瀑布沟水电站库首右岸拉裂变形体分区分期动态治理研究

冉从勇，何 兰，余学明，叶发明

（中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072）

1 工程及地质概况

瀑布沟水电站为砾石土心墙堆石坝，左岸布置有引水发电建筑物及左岸岸边开敞式溢洪道、左岸深孔无压泄洪洞，右岸布置有放空洞及右岸尼日河引水隧洞。电站装机总容量3 600 MW，保证出力916 MW，多年平均年发电量147.9亿k W·h。最大坝高186 m，水库正常蓄水位850.00 m，死水位790.00 m，总库容53.37亿 m3，为不完全年调节水库。

库首右岸拉裂变形体位于拦河坝右岸坝轴线上游约780 m左右。拉裂变形体的前缘高程为730 m，后缘高程为1 187 m，前后缘平面长约400 m，宽约360 m，高差达450 m，两侧有深10～35 m冲沟切割；自然谷坡大致走向为近SN向，谷坡总体呈折线状，地形下陡上缓，地貌呈槽脊相间。谷坡坡度在980 m高程以下近50°，980 m高程以上近40°。拉裂变形体全貌及地质分区见图1。Ⅰ区主要由崩坡积体组成；Ⅱ区以槽脊为界，槽脊相间的山脊部分有明显的变形松动且分布不均匀。拉裂变形带大致以强卸荷为界，其松动带岩体以碎裂结构为主，破坏形式以槽脊后退式塌滑为主。边坡可能的失稳方式主要是浅表部的牵引式滑塌及其破坏后引起的Ⅰ区坡体的滑动破坏，其破坏失稳会恶化中部拉裂变形带的稳定条件。

图1 库首右岸拉裂变形体Fig.1 Defor ming and cracking slope on the right bank of reservoir

库首右岸拉裂变形体距大坝非常近、方量较大、位置较高，故其破坏方式、稳定状况、发展趋势等直接影响电站运营期间地下厂房取水口和大坝的安全。

2003年，拉裂变形体后缘出现雁列的拉裂缝，同时侧缘和前缘有不同程度的变形破裂迹象；高程980 m以下沟槽表部松散体塌滑。

拉裂变形体一期治理于2009年9月份完成，二期初步治理于2011年3月份完成。目前边坡仍在进行安全监测，以确定后续支护方案。

2 分区分期动态治理方案研究

2.1 分期分区治理的必要性分析

2.1.1 瀑布沟分期蓄水要求进行分期治理

瀑布沟水电站分期蓄水要求：①2009年10月导流洞下闸进行一期蓄水，2009年12月份初蓄至发电死水位790 m高程以满足第一台机组发电要求；②2010年5月份开始二期蓄水，从水位高程790 m蓄至850 m。

由于库首右岸拉裂体地形陡峻、地质条件复杂、施工布置受限、施工难度大，加之治理工程量大，拉裂体整体治理不能在蓄水前全部完成，这就要求必须对边坡进行分区分期治理，首先要保证瀑布沟一期蓄水要求；再保证瀑布沟二期蓄水要求。

2.1.2 变形体治理的复杂性要求进行动态设计

库首右岸拉裂变形体地质条件复杂、治理方案及措施难以一步到位，需在边坡变形监测及针对性补充勘探的基础上进一步复核边坡运行状况，以使边坡处理设计更加符合实际情况，做到有的放矢。因此拉裂变形体需要进行分期分区动态治理设计。

2.2 分区分期治理的条件分析

2.2.1 分区治理的地形分析

拉裂变形体平面范围广、高差大，地形总体上为下陡上缓、槽脊（沟梁）相间，具备分区治理有利条件。

2.2.2 分期治理的工期分析

瀑布沟初期及二期蓄水要求：2009年9月份完成高程850 m以下边坡一期治理，2011年3月完成高程855 m以下的补充支护和高程855～980 m范围内的二期初步治理。从施工强度和施工周期上能完成一期和二期初步治理。

2.3 分区分期及动态治理措施研究

针对本工程特点及各种边坡治理措施的适用性及优缺点比较后，采用少开挖、少扰动、强支护的治理原则，采用分期分区治理的设计思路，在治理设计过程中根据现场动态监测成果及补充勘探成果对方案进行动态设计，以保证工程治理的合理性和经济性。

为满足分期蓄水要求，将边坡分为一期治理和二期治理，一期治理后能保证一期蓄水安全要求，二期治理后需保证边坡长久运行安全要求。考虑到二期施工范围较大，施工周期较长，为保证瀑布沟正常蓄水运行，二期初步治理工程支护措施考虑先按B类1级边坡安全系数的低限进行控制。分期分区平面布置见图2。

图2 库首右岸拉裂边形体治理平面布置Fig.2 Plan of treat ments for the defor ming and cracking slope on the right bank of reservoir

