龙滩水电站工程进水口边坡人工开挖反馈分析

一、工程简况

龙滩水电站是红水河梯级开发中规模最大的水力发电工程，坝址距广西天峨县城15km，以发电为主，兼有防洪、航运、水产养殖等综合利用效益。水电站枢纽主体建筑物包括碾压混凝土重力坝、左岸地下厂房和右岸通航建筑物等。前期建设时，正常蓄水位375.00m，最大坝高192m，电站装机7台，单机容量600MW，总装机容量4200MW，年发电量156.7亿k W·h。

龙滩水电站左岸进水口布置受地形条件限制，紧靠一已发生弯曲倾倒变形的自然边坡，倾倒变形的垂直深度约为30～76m，体积约为1288万m3。进水口开挖后，形成长约400m、最大组合坡高达420m、坡面面积18万m2的反倾向层状结构岩质高边坡。同时，进水口坝段紧靠坡脚，大坝与岩体相互关系密切，岩体变形程度直接影响进水口结构物的正常运行。

共研究了3个控制性断面（图1-12-18）：1—1断面、2—2断面和9号机断面（9—9断面）。本节以9号机断面为例进行介绍。

图1-12-18　龙滩水电站左岸进水口平面图

二、分析条件

1.地形地质条件

9号机断面的地质情况如图1-12-19所示。该断面岩体较完整，材料可分为残积层、全风化层、强风化层、弱风化层、微风化层及新鲜岩体等。考虑的断层主要有F1、F12、F5、F28、F32等5条。层面间距根据风化层不同分别考虑。此外，还考虑了高程325.00m处的缓倾角节理。

图1-12-19　9号机地质构造断面图（单位：m）

2.初始应力场

按自重应力场计算。

3.开挖过程与支护措施

图1-12-20　开挖与支护过程示意图

根据设计单位提供的有关施工资料，开挖与支护按图1-12-20及表1-12-7考虑，共分12步开挖。

表1-12-7　9号机断面边坡支护措施

4.有限单元网格

根据9号机断面的地质构造特点、风化层情况及施工开挖与支护过程，该断面共划分为5068个单元、5148个结点，其中超前锚杆单元156个，系统锚杆单元1190个，如图1-12-21所示。

三、主要结果与结论

（一）参数反演

参数反演结果如表1-12-8和表1-12-9所示。由于该工程观测资料不足，尚不具备完全反演的条件，因此，反演过程中流变系数均取为γ=1（弹塑性问题）。

（二）追踪预报

1.位移

该断面共计算14步，其中STEP0为初始自重工况，STEP13为边坡全部开挖完成后仅施加最后一批锚杆和锚索。

图1-12-21　有限单元网格

表1-12-8　9号机断面的岩体力学参数

* 表示该参数采用设计值，未参与反演。

表1-12-9　9号机断面的结构面力学参数

* 表示该参数采用设计值，未参与反演。

代表性开挖步的位移增量矢量图和累计位移矢量图如图1-12-22和图1-12-23所示。计算位移和实测位移对比结果见表1-12-10，边坡各特征点的最终变形预测值见表1-12-11，位移方向约定为：u X正向指向山体内部，u Z正向向上。

图1-12-22　位移增量矢量图（STEP11）

图1-12-23　累计位移矢量图（STEP13）

表1-12-1　0 9号机断面各开挖步主要特征点位移值统计表

续表

位移的基本规律是：(www.xing528.com)

（1）总体来看，水平位移预报值与实测值在规律和量级上基本吻合。竖向位移没有实测值，暂不能进行对比。

（2）从第1开挖步到第6开挖步，开挖坡面上位移增量均表现为回弹，位移方向指向山体且向上，但量级不大，最大合成位移增量为5.25mm，水平向最大位移增量为1.6mm，铅直向最大位移增量为5.0mm；第7步开始，坡脚位移增量开始表现为向外偏转，随着边坡下切，位移增量矢量方向向外且向下的趋势愈加明显，并且量级也逐渐增大。

（3）计算累计位移从第1开挖步到第9开挖步均表现为指向坡内且向上，到第9开挖步时，开挖坡面上最大合成位移19.61mm，水平向最大位移为6.5mm，铅直向最大位移为18.5mm。从第10开挖步开始，坡脚处位移矢量开始向外偏转；从第11开挖步到第13开挖步，开挖坡面累计位移矢量主要表现为指向坡外且向下；第13开挖步时坡面上累计合成位移最大值为50.70mm，水平向最大位移为-50.5mm，铅直向最大位移为-4.5mm，且在高程305～440m范围内，边坡位移较大，高程440m以上边坡位移较小，水平向累计位移均在20mm以内，铅直向累计位移均在10mm以内。

