宝兴边坡稳定性评价及工程治理（论文新）

四川宝兴水电站左岸坝前高边坡地质评价及治理 四川宝兴水电站进水口边坡稳定性分析与治理 Stability analysis and reinforcement for intake slope of Baoxing hydropower station 张富荣 （中国水电顾问集团西北院工程地质勘察研究所 730050） 摘要：本文通过宝兴水电站进水口边坡稳定性分析和治理的成功经验，简单介绍了由破碎岩体构成的特殊岩质边坡稳定性分析和治理的方法和措施。该边坡由块状结构的破碎岩体组成，它的破坏既不属于顺层滑动，也不同于结构面组合滑动或反坡向倾倒、崩塌等，与滑坡的最大区别在于无统一的滑动面。对该边坡的稳定性分析，首先在进行工程地质分区的基础上，确定了潜在的滑移边界，采用ＧＥＯ－ＳＬＯＰＥ计算程序进行反演分析，最终确定最危险滑移面，根据岩体和结构面的特性选取参数进行计算。通过计算结果，确定了较为合理、可行、可靠的治理，取得了良好的效果。 关键词：边坡 稳定性分析 治理 Abstract: Through the successful experience on the Stability analysis and reinforcement for intake slope of Baoxing hydropower station ,This article simply introduced the method how to research on the Stability analysis and reinforcement of special rock slope constituted by cataclastic rock. This slope is neither belong to bedding slip, nor sliding by association of structural plane or overturn in counter-inclined structure , the biggest difference of landslide is the slope have not the uniform slip face . Stability analysis on this slope , The writer firstly defined the potential slip face, and use Geo-slope for inversion analysis, finally determine the most dangerous slip face, and choose parameters which based on the characters of rockmass and structural plane to calculate the stability. Rely on the result of calculation, obtained good effectiveness by the proper, feasible, credible reinforcement. Key words: slope Stability analysis reinforcement 1工程简介 宝兴水电站位于四川省雅安市宝兴县境内的宝兴河主源东河上，是该流域梯级开发中的第三级电站，主要由拦河闸坝、引水隧洞、调压井和地下厂房等组成。闸坝建在软基上，设计最大坝高28m，正常蓄水位1352m，引水隧洞沿左岸傍山布置，全长 18.1Km，设计最大水头345m，地下厂房装机4台，总装机容量195MW。电站进水口布置在左岸，S210改线公路从进水口顶部通过，进水口底板高程1332.5m，开挖坡比1：0.4，公路路面高程1356.8m，开挖坡比3：1（见图1），原始岸坡坡比1：1。在边坡开挖中发生塌方，且随着开挖面扩大，坍塌范围不断向上游及后缘扩大，形成了高达154m的边坡，坡体产生了明显的拉裂变形迹象，给公路和进水口的施工及运行带来了严重影响。 2边坡地质概况 坝址区河流总体流向为NW300°，在坝前转为SN向。边坡处于河流凹岸，平面上呈“簸箕”状（图2），上、下游各发育一条冲沟，前缘高程1390m为S210公路，后缘高程1510m为一5～6m的圈椅状破裂壁。边坡纵向坡度约50°，横向（顺河方向）呈锯齿状起伏。