杨 磊，邓建辉，郑 路 ，刘铁新，陈鳞泉

(1.四川大学 四川大学-香港理工大学灾后重建与管理学院，成都 610065； 2. 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

长期以来，水电站建设边坡的稳定性一直是工程地质界和岩石力学界研究的热门问题之一[1-6]。中国近年的水电站开发多处于高山峡谷之中，岩石边坡开挖面积大，地质结构复杂，断层、节理穿插其中，边坡高而陡等一系列的问题，使得水电站建设的施工期和运行期的稳定性受到了严重影响[1]。实践证明，有效处理水电站边坡稳定的方法有理论分析、监测控制系统和专家经验相结合的综合集成理论和方法[3-8]。大型边坡一般都需建立大型监测系统来监测边坡的稳定状况，如黄金坪水电站进水口边坡[1]、小湾电站高边坡[8]、长河坝水电站右坝肩边坡[9]、锦屏一级水电站左岸边坡[10-12]、大岗山右岸边坡[13]等，都是建立了长期的监测系统，并根据监测情况对工程进行改进，取得良好的效果。本文以长河坝水电站泄洪洞进口边坡监测成果为基础，拟对该边坡稳定性加以分析。

1 边坡工程概况

1.1 边坡概况及工程地质

长河坝水电站系大渡河水电规划“三库22级”的第10个水电站，上接猴子岩梯级电站，下游为黄金坪电站。长河坝水电站为砾石土直心墙堆石坝，坝顶高程1 697 m，最大坝高240 m，装机容量2 600 MW。坝址区河道由南东向转成南西向，形成近90°的河弯，河谷形态呈“V”型谷，枯水期河水面宽80～106 m，正常蓄水位宽509 m；覆盖层厚度65～75 m，岩性为晋宁期-澄江期侵入岩体，以花岗岩及石英闪长岩为主，岩体致密坚硬完整，地应力较高，最大水平地应力达24.17 MPa。

进口区分为泄洪洞进口边坡和放空洞进口边坡。限于篇幅，且放空洞和泄洪洞进口边坡工程地质条件和分析方法近似，文中只介绍泄洪洞进口边坡的稳定监测分析。

泄洪洞进口位于双叉沟堆积体对岸下游至象鼻沟间的坡段，全长约200 m，1号泄洪洞进口，纵向坡自然地形坡度45°～50°；2号、3号泄洪洞进口纵向坡自然地形坡度40°～45°。此段岸坡在1 600 m高程以下地貌上多呈陡壁，坡度80°左右，其上的泄洪洞进口段自然地形坡度45°～55°(约1 800 m高程以下)和25°～45°(约1 800 m高程以上)。

1.2 裂隙发育情况

泄洪洞进口边坡坡体内主要出露澄江～晋宁期石英闪长岩(δ(3)02)和中粗粒花岗岩(γ(4)2)，其下部公路边见侵入少量细晶花岗岩脉(γl)。泄洪洞进口部位无区域性断裂通过，地质构造以次级小断层、节理裂隙为特征。次级断层发育有f9、f10，f38等(表1)，坡体中主要发育J4、J7、J2、J6、J3、J1等长大裂隙结构面(表2)，以J4、J7、J2、J6等4组结构面较为发育。此外，mj5裂隙密集带从泄洪洞进口穿过。天然边坡岩体结构总体以块裂结构为主，局部镶嵌结构，岩体总体为Ⅲ类。

表1 泄洪洞进口小断层、密集带发育统计表Tab.1 The statistics of the development of small faults andintensive area of spillway entrance

前期研究表明进口边坡整体稳定。局部块体的稳定性主要受控于J4、J7两组陡倾角裂隙及J6、J2组两组中缓倾角裂隙。其主要的变形破坏方式为：① 沿J4、J7组陡倾角裂隙的卸荷拉裂变形，形成明显的拉裂缝，构成板裂状的结构，易发生倾倒拉裂破坏。②内侧及洞脸边坡中以J6组倾角裂隙为底滑面，发生局部的滑移拉裂破坏，其中J4组裂隙构成后缘拉裂面，J7组裂隙为侧向切割面。③ 内侧坡中，J2组或J1组裂隙走向与开挖面近于平行，且倾向坡外，由于其倾角小于开挖坡脚，易发生滑移拉裂破坏，其中J4组裂隙作为侧向割裂面，J7组裂隙作为后缘拉裂面。④外侧坡中，局部沿J3组裂隙易发生滑移拉裂破坏。

表2 泄洪洞进口段裂隙发育统计表Tab.2 The statistics of cracks of spillway entrance

2 边坡稳定分析

2.1 计算方法

采用Morgenstern-Price(M-P)法进行二维稳定性计算，计算软件采用美国GEO-SLOPE公司的Geostudio2007软件。首先，根据地质调查及前期计算成果，结合长河坝坝址所在区域历史地震活动情况及进口边坡稳定性现状，选取典型的不利剖面反演结构面的参数(连通率)。然后，根据反演的结构面参数，计算边坡开挖后的安全系数，提出加固措施并计算加固后的安全系数。

