中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 湖南长沙 410014
摘要：三板溪水电站进水口边坡高度较大，洞脸开挖边坡高达180m，右侧坡开挖高度约139m。洞脸高边坡为斜交反向坡，整体稳定条件较好，仅局部存在稳定性较差的小型块体。右侧坡为斜交顺向坡，进水口塔基部位存在F78、f13和F122组合形成规模较大的潜在不稳定断层块体，部分塔体座落在断层块体之上，对塔基稳定不利。为此，通过边坡稳定性计算分析，进水塔所在的边坡和地基整体稳定性较好，但考虑到其特殊的边界条件和工程部位的重要性，为确保进水口右侧山体稳定，重点针对边坡主要断层f13和F78进行抗滑加固处理。工程处理后，通过蓄水后的变形观测，边坡处于稳定状态。
关键词：三板溪水电站 进水口高边坡 潜在不稳定断层块体 工程地质处理
1.工程概况
三板溪水电站工程位于贵州省黔东南自治州锦屏县境内的沅水干流河段清水江中下游，是以发电为主，兼顾防洪、灌溉及其它综合利用的水利水电枢纽工程。电站是混凝土面板堆石坝，坝顶高程482.50m，最大坝高185.5m，水库正常蓄水位475.00m，死水位425.00m，总库容40.95亿m3，电站装机4台，总装机容量1000MW，年平均发电量24.28亿kw?h，属一等大（一）型工程。枢纽工程由主坝、左岸副坝、右岸地下厂房、左岸溢洪道和泄洪洞等建筑物组成，导流洞布置在左岸。2002年7月主体工程正式开工建设，2003年9月17日截流。2006年1月7日大坝下闸蓄水，2006年5月首台机组发电，2006年12月初末台机组通过启动验收。
2.电站进水口基本地质条件
进水口位于右岸坝轴线上游侧130m～180m的Ⅵ号冲沟，进口明渠开挖底宽近100.0m，建基面高程405.00m～407.00m。Ⅵ号冲沟在进水口附近分成上下2条支沟，中间为条形山脊，宽30m～50m。进水口后边坡山顶高程620m，高程400.00m～460.00m以下边坡地形坡度为25°～35°，以上40°～65°，局部为陡崖；Ⅵ号冲沟上游为顺层坡面，坡度为35°～40°，坡高约80m；下游高程540m以下为条形山脊，以上为半壁山，为70m～90m高的悬崖，山顶高程693m。地层岩性主要为Ptbq18厚层至巨厚层块状变余凝灰质粉、细砂岩，夹一层薄层至中厚层凝灰质粉砂质板岩。洞脸边坡和左侧坡基岩基本裸露，上下2条支沟分别分布厚8.00m～50.00m、10.00m～20.00m的崩塌（滑）堆积体。岩层产状N35°～40°E，SE∠30°～40°，断层主要有F122、F78、F114、F102等陡倾角断层，层间错动和夹层主要有f13和S1（见表2-1），节理主要以NW、NE及NWW向较发育，倾角较陡，局部存在层面节理和缓倾角节理（见表2-2）。边坡岩体多呈强风化或中等风化，部分微风化，强风化垂直深度在高程500m以下一般为10m～15m，以上为15m～35m，浅表部存在少量卸荷裂隙，发育深度一般为10m～15m，倾角较陡。
进水口岩石致密，硅质含量45%～85%，强度高，岩体抗变形能力强。中等风化至微风化岩石干密度pd为2.68 g/cm3～2.77g/cm3，饱和吸水率wsa和孔隙率n均小于0.5%，单轴饱和抗压强度一般大于100MPa，强风化岩石亦多为中硬岩。进水口水文地质条件较简单，主要为基岩裂隙水，透水性较弱，地下水位线一般在中等风化岩体下部，在崩塌堆积体底部常年有地下水流出，堆积体透水性好。地下水、溪沟水对混凝土有分解类中等腐蚀。
