锦屏水电站大奔流沟料场坡面稳定性研究及应用反馈

罗作仟　王祖军　张 钊

（葛洲坝集团第五工程有限公司，湖北　宜昌　443002）

摘 要：锦屏一级水电站大奔流沟料场边坡具有高度大、坡度陡、卸荷速度快等特点，且岩体结构为顺层砂岩，导致边坡在初始开挖支护设计方案下容易失稳。通过采用FLAC3D建立有限差分数值分析模型，运用强度折减法确定边坡的安全系数，分析边坡在开挖和支护过程中边坡的稳定性，并动态反馈调整开挖支护设计方案并运用到料场开挖支护中，使边坡的稳定性在开挖过程中得以保证。通过后期的实测资料表明，采用这种方法可以有效地保证边坡的稳定和料场的正常开挖。

关键词：锦屏一级　料场边坡　有限差分数值分析　稳定分析　反馈设计

1 引言

锦屏一级电站大奔流沟料场位于坝址左岸下游9km的雅砻江左岸临江岸坡，距上游锦屏二级电站闸坝0.3～1km。坡脚河床高程1620m，坡顶最大高程2400m，最大坡高780m。原设计边坡开口线最大高程为2095m，下限开挖最低高程为1670m，最大坡高425m。该段边坡走向自南向北为NE21°～N～NW334°，倾向SE～NE，倾角55°～65°，局部为直立状陡崖。坡脚河床地面高程1620m，坡顶最大高程2414m，最大坡高780余米。

由于料场处于典型的深切“V”形峡谷，具有坡体高陡、地址边界复杂、施工条件艰难的显著特征［1］，导致其边坡坡度较陡，边坡高度达到400余米。坡体中存在错动带，部分区域卸荷速度较快，且由于大坝浇筑速度快，对骨料的需求量较大，使得开挖速度加快，给边坡的支护时机和方式带来一定的困难，对整个料场边坡的稳定也是极大的威胁。

2 边坡稳定性分析

根据开挖边坡的变形成因以及破坏模式分析，结合前期的地质勘测资料和初始的设计方案，通过采用FLAC3D程序建立弹塑性数值分析模型进行稳定性分析，采用有限差分强度折减法确定边坡稳定的安全系数，在不同的工况下计算得到以下几个方面的结果。

2.1 边坡变形成因及破坏模式分析

大奔流沟料场自然边坡基本稳定，在开挖的过程中，由于边坡的岩层倾角变大，导致拉应力与剪应力都相应地增大。并且边坡是由顺层砂岩构成，加剧了岩层错动面之间的剪切破坏，产生边坡滑移，导致最终的变形。而在边坡开挖过程中，由于深层支护不及时，容易引起坡脚局部应力集中，使得抗剪强度降低，导致边坡滑动变形失稳［4］。而在坡体中同时存在着层状结构的薄～中厚层砂板岩，在开挖坡面直接出露最大高度60余米，像这种层状岩体相对数十数百米坡高来讲可视为薄板，在临空状态下易产生溃屈变形。

2.2 稳定性计算成果

在通过FLAC3D软件对料场建立弹塑性数值分析模型，采用强度折减法来确定边坡达到极限平衡状态时的滑动面位置，为现场应力应变监测确定监测位置，从而得到以下相关方面的计算分析成果。

2.2.1 整体位移

边坡岩体变形形态：高边坡岩体随开挖下行，各级马道均以卸荷回弹变形为主，边坡浅部受到错动带卸荷回弹错动影响，变形形态向上且偏向山体内部，其中以竖向变形为主，水平方向位移较小；边坡深部岩体均以向坡外变形为主，水平位移不大。每一级马道坡面水平方向位移随上部开挖层逐步向山体内部变形，当开挖至本层时位移达到最大值，之后随下部开挖而产生向坡体外侧的增量，但总量仍表现为向坡内的变形。边坡坡面竖向位移随开挖始终呈向上增大的趋势。