考虑连通率条件下，结构面参数按结构面与岩体的长度采用加权平均法进行计算。

2.2 结构面参数反演

进口边坡的稳定性主要受缓倾坡外的裂隙J6控制，因此选取与J6倾向一致的剖面(J6-1剖面)作为计算的控制剖面，进行结构面连通率反演。考虑两种滑动模式，计算模型及相应的滑动模式见图1。

图1 进口边坡J6-1剖面计算模型Fig.1 Calculation model of J6-1 profile of inlet slope

计算时，选取不同的结构面连通率，进行安全系数的敏感性分析。采用加权平均法得到的结构面计算参数见表3。经计算分析，结合长河坝坝址所在区域历史地震活动情况及进口边坡稳定性现状，将天然边坡地震状况下边坡稳定安全系数按1.0考虑，确定结构面连通率为83%，见表4。

表3 不同连通率下结构面强度参数Tab.3 The intensity parameters of structural planeunder different connectivity rates

表4 进口边坡J6-1剖面开挖前安全系数计算成果Tab.4 The calculation results of safety factor before excavation of J6-1 section of inlet slope

2.3 边坡稳定性计算

根据泄洪洞布置及地质条件，洞脸坡塔基开挖高程至塔顶高程(1 697.00 m)段为垂直开挖，塔顶高程以上开挖坡比1∶0.22。

边坡支护以预应力锚索为主，辅以系统喷锚及截排水系统等。根据边坡的实际开挖及支护情况，对进口边坡各剖面进行加固前后的安全系数计算。

稳定性评价考虑持久状态和偶然状态。持久状况为水库正常蓄水位运行工况，荷载组合为基本荷载自重；偶然状况为基本组合+地震荷载。不同工况加固前、后的安全系数计算成果见表5。从计算结果可见，如不考虑加固，开挖之后部分块体稳定性较开挖前有所降低，安全系数不能满足规范要求。考虑加固措施后，安全系数总体能满足规范要求。

表5 泄洪洞进口边坡安全系数计算成果Tab.5 The calculation results of safety factorfor inlet slope of spillway tunnel

3 边坡变形监测及成果分析

3.1 边坡监测布置

泄洪洞边坡监测内容包括内、外部变形监测与锚索受力监测[14,15]。

外观变形监测采用GPS监测系统，共布置GPS观测墩39个，测点布置见图2。内部变形监测采用多点位移计，内部变形监测和锚索测力监测主要布置在泄洪洞进口边坡，共布置4个监测断面，监测剖面1、3、4分别沿1、2、3号泄洪洞中心线布置，监测剖面2位于1、2号泄洪洞之间，沿主要潜在底滑面J6裂隙倾向布置，测点布置见图3。其中，内观多点位移计18套，锚索测力计18台，多点位移计与锚索测力计安装在相同部位，以便于对监测成果进行对比分析。

图3 泄洪洞进口边坡多点位移计及锚索测力计监测布置图Fig.3 Monitoring arrangement plan of multiple position extensometer and anchor cable gauges for inlet slope of spillway tunnel

3.2 边坡监测成果分析

(1)外部变形监测成果统计。外部变形监测成果见图3，其中，X为坡向的位移；Y为河流方向位移；H垂直方向位移。泄洪洞进口边坡外部变形观测成果表明，X向累计位移量在-24.8～49.1 mm范围；Y向累计位移量在-24.60～62.10 mm范围；H向累计位移量在-35.40～73.90 mm范围。从整体监测成果来看，开挖引起的边坡变形量级适中，为厘米级，边坡较为稳定。

(2)锚索测力计监测成果统计。监测数据表明锚固力主要以预应力损失为主，预应力损失统计结果如图4所示，在锚固力锁定值的基础上损失率为-4.14%～13.00%，预应力损失率在0～10% 以内的达到72.22%。锚固力增长的有1台，为PRXJK-14。其中2-2监测剖面PRXJK-3，3-3监测剖面PRXJK-6、PRXJK-7，4-4监测剖面PRXJK-13等4支锚索测力计损失率超过10%，结合多点位移计监测成果，损失率过高的原因应与强卸荷松弛区灌浆质量不易保证有关。锚索锚固力随时间总体存下降趋势，以PRXJK-7为例，锚固力随时间的变化见图5，目前锚固力变化基本趋于平缓。

图4 锚索应力损失统计分布柱状图Fig.2 Bar graph of pre-stress loss of anchor cables

图5 PR7锚固力及损失率随时间关系Fig.5 Relationship between anchoring force and loss rate with time