3.电站进水口高边坡工程地质条件与评价
3.1工程地质条件
洞脸开挖边坡走向101°，为斜交反向坡，坡高约180m，坡顶开口线最高处约为582.00m，坡顶以上自然地形坡度较缓（电站进水口边坡地质图、进水口右侧边坡纵剖面图见图3.1-1、3.1-2）。高程497.00m以上开挖坡比为1∶0.75，高程497.00m～422.00m开挖坡比为1∶0.50～1∶0.30，高程422.00m以下基本为直立坡。NWW顺坡向陡倾角节理较发育，多倾向坡外，其次为NW和NE向陡倾角节理。通过洞脸边坡的主要断层为F80、F78、F114、F102等。F102从坡顶上方高程约590.00m横切通过，受其影响，坡顶岩体风化较深；F80、F114与洞脸边坡基本正交；F78在②～①机洞口上方形成断层沟，进口段上覆岩体较薄，节理发育。断层沟一直延伸至大坝趾板X4附近，其走向变化较大，在进水渠底板高程以上为N60°～80°E，以下为N40°E左右。S1等层间风化夹层呈透镜状断续分布，在洞脸部位基本尖灭。洞脸边坡高程512.00m以上为全强风化，其中高程575.00m～582.00m为全风化；高程512.00m～422.00m基本为中等风化；高程422.00m以下③～④机进口基本为微风化，②～①机为中等风化。
右侧坡基本以F78断层沟为界，断层上游侧右侧坡为斜交顺向坡，建基面以上开挖坡高139m，加上建基面以下原始条形山脊的高度，边坡高度达196m。右侧坡开口线最高为546.00m左右，开口线以上至高程575.00m左右为原始单薄山脊，高程575.00m～595.00m为陡崖。高程482.00m以上开挖坡比为1∶0.75，高程
图3.1-1 电站进水口边坡地质图
图3.1-2 进水口右侧边坡纵剖面图
482.00m～422.00m开挖坡比为1∶0.50，高程422.00m以下至进水渠底板高程407.00m多为1∶0.30，进水渠底板至下方大坝趾板建基面高程约450.00m基本为原始单薄山脊。F102断层从陡崖下方通过，破碎带宽20cm～50cm，带内主要为未胶结断层角砾岩，断层面夹2cm～5cm断层泥。规模较大的层间软弱结构面f13在进水渠右侧坡高程422.00m以下靠近上游崩塌堆积体坡底位置出露，与右侧坡呈小角度顺切关系，f13沿Ⅵ号上游主沟延伸至大坝趾板X4附近，在地表与F78断层相交。其次为多条NW或NE向陡倾角小断层或节理密集带切割，延伸长度较短。开挖边坡陡倾角节理裂隙较发育，并分布多条层间石英脉或缓倾角顺坡向节理和不连续的凝灰质岩屑夹层。右侧坡基本呈中等风化，上游靠近Ⅵ号冲沟部位风化较深，为强风化岩体。
进水塔地基岩体呈中等风化至微风化，以F78为界，右半部为镶嵌碎裂结构，左半部为镶嵌碎裂结构至次块状结构。塔基岩体分区分类见表3.1-1。进水塔上游为Ⅵ号冲沟，冲沟两侧地形陡峻，其支沟下游侧沿NWW向结构面形成陡崖，高达20m～40m。塔基部位主要存在f13、F78及F122等3条断层。F78斜切②和③进水塔塔基，塔基及其上游冲沟部位断层带宽5cm～20cm，主要为未胶结的角砾岩，夹少量断层泥，断层影响带宽1m～3m；层间断层f13在塔基深部穿过，多为碎屑夹泥，厚2cm～10cm；F122斜切①和②塔基，为NW向裂隙密集型陡倾角断层，主要为碎块状和碎裂状岩石组成，断面附少量次生泥膜。F78、f13和F122组合形成规模较大的潜在不稳定断层块体，部分塔体座落在断层块体之上，对塔基稳定和变形不利。