边坡变形较大的部位主要出现在薄层砂板岩，位于高程1910～1955m、高程1805～1895m；最大变形152.4mm，位于高程1835m平台。高程1880～1835m以下各平台变形呈递减特征；高程1880m以上除了高程1955m平台位移较大外，其余平台变形均小于高程1880m以下各平台变形。见表1。

表1 边坡各马道位移 (全部开挖完成)

续表

在薄层砂板岩部位的马道位移随开挖呈持续增长趋势。高程1835m以下马道也随开挖呈持续增长。边坡高程2000～2105m变形主要发生在本层及上部开挖期间，在开挖高程2000m以下部位时，这几层位移无明显变化，主要是由于这几层位于中至厚层变质石英细砂岩中。

边坡在开挖至1910m时，由于薄层砂板岩在边坡出露，在1910m马道之上几级马道变形较大，最大变形出现在高程1955m，量值为82.37mm，变形形态与上述开挖完成后特征类似。见表2。

表2 边坡各马道位移 (开挖至高程1910m)

2.2.2 应力计算成果

①边坡全部开挖完成后，边坡表面卸荷松弛，松弛范围大致沿着岩层层面和错动带呈折面形分布，层面和错动带消耗了大量卸荷释放的能量，一般松弛深度20～30mm；边坡开挖后，在坡脚部位存在压应力集中，约为6～8MPa。

②边坡内有小范围拉应力区，拉应力最大0.4MPa，出现在高程EL1700m马道。

③边坡岩体塑性区随开挖逐渐增加，在开挖坡面主要分布在各级马道特别是在坡表出露部位，在边坡内部主要位于中下部；边坡内部塑性破坏程度较大部位主要分布在错动带内部以及中下部～中。

2.2.3 锚索及锚杆应力

锚索应力相对设计值增长不多。锚索应力最大值为1224MPa，最小值为1175MPa，平均值为1199MPa。各高程锚索受力见表3。

表3 锚索应力统计表

续表

锚杆应力普遍不大。大部分小于100MPa，占93.3%，100－200MPa的占6.7%。见图1。

图1 锚杆应力分布图

2.3 稳定性分析结论

通过对锦屏一级水电站大奔流沟料场边坡已有的地质条件、监测资料进行分析，建立弹塑性数值分析模型，结合边坡现状进行岩体力学参数反演分析，获得较为合理的力学参数。在此基础上，分析边坡开挖后的变形与稳定性，从而得到以下结论：

①边坡的整体稳定性主要受控于层间错动带和岩层层面的抗剪强度以及边坡的开挖高度。当边坡内层间错动带和层面的强度参数降低或层状边坡岩层的高度增大时，将导致边坡安全系数的降低。总体上，边坡潜在的失稳模式为溃屈破坏，上部岩体沿着层间错动带和岩层层面向下滑移错动，挤压中下部薄层砂板岩和中厚层砂岩产生压剪屈服，层面张开脱空，岩层弯曲变形、向坡外鼓出，坡脚形成剪应力集中带，先出现溃屈而后沿下部剪出。

②随着边坡由上至下分层开挖，陡立层状岩体侧向约束的不断解除，开挖边坡高度逐渐增大，作用于坡脚部位上覆岩体的自重不断增加，边坡的整体稳定性将不断降低，安全系数逐渐减小。(www.xing528.com)

③边坡开挖浅部受到错动带卸荷回弹影响向坡内变形，而深部变形向坡外；随着边坡分层开挖，坡内错动带和岩层层面有错动变形，上盘发生错动。开挖全部完成后边坡坡脚部位存在压应力集中，约6～8MPa；边坡内塑性区主要分布在边坡表面各级马道、错动带内部以及中下部岩体中，因此特别注意每级开挖边坡坡脚的保护欲加强支护，对薄层砂板岩在边坡出露的马道应及时进行支护，充分利用预应力锚索对岩体施加部分围压。