前期勘察表明，在1400m高程以上为第四系全新统坡积（Q4dl）碎石土零星覆盖，坡积层厚10～15m。1400m高程以下出露元古界澄江～晋宁期第四期花岗岩 （γ2(4)），基层呈块状构造，碎裂～镶嵌结构， 图1 设计边坡开挖图 完整性差。地表有深10～15m的强风 化层和10～23m的卸荷带。 由于地层古老，经历了多次构造运动，岩体中断裂构造发育。其中F2断层从左岸坝前通过，沿边坡下游侧冲沟展布，走向NE50°，倾向NW，倾角67°，与岸坡斜交，倾上游偏岸外，破碎带宽度1.5m，由角砾岩、糜棱岩及断层泥组成，上盘岩体破碎。发育的裂隙主要有四组（见表1），除第②组与边坡走向近平行外，其余均于边坡走向斜交，第①、②组是控制边坡稳定的主要结构面。 工程区属内陆亚热带气候，降雨频繁，尤其在6～9月份暴雨和特大暴雨较多，多年平均雨量984mm，最大日降雨可达123.5mm，由此引发的滑坡、崩塌、泥石流较为多见。 表1 表边坡裂隙分组表 走向分组 产 状 宽度（mm） 基本特征 连通率（%） 走向 倾向 倾角 ①NE～NEE 40°～75° NW 47～67° 5～20 岩屑、岩粉，局部夹泥，成组发育 80 ②NW～NWW 275°～320° NE 45°～75° 0.5～5 岩屑、岩粉、夹泥 50～60 ③NNW 330°～355° SW 40°～60° 3～5 岩屑、岩粉 30～40 ④NNE 0°～30° SE 60°～80° 0.3～3 岩屑、岩粉，局部夹泥 5～10 3．边坡工程地质分区及潜在滑移边界的确定 根据边坡的地形、物质结构、岩体完整性及潜在滑移体特征，划分了Ⅰ区 （极易滑动区）、Ⅱ区（易滑区）、Ⅲ区（相对稳定区）和Ⅳ区（稳定区）四个区（图2、图3）： （1）I区（极易滑动区）：位于上、下游冲沟间斜坡中部。表部为厚约3～4m的第四系坡积碎石土，下伏强风化、呈碎裂～散体结构的花岗岩，滑移变形迹象明显。 图2 边坡现状素描图 （2）Ⅱ区（易滑区）：后缘及 上游侧部分及Ⅰ区塌滑后的残留部分。后缘表层为坡积层碎石土厚度3～12m，下伏岩体较破碎。靠上游侧部分，表部岩体全风化，呈散体结构，间夹泥质。Ⅰ区残留，体岩体，呈碎裂状结构。后缘周边发育第①组：NE44～65°，倾NW，∠ 45～60°裂隙与②SN，倾W，∠50～65°组裂隙追踪剪切，形成了后缘的滑移控制面 。 （3）Ⅲ区（相对稳定区）：为冲沟及前缘中部一带，岩体为强～弱风化、 碎裂～镶嵌状结构， 发育F2、L2、L1等结构面，塌滑后 图2 边坡工程地质地质平面分区图 形成锯齿状地形。 （4）Ⅳ区（稳定区）：1390m 高程以下至坡脚。表层相对破碎部已塌落或已被挖除，残留部分完整性较好，呈镶嵌～块状结构。 4.边坡稳定性分析 4.1影响边坡稳定的主要因素及破坏机制 众多工程实践证明，引起边坡失稳的原因很多，但归纳起来无不与边坡本身所处的地形条件、地层岩性、地质构造、岩体结构等内在因素和水的活动、人工开挖、地震、爆破等外在因素有关。 根据野外地质调查和定性分析，该边坡产生失稳的主要原因是由于地形高陡、构造发育、岩体风化破碎，此外，更重要的原因是由于公路开挖，导致边坡临空加剧，坡脚产生应力集中，前缘沿破碎岩体发生剪切破坏而局部塌滑，同时，因地表植被遭开挖破坏，破碎岩体裸露地表，暴雨地表水直接入渗坡体，使岩体及结构面的力学性质降低，坡体自重应力增加，边坡上部岩体产生变形、拉裂。根据以上分析认为，其破坏机制属浅层蠕滑—拉裂变形破坏。 4.2边坡稳定性验算 4.2.1计算方法和边界条件确定 由于边坡岩体风化强烈，破碎严重，经过蠕滑拉裂破坏，坡体的整体性遭到进一步破坏，块体间基本上失去了咬合力，岩体的内聚力降低，其破坏模型近于松散边坡的破坏模式，因此，计算采用了国际上广泛应用的ＧＥＯ－ＳＬＯＰＥ边坡稳定计算程序。首先根据塌滑后边坡的现状，假定若干滑动圆弧并一一进行稳定性反演分析，最后自动搜寻最危险滑弧(即稳定安全系数最小)，求得最小的稳定安全系数，在以下三种条件下进行稳定性计算。 ①以反算所得滑弧为边界条件，以岩体的力学指标试验值为基础给出滑弧岩体参数进行稳定性计算； ②选择F2和第②组等不利结构面为边界条件，以结构面参数进行稳定性计算； ③根据地质分析确定的潜在滑移面为边界条件，岩体的综合参数适当折减后进行稳定性计算。 4.2.2计算剖面和参数选取 计算时选取通过已塌滑部分最长的2-2剖面和通过最高拉裂缝的3-3剖面为计算断面，选取以下参数进行计算。 