一期治理主要是针对850 m高程以下进行综合治理设计，主要加固II-2区与II-1区（工程措施A—D区），同时对边坡（Ⅰ区）后缘拉裂缝进行封闭，在Ⅰ区上部边坡布设排水沟，并布设监测设施加强边坡观测。A区主要对局部垮塌的沟槽部位采用清理浮土、锚杆、挂网喷混凝土、排水孔进行浅表加固和封闭；B—D区为重点加固区域，在清坡后，表层岩体采取系统锚杆、框格梁、深孔锚筋束，深部岩体根据风化深度的不同分别设置间排距5 m的锚索进行综合加固（其中B区和C区预留50%的锚索未实施，视监测情况再确定是否实施）。同时将正常蓄水位以下的5个勘探平洞回填C20混凝土，其中部分采用顶部配置工字钢、洞周边配置钢筋的方式形成抗剪洞。

二期治理主要根据一期治理实施后边坡监测反馈资料的分析论证及2008年地质勘探成果资料，进一步进行稳定性分析并落实最终的边坡加固治理方案和措施，主要加固范围为高程850 m以上II-2区与II-1区及Ⅰ区下部边坡（工程措施F，G，H区），同时根据监测成果分析对一期治理中B区和C区预留50%的锚索进行补充实施。采用了深层锚索、中层锚筋束、浅层锚杆、表层喷护、框格梁、坡面排水沟、深层排水孔、表层排水孔等综合加固措施。对正常蓄水位以上的3个勘探平洞采用C20钢筋混凝土衬砌后作监测兼排水洞。

考虑到二期施工范围较大，施工周期较长，二期初步治理工程支护措施先按DL／T 5353—2006要求的B类1级边坡安全系数的低限进行控制，主要加固900～980 m高程区（F区50%锚索）、850 m高程以下措施全部实施完成及G区、H区未施工的工程。二期剩余部分在加强对边坡的内外监测的基础上，结合监测成果和后期揭示的地质资料评价边坡的稳定性，再进一步确定实施二期剩余部分措施。

3 边坡稳定性分析研究

3.1 边坡设计标准分析

由于拉裂变形体距坝轴线约780 m，其下游为大坝，对岸布置有电站进水口、导流洞进口、泄洪洞进口等建筑物。这些建筑物中，除导流洞进口为3级建筑物外，其余均为1级建筑物。瀑布沟大坝为砾石土心墙堆石坝，如果边坡失稳，滑体涌浪是土石坝的重大安全隐患；另外，滑体堆积物还可能堵塞引水和泄水建筑物进口，影响其正常运用。综合考虑各影响因素以及蓄水要求后，确定一期（高程790 m以下）和二期按B类1级边坡进行设计。二期初步治理取B类1级边坡规范下限值，详见表1。瀑布沟水电站枢纽区地震基本烈度定为Ⅶ度，边坡地震设防烈度同基本烈度一致为Ⅶ度，基准期50 a超越概率5%的坝址基岩峰值加速度为ah＝0.140 g。

表1 拉裂变形体抗滑稳定最小安全系数Table 1 Mini mum safety coefficients of the defor ming and cracking slope

3.2 二维边坡稳定性分析

3.2.1 计算方法

边坡地形地质条件复杂，变形失稳后影响大，计算分析既采用二维刚体极限平衡法，也采用三维数值分析进行边坡相关计算。虽然该边坡为岩石边坡，但该边坡岩体松动、分化卸荷强烈且已发生变形迹象，因此选用下限解法进行边坡稳定性分析。由于刚体极限平衡分析为静不定力学问题，不同方法各有优劣［1］，本研究二维计算采用STAB2009和GEO-SLOPE［2］2种计算软件，选取了Spencer法、剩余推力法和工程师团法3种下限解法进行了计算对比分析［3］，各方法差别见表2。

表2 变形体边坡分析方法Table 2 Methods of analysing the defor ming slope

根据地形地质条件、地质分区选取代表性剖面新纵1-1、新纵2-2、新纵3-3和新纵7-7进行计算。计算时，在剖面上采取全断面范围内的搜索，并结合地质专业提出的临界滑面进行计算，既考虑了基覆界线、强风化底界、强卸荷底界、弱卸荷底界等滑裂面，同时也搜索其它潜在的临界滑裂面。

3.2.2 计算参数

根据地质建议物理力学参数，对边坡稳定性进行反演分析，复核和修正地质建议参数，认为边坡在天然+暴雨情况下（考虑渗压0.2）的参数较合适（3个控制型断面的安全系数分别为0.967，1.055，0.996），计算指标如表3。

表3 拉裂变形体稳定计算采用物理力学指标Table 3 Physical and mechanical indexes adopted f or the stability calculation of def or ming and cracking slope

3.2.3 计算工况

由于瀑布沟库首右岸拉裂体下部位于正常蓄水位以下，需研究与水库有关的工况，如正常蓄水位、水位骤降等。经过分析，确定计算工况见表4。

表4 计算工况Table 4 Calculation conditions

3.2.4 计算成果分析

经二期系统加固处理后，坡体稳定安全系数均达到了表1要求，搜索最小安全系数见图3；由于篇幅有限，仅选取新纵3-3剖面进行介绍。计算成果见表5至表7及图3。由计算成果可知：边坡一期治理后，死水位高程790 m以下（603区）满足表1要求；二期初步治理后，边坡满足B类1级边坡规范下限要求。