3.2边坡稳定性分析
3.2.1洞脸坡
进水口边坡高度较大，洞脸开挖边坡高达180m，右侧坡开挖高度约139m。洞脸高边坡为反向坡，不存在规模较大的断层不利组合，整体稳定条件较好，受NWW顺坡向陡倾角节理裂隙等结构面的影响，开挖面预裂爆破残孔率不高，少数节理被切脚，仅局部存在稳定性较差的小型块体。
3.2.2右侧坡
右侧坡为斜交顺向坡，综观F78断层上游进水渠底板高程407.00m上下边坡，F78和层间断层f13在地形上分别形成上下游2条断层沟，两条断层成小角度相交。断层沟之间的山体在右侧陡崖崖底高程575.00m以下至大坝趾板地基，岩质边坡基本为f13、F78和坡顶上方NWW向陡倾角断层F102等所切割，形成规模巨大的断层组合块体。下部大坝趾板地基开挖进一步切脚，致使f13、F78两断层交线在趾板边坡内出露，构成边坡岩体潜在的剪出条件，其潜在的滑移线产状为49.5°∠13.2°。F122基本切穿整个进水渠底板，亦构成塔基断层块体的后缘切割面。
进水渠底板高程407.00m以上右侧开挖边坡斜向切脚，其整体稳定性取决于是否存在f13、F78与其它结构面，如NW向陡节理或断层等组合形成规模较大的块体及其块体的稳定性。在进水渠上游段高程422.00m～407.00m靠近Ⅵ号冲沟部位，由于f13被顺向切脚，断层上盘强风化岩体稳定性差，曾沿f13和NW向裂隙发生浅层塌滑。f13向下游斜切进入坡内，在高程407.00m垂直开挖面走向最大埋藏深度为24m左右，沿F78断层的埋藏深度较大。右侧坡开挖面其它陡倾角断层规模较小，风化夹层不连续，层间裂隙多为硅质充填，缓倾角节理延伸长度有限，均不足以构成贯通性切割面或底滑面。因此，高程407.00以上右侧开挖边坡沿f13和F78断层发生整体滑动剪出的可能性不大。局部由于层间裂隙或不连续风化夹层等中缓结构面临空切脚，和NW、NE向陡倾角节理裂隙或小断层交切形成不利组合块体，稳定条件相对较差，但块体规模较小。
控制进水口边坡稳定性的潜在滑动块体为F78、F102和f13围成的楔形体（①块体）与F78、F122和f13围成的楔形体（②块体），块体规模大，其中①块体约76.5×104m3，②块体约9.6×104m3。f13与F78交线平缓，倾角小于f13内摩擦角，f13在山体下游侧埋藏较深；山体侧向切割面F78走向变化较大，断层性状相对较好；大坝趾板地基切脚开挖量不大，对原始山脊稳定条件影响不大，因此，块体自身稳定性较好。
3.3右侧坡稳定性计算
3.3.1计算边界条件与参数
边坡上下游冲沟均为断层沟，上游为层间断层f13，下游为F78，中间山脊分别被F102和F122上下横向切断，以上4条断层分别构成由断层f13，F78和F102组合形成的①块体和断层f13，F78和F102组合形成的②块体，断层f13，F78断层交线出露高程约350.00m。下游支沟内崩坡堆积物全部清除，高程482.00m以下回填C20混凝土约1万m3，回填深度5m～20m，上游主沟在高程约490.00m和500.00m分别设置1排3m×5m的抗滑桩，多数滑桩桩底深入f13以下较完整基岩内深度为上覆堆积体厚度的1/3～1/4，高程485.00m以下为网格梁加锚索，锚索吨位100t，锚固深度均穿过断层f13以下10m～15m。各断层的产状和主要力学参数取值见表3.3-1。
3.3.2块体稳定性计算