岩体：c=0.15～0.20，f=0.50～0.55； F2：c=0.05～0.10，f=0.35～0.40； ②组结构面：c=0.10～0.15，f=0.40～0.45； 覆盖层（Q4）：＝20KN/m3，c=10KPa，f=0.35； 松动岩体：＝25KN/m3，c=100KPa，f=0.50； 4.2.3计算结果和稳定性评价 对已滑部分采用以上反演分析方法计算结果：最危险滑面前缘剪出口在1371m高程左右，后缘拉裂点在1450m高程左右，最小安全系数为0.975，将计算的拉裂点位置与现场情况对比，结果比较吻合，说明采用的程序和计算参数是合适的。对于未滑边坡按上述三种假定条件进行计算，结果如下表2。 表2 边坡稳定安全系数 计算条件 不同计算断面下的Kc值 2-2剖面 3-3剖面 ① 1.036 0.539 ② 0.843 0.907 ③ 2.367 1.43 由表中计算结果可知：在第①、第②种条件下求得的Kc值均较小，说明边坡在此种状态下处于不稳定状态，若考虑暴雨或其它因素的影响，随时有可能产生塌滑。而在第③种条件下，Kc值均稍大于1，说明边坡相对稳定，塌滑破坏的可能性较小。由于3-3断面覆盖层较厚、范围较大，人工开挖坡角以上坡面临空比较严重，表层植被被破坏，边坡的稳定性更差。 5 边坡治理措施 根据对边坡的稳定性分析，确定了治理方案，其治理原则是按不同部位、不同高程、不同的稳定状况采取相应措施（见图3）。 （1）削坡减载和周边排水：主要针对边坡上部Ⅰ区和表层的第四系覆盖层及强风化松散岩体，达到减轻整个边坡的荷重的目的。同时，为了保护整个边坡不受大的流水侵蚀，在周边设置了混凝土排水沟。 （2）系统锚杆和挂网喷护：主要针对Ⅱ区和Ⅰ区下伏相对较完整岩体，在1400m高程以上坡面，采用挂网喷护及系统锚杆加固，锚筋直径Φ25（二级钢筋），长3m，间排距2×2m，挂网钢筋为φ8（一级钢筋）间距20cm×20cm，喷混凝土8cm，并设φ80mm反滤排水管，深度不小于6m，上仰角不小于5°，间排距3m。局部破碎地段采用了自进式锚杆。 （3）混凝土框格梁和预应力锚索：主要针对1400m高程以下Ⅲ区，采用砼 框格梁，在结点处设100t级预应力锚索， 图3 边坡治理平面布置图 共14根，分上下两层布置，以增强边坡岩体的整体性和抗滑性能。 （4）坡脚挡墙和公路排水：为了防止前缘进一步坍塌，在坡脚设置高为3m的重力式浆砌块石挡墙，以保护坡脚。并在坡脚公路里侧设置混凝土排水沟，并与周边排水沟构成排水系统（图3、图4）。 6 治理后边坡的稳定分析 为了定量评价治理后的边坡稳定性，首先在清除表层松散体后，仍采用上述方法进行了计算，计算结果表明，边坡的稳定性有明显的提高，通过进一步的挂网喷锚加固后，边坡的稳定系数（表3）均满足计要求，且有较大的安全裕度，保证了边坡的永久稳定性。 通过一年来的监测资料和运行证 明，边坡的稳定性良好，变形量远远低 图4 处理后的边坡照片 于设计允许值，治理取得了良好的效果。 表3 清除覆盖层后边坡稳定安全系数 计算断面 2-2剖面 3-3剖面 ① 2.26 1.87 ② 2.12 2.03 ③ 2.747 2.276 结束语 (1)边坡稳定问题是水利水电工程中常见的工程地质问题，本文所探讨的是由于工程开挖形成的高边坡的稳定问题。该斜坡在开挖前是稳定的，随着开挖边坡的形成，前缘产生局部坍塌，由于未及时采取措施，使坍塌范围不断扩大，最终形成了154m的高边坡，给公路和电站的施工和运行造成了严重影响，不得不采取彻底的治理措施。 （2）通过地面地质调查和分析，首先依据地形地貌、地层岩性、地质构造及岩体结构等对边坡进行了工程地质分区，根据不同的分区确定了潜在的滑移面和地质参数，进行了反演分析和稳定性计算。计算结果较真实的反映了该边坡的现状，为边坡的治理提供了可知依据。 （3）根据定性和定量的分析，在不高程、不同部位分别采取了不同的处理措施，通过综合治理，达到了设计要求，取得了预期效果，为以后该类边坡的地质分析和治理提供了借鉴。 （4）采用ＧＥＯ－ＳＬＯＰＥ边坡稳定计算程序适用于土坡的稳定计算，本文中的边坡除表层为覆盖层，深部仍有部分岩体参加了计算，虽然岩体非常破碎，但与覆盖层相比，仍具有较高的强度参数，因此，计算所得的安全指标偏低，即边坡的安全裕度较大。另外，作为岩质边坡，不能排除弹塑性变形，因此，建议采用有限元等方法进行分析计算更为合适。 主要参考文献 张倬元《工程地质分析原理》，2005年1月地质出版社 杨健等《岩质边坡稳定分析—原理.方法.程序》，中国水利水电出版社2005年3月 《四川宝兴水电站可行性研究》，2003年4月中水顾问集团西北勘测设计研究院