3.3 三维数值分析研究

图3 各工况下可能最危险滑面及安全系数（二期支护后）Fig.3 Probable most dangerous slip surface and safety factors under different conditions（after second stage support）

表5 一期支护后新纵3－3剖面稳定计算安全系数Table 5 Safety f actors f or section N3－3（after the first stage support）

表6 二期支护后新纵3－3剖面稳定Spencer法计算的安全系数Table 6 Safety f actors for section N3-3 calculated by Spencer method（after the second stage support）

表7 二期初步治理后新纵3－3剖面稳定Spencer法计算的安全系数Table 7 Safety f actors for section N3-3 calculated by Spencer method（after the second stage preliminary treat ment）

根据库首右岸拉裂变形体边坡的工程地质条件与边坡支护特点，采用三维数值分析方法（CORE3）研究边坡在天然、正常蓄水、地震、库水位骤降、暴雨等工况下的应力分布、变形特征、塑性区分布，以及可能的失稳破坏模式、破坏机理、可能失稳坡体的范围，为稳定性评价和加固设计提供可靠的依据［4］。

由于滑坡体较浅，且松弛明显，故初始地应力场仅考虑初始自重应力场。参考水文地质资料并结合实际地形特点，采用有限单元法获得稳定渗流场。根据变形体边坡的岩体结构特征及结构面分布情况，模拟了3组主要裂隙。

通过有限单元法分析可得到如下结论：天然工况下，边坡整体基本处于稳定状态，但局部（深度小于15 m）点安全度偏低，特别是松动区，存在局部失稳的可能性；边坡上部有出现张拉裂缝的可能性，边坡中下部（尤其是松动变形岩体和强风化岩体）有出现局部崩塌、滑动的可能性，松动变形岩体和强风化岩体是整个边坡稳定性较差的部位；蓄水、地震、库水位骤降及暴雨等均对边坡稳定产生不利影响，蓄水后岩体屈服区最大水平深度约15 m；地震工况下，在高程850 m边坡较大位移达170 mm；库水位骤降时，骤降区域向坡外最大位移约18 mm。

4 边坡监测及运行分析

库首拉裂变形体边坡监测采用内、外观并重的原则，监测设施也采用分期分区、监测超前的设计思路，运用外观、内观等多种监测手段分别对表层及深层的变形、应力进行持续、全面监测。

边坡二期初步治理完成后，水库连续3 a均蓄水至正常蓄水位，根据监测数据分析，边坡虽然局部变形仍在发展，但变形已趋缓，无异常变形的迹象，未出现滑移带，锚索受力条件基本正常。表明库首右岸拉裂变形边坡正常蓄水位运行情况下基本稳定，但需要重视边坡监测成果的反馈分析，为后期支护设计（二期剩余部分）优化提供依据，以确保边坡的长久安全稳定。

5 结 语

拉裂变形体作为一种复杂的边坡变形现象，其勘察和设计相对比较复杂，瀑布沟水电站库首右岸拉裂变形体采用分期分区动态治理的设计思路，既保证了边坡的安全运行，也确保了蓄水发电的节点目标的实现，同时也节省了工程投资。总结几点经验供其它类似变形体边坡的治理提供借鉴：

（1）边坡治理在技术可行、经济合理的条件下应服从枢纽工程总体要求。

（2）边坡治理是一个动态过程、边坡安全监测是动态设计的必备输入条件，特别是复杂变形体边坡，因其具有勘察和设计复杂、支护工程量较大，施工周期长的特点，结合监测资料及施工过程中揭示的地质条件进行动态及优化设计是必要的。

（3）边坡安全控制标准是影响工程安全和投资的重要设计参数。在选择参数时应充分分析评价各种影响因素，除了规范要求考虑的因素外，应注重地质条件的认识程度及其不确定性。从这点上讲，有条件分期的，应优先考虑进行分期设计和治理。

（4）对于复杂变形体边坡稳定性分析，采用二维刚体极限平衡法定量分析，结合地质判断和三维强度折减法确定滑移模式的方法是比较实用的配套分析方法。

［1］宋胜武，冯学敏，向柏宇，等.西南水电高陡岩石边坡工程关键技术研究［J］.岩石力学与工程学报，2011，30（1）：1-22.（SONG Sheng-wu，FENG 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］张良建，卢丙清，徐佩华，等.基于GEO-Slope方法的危岩体边坡稳定性研究［J］.地下空间与工程学报，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］中国电建集团成都勘测设计研究院.四川省大渡河瀑布沟水电站库首右岸拉裂变形体治理设计专题报告［R］.成都：中国电建集团成都勘测设计研究院，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］武汉大学水利水电学院.瀑布沟水电站库首右岸拉裂变形体稳定性分析研究报告［R］.武汉：武汉大学水利水电学院，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））