3 边坡加固工程反馈设计

3.1 反馈设计

由于边坡的顺层结构面与陡倾错动带和岩层层面的组合极易产生沿坡外的滑移，倾向坡内的结构面发育将大大降低岩体的完整性，减小岩体的抗弯、抗折性能，使得岩体出现溃屈破坏的可能性加大。因此，随着边坡分层开挖，应根据边坡地质条件的变化，及时有效地开展边坡动态反馈分析，进行动态设计。

在料场开挖的过程中，针对边坡的稳定性，按照“保证整体稳定，控制局部变形，顾全潜在失稳区域”的开挖支护设计理念［3］。根据开挖过程中显示的地质信息和其他不确定性因素，采用FLAC3D建立的有限差分数值分析模型，运用强度折减法计算料场边坡的安全系数，确定整个料场边坡的稳定性。如果满足料场边坡稳定性的要求，则继续进行相应地开挖和支护；反之，则采用强度折减的方法求解边坡达到极限平衡状态时的滑动面位置［1］，并相应地调整设计方案，更改支护时机和支护方式。

3.2 反馈设计成果

3.2.1 边坡开挖设计

根据料场地形地质情况，将料场布置成“L”形，设计开采底高程1700m，备料开采层底高程1670m，相邻两级马道高差为15m。料场上下游端部分别分布有大奔流沟和3#冲沟，为强卸荷带，稳定性条件差。因此，根据边坡稳定性分析结果将边坡坡比调整为1∶0.35，大部分马道宽为2～3m；同时将高程2105m和2090m两级马道加宽至4m；将高程1910m和1805m马道加宽至6m。

在料场边坡上游侧开口线50m范围内，将坡面走向调整为与正面坡一致，单级开挖坡比1∶0.5，马道宽度10m，降至1835m后与天然坡面衔接，不再继续下挖，以降低坡高；下游侧开口线50m范围内，单级开挖坡比1∶0.5，与正面坡1∶0.3的坡面间设置长30m的过渡段，马道宽度与正面坡一致。设计边坡坡顶高程2183m，底高程1670m，最大坡高513m，开挖后的成型边坡整体坡度为1∶0.514。

根据分级支护边坡稳定性的计算成果，在边坡开口线附近由于岩体相对较破碎、卸荷裂隙发育，应每开挖一级台阶后及时支护；高程2030m以下，当坡面岩体质量等级为Ⅲ1级或以上级别时，最迟在开挖2级台阶 （坡高30m） 后必须进行边坡支护和锚固工程施工；当坡面岩体质量等级为Ⅲ2级或以下级别时，最迟在开挖1级台阶 （坡高15m） 后必须进行边坡支护和锚固工程施工；如遇到地质缺陷等影响开挖时，应待支护完成后才能下挖。

3.2.2 边坡支护设计

根据边坡的稳定性分析结果知道，当边坡开挖至高程1910m时，上面的几级马道变形均比较大，在高程1955m时达到最大值82.37mm。而当边坡开挖完成后，在坡脚处出现压应力集中，约为6～8MPa，且存在小范围的拉应力区，最大值可达0.4MPa。因此将边坡支护设计调整如下：

①开挖坡面喷10cm厚C20混凝土并布置系统锚杆，高程2183～2045m边坡，每级边坡布置3排φ32长锚杆和1排φ25锚杆，在高程2105m、2090m、2075m、2060m和2045m五层马道各布置1排200t锚索，共5排，每排锚索间距为6m，锚索按长40m和60m两种长度交替布置，锚索孔方向与水平呈下倾10°角，外锚墩设置于马道上。

②高程2045～1925m边坡，每级边坡布置1排φ32长锚杆和3排φ25锚杆，高程2030m马道锚索间距6m，40m/200t和40m/100t两类锚索交替布置，高程2015～1925m马道锚索间距6m，30m/100t和40m/100t两类锚索交替布置；高程1910m马道锚索间距6m，40m/200t和60m/200t两类锚索交替布置，锚索孔方向与水平呈10°角。

