小湾水电站工程拱坝坝肩开挖稳定性分析

一、坝肩开挖稳定条件

影响坝基开挖边坡的主要结构面是近SN向的缓倾节理、近SN向的陡倾结构面（如近SN陡倾节理、蚀变带等）和近EW向的陡倾结构面（如Ⅲ级断层F3、F11等）。它们相互切割、组合，构成不利块体。

左岸坝基上游侧开挖边坡呈弧形，开挖深度在高程1170.00m以上地段为37～55m，以下地段为95～112m。在建基面高程1010.00～1140.00m范围内，边坡开挖将触及饮水沟堆积体。根据开挖体形和地形地质条件，边坡可能失稳的主要边界条件和结构面组合形式如下：

（1）向基坑内的倾倒破坏。

（2）沿顺坡中缓倾角结构面向基坑和河床方向的平面型滑移破坏。

（3）坝前河边陡坡的崩塌和坡顶的浅层平面型失稳。

二、分析条件

1.计算范围

坐标原点取为大地坐标系的（13000，36000，0），东西方向坐标值从-400m到1200m，南北方向坐标值从200m到1200m，底部边界的高程为700.00m，顶部直到两岸边界的坡顶，高程约为1600.00m。X轴指向正东，Y轴指向正北，Z轴垂直向上。图1-11-9所示是计算模型内的主要结构面及开挖面平面图。

图1-11-9　计算模型的结构面及开挖面平面图

2.开挖模拟

开挖过程大致按20m一个台阶模拟，共划分成28个开挖步，开挖后形成的高程线如图1-11-10所示。

图1-11-10　边坡开挖后的表面等高线

3.锚固布设

图1-11-11和表1-11-4～表1-11-6所示的是最终加固布置方案。按该布置方案，系统锚杆共6万多根，预应力锚索共8000多根。在每一步开挖完成后，该开挖表面施加锚杆支护，而上一步开挖的表面则施加预应力锚索。

图1-11-11　最终方案加固布设示意图

表1-11-4　最终方案加固分区

表1-11-5　最终方案预应力锚索参数

表1-11-6　最终方案系统锚杆参数

其中，预应力锚索和系统锚杆的方位都按垂直于坡面下倾15°考虑。

4.有限单元网格

三维有限单元网格如图1-11-12所示，共剖分为32533个结点，29638个单元。模拟了不同类型的岩层和影响开挖边坡稳定的主要断层与蚀变带，并采用本篇第三章介绍的模型模拟了岩体中比较发育的3组节理面。

5.力学参数（略）

6.渗流场与地应力场

渗流场采用本篇第一章第四节介绍的有限单元法计算。

图1-11-12　小湾开挖边坡有限单元网格轴测图(www.xing528.com)

初始地应力场采用本章第二节的分析成果，通过本篇第六章第四节介绍的方法转换到计算网格的高斯点上。

三、主要成果及结论

首先对不加固方案进行了分析。在第13步开挖到高程1245m时发现弹粘塑性迭代不收敛，得不到计算结果，说明如果不采取加固措施，边坡在开挖过程中是不稳定的。

根据最终加固布置方案的计算结果，整理了每个开挖阶段的位移、应力、点安全系数、屈服区等成果。图1-11-13～图1-11-15是典型的输出图形。

图1-11-13　开挖面屈服区分布

图1-11-14　高程1170.00m位移矢量图

图1-11-15　高程1170.00m应力矢量图

1.位移

坝基部位四周向开挖面变形，上游侧的变形值一般比下游侧大，例如，在高程1190.00m，左岸坝基上游侧为2.8cm，下游侧为1.6cm，方向都指向基坑内部；右岸坝基由于受到电站进水口开挖的影响，在较高部位位移基本都指向上游，例如，在高程1190.00m，上游侧达到1.8cm，下游侧达到3.5cm，都基本指向上游。右岸电站进水口部位的变形为垂直于开挖表面并偏向上游，在高程1190.00m，位移达到8.6cm。右岸缆机平台所在的凹陷部位，由于受到上下游山体变形的影响，在深层为向山里变形，在表层则有被挤出的趋势。下游两岸水垫塘的开挖为表面卸荷，位移指向河床，但左岸的位移比右岸大，在高程1050.00m局部区域的位移达到9.8cm。