（4）边坡水平向累计位移值大于20mm的最大深度约为40m，发生在高程382m处；在高程305～425m范围内，累计位移大于20mm的平均深度约为25.0m左右。均小于预应力锚索的锚固深度。

（5）断层和层面上下盘位移错动明显，规律性较好，边坡具有明显的层状岩体弯曲倾倒变形特点。断层和层面相邻岩体的相对变形规律是下部岩体位移大于上部岩体位移。

2.锚杆应力

2002年11月19日，锚杆应力的预报值与实测值对比见表1-12-12。

表1-12-11　相对初始状态下的特征点最终变形预测值

表1-12-12　开挖至高程365m时部分超前锚杆应力的预报值与实测值

锚杆应力的基本规律是：

（1）近水平向锚杆主要受拉，垂直向锚杆主要受压。

（2）随着开挖的进行，远离开挖面的锚杆应力逐渐稳定或变化幅度不大。边坡开挖对相近坡面的锚杆应力影响显著，对远离开挖面的边坡锚杆应力影响较小。

（3）边坡内锚杆应力预报值与实测值的量级大体吻合。

（4）锚杆最大拉应力约为20MPa，小于钢筋的屈服极限。

3.边坡应力

图1-12-24～图1-12-27为开挖完成后的应力矢量、主应力等值线和屈服区。

图1-12-24　应力矢量图（STEP12）

图1-12-25　第一主应力等值线图（STEP12）

应力的基本规律是：

（1）边坡在开挖到高程382m以后，坡脚的应力集中现象已非常明显。在开挖高程305～325m之间的坡段时，高程305m的坡脚处第一主应力为-6.50MPa，是初始应力的2.17倍；第二主应力为-1.75MPa，是初始应力的1.35倍。

（2）位于断层附近区域应力集中现象明显，其中以F12最为显著，该断层面上最大法向应力约为-2.870MPa，相应的剪应力约为0.746MPa。断层有错动，且上下盘存在明显的应力差，上盘应力小于下盘应力。

（3）当边坡开挖至高程325.0m时，高程325.0～406.5m坡段及高程480.0m处坡面浅部出现拉应力，拉应力区最大深度约为12.0m，量值由表及里逐渐减小。最大拉应力约为0.25MPa，小于弱风化岩石的平均抗拉强度0.8MPa。

图1-12-26　第二主应力等值线图（STEP12）

图1-12-27　层面与断层的屈服区（STEP12）

（4）当开挖至高程325m时，高程382m以下边坡的层面和断层开始屈服，且范围逐步扩大，甚至贯通，此时该边坡段有局部失稳的危险。

4.总体评价

龙滩水电站左岸进水口边坡岩体为典型的反倾向层状结构，其变形机理与三峡工程永久船闸边坡的块状结构岩体有较大的区别。由于施工期安全监测系统尚不完备，因此研究过程中工程判断更为重要，例如，如何把相邻断面的实测值移植到研究断面的问题，需要研究者与设计者、建设者进行细致地讨论。此外，问题的简化也需要根据现场情况决定，例如，由于在现阶段不具备流动参数γ的反演条件，因此应该先关注边坡稳定问题，把力学模型从弹粘塑性退化为弹塑性，等条件具备时再研究与粘塑性有关的时效变形问题。

研究结果表明：

（1）边坡上特征点的位移预报值与实测值较为吻合，锚杆应力计实测值与预报值在量级上基本一致。

（2）边坡开挖过程中，岩块未出现大范围屈服，屈服主要在层面和断层中出现，说明该边坡中的层面和断层对边坡的变形与稳定性起主要控制作用。

（3）断层及层面错动现象显著，其相对位移规律是下部块体向外向下，上部块体向里向下，符合层状岩体的实际变形规律。

（4）边坡开挖的累计位移以水平向外为主，在高程305～382m范围内，边坡位移最大，为50.70mm。

（5）边坡在开挖到高程325m时，高程382m以下边坡的层面和断层开始屈服，且范围逐步扩大，甚至贯通，该边坡段具有局部失稳的危险。

研究结果还表明，对高程305～382m之间坡段应特别予以重视，具体建议如下：

（1）增加锚索数量及其长度，增加超前锚杆数量、强度或深度等。

（2）对于预应力锚索宜采用小吨位、密间距形式。

（3）特别注意对高程382m以下部分边坡的监控，严格控制施工质量和进度。

（4）爆破作业必须按照现行国家有关规范及设计要求进行，以免引起对边坡稳定不利的扰动。

上述认识和建议已被设计部门接受并采用。