jiān)測及運行分析

庫首拉裂變形體邊坡監(jiān)測采用內(nèi)、外觀并重的原則，監(jiān)測設(shè)施也采用分期分區(qū)、監(jiān)測超前的設(shè)計思路，運用外觀、內(nèi)觀等多種監(jiān)測手段分別對表層及深層的變形、應(yīng)力進行持續(xù)、全面監(jiān)測。

邊坡二期初步治理完成后，水庫連續(xù)3 a均蓄水至正常蓄水位，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，邊坡雖然局部變形仍在發(fā)展，但變形已趨緩，無異常變形的跡象，未出現(xiàn)滑移帶，錨索受力條件基本正常。表明庫首右岸拉裂變形邊坡正常蓄水位運行情況下基本穩(wěn)定，但需要重視邊坡監(jiān)測成果的反饋分析，為后期支護設(shè)計（二期剩余部分）優(yōu)化提供依據(jù)，以確保邊坡的長久安全穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

拉裂變形體作為一種復(fù)雜的邊坡變形現(xiàn)象，其勘察和設(shè)計相對比較復(fù)雜，瀑布溝水電站庫首右岸拉裂變形體采用分期分區(qū)動態(tài)治理的設(shè)計思路，既保證了邊坡的安全運行，也確保了蓄水發(fā)電的節(jié)點目標的實現(xiàn)，同時也節(jié)省了工程投資?？偨Y(jié)幾點經(jīng)驗供其它類似變形體邊坡的治理提供借鑒：

（1）邊坡治理在技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的條件下應(yīng)服從樞紐工程總體要求。

（2）邊坡治理是一個動態(tài)過程、邊坡安全監(jiān)測是動態(tài)設(shè)計的必備輸入條件，特別是復(fù)雜變形體邊坡，因其具有勘察和設(shè)計復(fù)雜、支護工程量較大，施工周期長的特點，結(jié)合監(jiān)測資料及施工過程中揭示的地質(zhì)條件進行動態(tài)及優(yōu)化設(shè)計是必要的。

（3）邊坡安全控制標準是影響工程安全和投資的重要設(shè)計參數(shù)。在選擇參數(shù)時應(yīng)充分分析評價各種影響因素，除了規(guī)范要求考慮的因素外，應(yīng)注重地質(zhì)條件的認識程度及其不確定性。從這點上講，有條件分期的，應(yīng)優(yōu)先考慮進行分期設(shè)計和治理。

（4）對于復(fù)雜變形體邊坡穩(wěn)定性分析，采用二維剛體極限平衡法定量分析，結(jié)合地質(zhì)判斷和三維強度折減法確定滑移模式的方法是比較實用的配套分析方法。

［1］宋勝武，馮學(xué)敏，向柏宇，等.西南水電高陡巖石邊坡工程關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30（1）：1-22.（SONG Sheng-wu，F(xiàn)ENG Xue-min，XIANG Bai-yu，et al.Research on Key Technologies for High and Steep Rock Slopes of Hydropower Engineering in South west China ［J］.Chinese Jour nal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30（1）：1-22.（in Chinese））

［2］張良建，盧丙清，徐佩華，等.基于GEO-Slope方法的危巖體邊坡穩(wěn)定性研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2010，6（增2）：1587-1590.（ZHANG Liang-jian，LU Bing-qing，XU Pei-hua，et al.Study on Stability of Dangerous Rock Slope Based on GEO-Slope Met hod［J］.Chinese Jour nal of Under ground Space and Engineering，2010，6（Sup.2）：1587-1590.（in Chinese））

［3］中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院.四川省大渡河瀑布溝水電站庫首右岸拉裂變形體治理設(shè)計專題報告［R］.成都：中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院，2011.（Power China Chengdu Engineering Corporation Limited.Special Report of Treat ment Design for Deforming and Cracking Slope Located on the Right Bank of Pubugou Reservoir Head on Dadu River in Sichuan Province［R］.Chengdu：Power China Chengdu Engineering Corporation Limited，2011.（in Chinese））

［4］武漢大學(xué)水利水電學(xué)院.瀑布溝水電站庫首右岸拉裂變形體穩(wěn)定性分析研究報告［R］.武漢：武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，2010.（School of Water Resources and Hydropower Engineering of Wuhan University.Stability Analysis f or Defor ming and Cracking Slope Located on the Right Bank of Pubugou Reservoir Head［R］.Wuhan：School of Water Resources and Hydropower Engineering of Wuhan University，2010.（in Chinese））