2.应力

在开挖表面，岩体卸荷后东西向的主应力迅速减小，而南北向的主应力减小较慢。岩体的卸荷深度可达到100m，凸出部位卸荷深，凹陷部位卸荷浅。在电站进水口上游侧的区域，应力水平较高。

3.点安全系数

从山体内部到开挖表面，安全系数逐步降低，断层附近区域的点安全系数比四周略低。接近坡面范围内的点安全系数一般在1.2～1.8之间。总体来看，加固后边坡的点安全系数基本能够达到要求。

4.屈服区分布范围

主要的屈服区域为：坝基左岸上游高程1070.00m附近凸出部位；左岸下游水垫塘高程1050.00m附近局部区域；右岸下游水垫塘高程1050.00m附近局部区域；右岸电站进水口上部高程1170.00m附近区域；右岸电站进水口与F7断层相交的凹陷部位。

下游坡面在开挖范围以外的局部区域也有屈服现象，说明在天然情况下边坡的稳定情况就比较差。下游两岸水垫塘开挖后大部分坡面还处于强风化层，力学参数比较低，因此有部分屈服区，但右岸的稳定情况好于左岸。

高程1070.00m附近左岸坝基的上游侧，受到坝基深挖的影响，呈凸出形状，岩体卸荷比较严重，上游又受到F7大断层的切割，故相对比较危险。此外，在右岸坝基和电站进水口之间的凸出部位、电站进水口的部分表面区域、电站进水口上游侧到缆机平台的山谷部位等，都存在局部失稳的可能性。

断层的屈服比较普遍，但由于多为垂直断层，且在天然情况下即已达到屈服，因此对边坡稳定基本没有影响。

5.爆破松弛影响评估

假定爆破松动与卸荷对岩体力学参数的影响可采取对弹性模量E和强度指标c、φ进行折减加以考虑，其中松动圈折减到60%，卸荷带折减到80%。

计算分析表明：与参数折减前的计算结果相比，位移和应力的分布规律基本一致，但在量值上有一些变化。屈服区范围比折减前增大3%，主要表现在：下游水垫塘由于参数进一步降低，导致屈服区增大；右岸电站进水口开挖面表层屈服单元增多。在位移方面，考虑爆破松弛后，左岸横河向位移最大增幅为41%，右岸横河向位移最大增幅为42%。尽管有限单元计算仍收敛，但边坡的局部稳定问题将更为突出。

6.总体评价与建议

（1）坝肩开挖边坡总体是稳定的，锚固措施基本得当，能够保证边坡开挖顺利进行。

（2）由于天然情况下大部分坡面的点安全系数值并不高，因此开挖和加固应严格按照自上而下的顺序进行。

（3）对表层由于爆破引起的过于松动的岩石，以及位于强风化带的参数值太低的岩石部位应尽量予以清除。

（4）开挖表面应平整连接，避免陡坎和形成孤立凸出的山体。凹陷部位的整体稳定性好，但表层由于应力集中的缘故，容易发生松散剥离现象。

（5）锚杆和锚索应及时施加，防止岩体发生过大的变形，避免因岩体严重卸荷引起强度参数降低过多。

（6）电站进水口部位的支护应加强，同时加强施工期间的观测，出现情况及时处理。在此部位可考虑增加少量低吨位锚索。开挖时拟保留岩柱的应力情况较复杂，须小心施工。

（7）开挖引起的渗流场改变对边坡稳定的影响不大，但需注意在施工期间采取良好的排水措施，避免暴雨时渗流场突变。