(3)内部变形监测成果统计。从监测数据来看，多点位移计孔口实测位移量在-3.24～7.02 mm之间，位移计各点年变化量-7.96～7.50 mm。受监测时间段以及仪器埋设等因素影响，1-1和2-2监测剖面测得的位移量普遍偏小或为负值，3-3和4-4监测剖面开挖边坡中下部测得的位移相对较大。

从位移与时间关系曲线来看(图6)，位移随时间呈阶跃式发展，上述部位位移主要发生在2014年10月17-29日。在该时间段，1760高程锚索锚固力也出现了上升现象。结合该剖面地质结构，推断该部位位移应为J6结构面的张开及错动位移，其潜在变形破坏模式以J6为底滑面、J4为后缘拉裂面。该部位位移变化速率在后期逐渐减缓，特别是2016年3-4月位移出现下降(图6)，且锚索锚固力趋于平缓，说明其现状条件下处于稳定状态。

图6 泄洪洞进口M4XJK-13号多点位移计监测曲线Fig.6 Monitoring curve of M4XJK-13 multiple position extensometer for spillway tunnel

截止到2016年8月1日，各多点位移计位移变化速率较小(小于0.5 mm/月)。由于大部分多点位移计安装于自然边坡的强卸荷松弛区，灌浆质量难以保证，一定程度上影响了监测成果的规律性。但是从整体成果来看，多点位移计的观测值较小，表明边坡稳定状况良好。

3.3 监测成果小结

综合变形与应力观测成果，边坡整体变形量级适中或偏小，锚索锚固力以适度松弛为主，不论变形与应力目前均趋于收敛，表明该边坡整体稳定性较好。

4 结 语

(1)根据边坡实际的开挖及支护情况，结合边坡监测与地质资料分析所反映出来的潜在破坏模式，采用二维极限平衡分析方法对泄洪洞及放空洞进口边坡进行了稳定性复核。稳定性计算成果表明，对边坡进行预应力锚索加固后，边坡整体稳定性满足规范要求。

(2)从监测成果来看，边坡的整体变形量级适中或偏小，锚索荷载以适度松弛为主，且应力与变形已趋于收敛。边坡现状稳定。监测剖面3-3和监测剖面4-4位移量相对较大，其潜在变形破坏模式以J6为底滑面、J4为后缘拉裂面，与地质分析结果一致。该部位位移变化速率在后期逐渐减缓，在现状条件下处于稳定状态。

理论与实际监测结果表明，长河坝水电站泄洪洞进口边坡的变形已基本趋于稳定，且变形量级在安全容许范围内，边坡处于稳定状态。

□

[1] 李林芮, 邓建辉, 郑洪春, 等. 黄金坪水电站进水口边坡稳定监测分析[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2014,(S1):116-121.

[2] 童志怡, 陈从新,徐 健,等. 边坡稳定性分析的条块稳定系数法[J]. 岩土力学, 2009,30(5):1 393-1 398.

[3] 周桂云, 李同春. 基于静动力有限元的边坡抗震稳定分析方法[J]. 岩土力学, 2010,31(7):2 303-2 308.

[4] Segalini A, Gianig P. Numerical model for the analysis of the evolution mechanisms of the Grossgufer rock slide[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2004,37(2):151-168．

[5] 周创兵. 水电工程高陡边坡全生命周期安全控制研究综述[J]. 岩石力学与工程学报, 2013,32(6):1 081-1 093.

[6] 张金龙, 徐卫亚, 金海元, 等. 大型复杂岩质高边坡安全监测与分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2009,28(9):1 819-1 827.

[7] 张正虎, 袁孟科, 邓建辉, 等. 基于改进灰色-时序分析时变模型的边坡位移预测[J]. 岩石力学与工程学报, 2014,(S2):3 791-3 797.

[8] 赵明华, 刘小平, 冯汉斌, 等.小湾电站高边坡的稳定性监测及分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2006,25(增1):2 746-2 750.

[9] 陈佳伟, 邓建辉, 魏进兵, 等.长河坝水电站右坝肩边坡裂缝成因分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2012,31(6):1 121-1 127.

[10] 赵 博, 徐卫亚. 锦屏一级水电站左岸边坡深部变形安全监测分析[J]. 人民长江, 2011,42:101-103.

[11] 黄志鹏, 董燕军, 廖年春, 等. 锦屏一级水电站左岸开挖高边坡变形监测分析[J].岩土力学, 2011,31(增2):235-242.

[12] 宋胜武, 向柏宇, 杨静熙, 等. 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, 2010,29(3):442-458.

[13] 黄 春, 柯善军. 大岗山水电站工程边坡稳定性分析[J]. 中国水能及电气化, 2010,(9):43-46.

[14] 黄秋香, 汪家林, 邓建辉. 基于多点位移计监测成果的坡体变形特征分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2009,28(增1):2 667-2 673.

[15] 二滩水电开发有限责任公司. 岩土工程安全监测手册[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 1999:73-9.