③高程1925～1880m和1805～1700m边坡，每级边坡布置3排φ32长锚杆和1排φ25锚杆；高程1880～1805m边坡，每级边坡布置4排φ32长锚杆。每一级边坡 （高15m）均布设3排锚索，最上一排锚索布置于上一级马道外边线下1.5m处，30m/100t和40m/100t两类锚索交替布置，间距6m。以下两排锚索排距6m。

对卸荷风化带坡面和地表以下30～45m范围内的边坡及断层和破碎构造带附近采用挂钢筋网喷混凝土处理；对微新岩体边坡采用喷混凝土和随机锚杆加固，对于局部小规模的楔形体破坏，采取随机锚杆 （φ32@3.0m×3.0m，L=9.0m，梅花形布置） 结合预应力锚索 （30m/100t和40m/200t） 及时进行支护。

4 监测成果反馈

根据实测资料表明，大部分测得的位移和应力数据均在正常范围之内，边坡渐趋稳定。

大部分锚杆应力计的最大应力均在15～25MPa之间，应力测值相对较小；锚索测力计都不同程度地出现了应力增加的情况，2000KN级预应力锚索中，应力增加最大值84KN，增加比例4.23%，1000KN级预应力锚索中，应力增加最大值为37.34KN，增加比例为3.55%，其他锚索测力计应力增加比例多在2%以下；而从多点位移计的测值来看，位移量较小，孔口最大累计位移多在1mm左右；通过表面变形监测显示，水平位移中所有测点呈山体方向变形，累计最大变形值为13.9mm，垂直位移中极少数测点呈垂直上抬现象，其他测点均呈垂直下降现象，其中累计最大变形值为7.3mm。

因此，除部分客观因素之外，通过这些监测数据表明，料场边坡整体的变形较小，边坡十分稳定。

5 结论

通过运用FLAC3D程序建立弹塑性模型，采用强度折减法对边坡进行稳定性分析之后，将分析结果反馈运用于支护设计之中，通过监测资料的反馈可以得到以下结论：

①通过监测结果显示，边坡的位移和应力均在规定范围之内，同时也证明了运用FLAC3D建立有限差分弹塑性数值分析模型，采用强度折减法确定边坡的安全系数可以有效地解决边坡稳定性分析的问题，并且可以根据分析结果反馈得出新的设计方案。

②根据岩层位移和应力应变的趋势可知，顺层砂岩边坡的失稳模式为溃屈破坏，上部岩体沿着层间错动带和岩层层面向下滑移错动，挤压中下部薄层砂板岩和中厚层砂岩产生剪切屈服，层面张开脱空，岩层弯曲变形、向坡外鼓出，坡脚形成剪应变集中带，先出现溃屈而后沿下部剪出。

参考文献：

［1］赵克烈. 岩质高边坡施工期监测及其稳定性研究［D］. 武汉理工大学，2006.

［2］宋胜武，向柏宇，杨静熙，冯学敏. 锦屏一级水电站复杂地质条件下坝肩高陡边坡稳定性分析及其加固设计［J］. 岩石力学与工程学报，2010，（03）：442-458.

［3］赵建军，唐茂颖，巨能攀，霍宇翔，黄润秋. 高陡岩质料场边坡稳定性与支护设计研究［J］. 工程地质学报，2010，（04）：507-515.

［4］魏俊奇，王礼珍，王丽. 顺层岩质边坡稳定性分析与应力监测研究［J］. 水利与建筑工程学报，2011，（06）：44-47，72.

◎作者简介：

罗作仟，男，高级工程师，葛洲坝五公司锦屏砂石项目部总工程师。

王祖军，男，高级工程师，葛洲坝五公司砂石科学研究所副所长。

张 钊，男，三峡大学硕士研究生在读。