由于块体体形不规则，其体积采用平切断面法计算获得，其中块体上覆堆积体体积为16万m3，外力考虑塔体自重和后缘裂隙水压力和滑面上的浮托力，①块体上塔体作用荷载T=60000×25=1.5×106 kN，②块体上塔体作用荷载T=28000×25=7×105kN，后缘面水压力V按水作用面积（近视为垂直三角面）积分，V=（γ×L×H2）/6，浮托力采用U=1/3×γH×A计算。回填混凝土提供的阻滑力仅考虑粘结力，①块体混凝土塞效应为700×0.7×106 N=4.90×105 kN，②块体混凝土塞效应为360×0.7×106 N=2.52×105 kN。
注：1）计算时结构面参数取平均值，括号内为不考虑粘接力情况下抗剪稳定系数，双块体计算参数为：f13：C=20kPa，f=0.30，F78：C=50kPa，f=0.45；2）蓄水后，水位以下结构面强度按0.85折减，自重取浮容重；3）地震基本烈度为6度，地震加速度取0.042g。
采用刚体极限平衡法对上述两个块体进行进一步分析计算，不同工况下的抗滑稳定安全系数见表3.3-2。计算成果表明，两块体处理前抗滑稳定安全系数较高，块体施工期稳定系数大于2.5；对侧滑面进行部分混凝土置换处理后，在运行期一般荷载组合和特殊荷载组合情况下，块体具有较高的稳定系数，接近或大于3.0，仅①块体蓄水工况的稳定系数略低于设计要求，采用抗剪公式（取残余强度，不计粘结力）进行复核，该工况的安全系数为1.65，可满足设计规范要求。通过分析认为，进水塔所在的边坡和地基整体稳定性较好，但考虑到其特殊的边界条件和工程部位的重要性，水库蓄水后，仍应加强对块体的安全监测。
3.4工程处理
进水口边坡施工期主要处理措施以锚喷支护为主，为确保进水口右侧山体稳定，重点针对边坡主要断层f13和F78进行抗滑加固处理，主要处理措施如下：
a）系统支护：进水口边坡以锚喷支护为主，实施最大锚固深度为12m。
b）调整局部开挖坡比：施工期对高程482.00m至高程442.00m后边坡开挖坡比调整为1∶0.5至1∶0.45，以尽可能避免中等风化带NWW顺坡向陡倾角节理裂隙的切脚开挖，减少局部掉块现象和爆破松动。
c）随机加固：清除局部稳定性较差的块体或施打随机锚杆加固。
d）局部锚索：洞脸直立坡和高程482.00m以下各马道布置1排2000kN的预应力锚索。右侧坡高程482.00m和下部高程422.00m附近的锚索锚固深度分别穿过该部位的风化夹层S2和f13层间夹泥带。
e）断层刻槽处理：为确保塔体上游山体和地基稳定，并控制地基的不均匀变形，除对塔基内F78、F122进行刻槽处理外，对塔基建基面上方和上游F78断层沟进行了规模较大的刻槽回填混凝土处理，以进一步提高塔体上游山体和塔体地基的稳定性：
1）建基面上游：挖除断层沟2侧强风化岩体，开挖形成2级台阶状梯形槽，在刻槽开挖基础上，回填混凝土长约18m，底宽6m～8m，高10m～20m。对刻槽部位的岩体做进一步固结灌浆补强。
2）建基面上方；清除塔基右后上方F78断层沟覆盖层和松散岩体，清除部位进行锚喷支护，高程482.00m以下顺沟回填一定厚度的混凝土。
3.5蓄水后观测成果
通过蓄水后2年的变形观测成果分析，进水口边坡变形小，变化平缓，锚杆应力均较小。蓄水至435.00m近半年的资料显示，多点位移计累计最大位移值为-6.7mm；锚杆应力计累计最大压应力值为-83.30MPa；累计最大拉应力测点为91.31MPa。大多数测点测值呈拉压分布，大多处于稳定态势。测斜管倾斜位移总体较小，累计倾斜量一直在10mm以内波动，测值趋于稳定。表面位移测点累计最大位移6.8mm，各测点测值变化量较小。由此可见，边坡处于稳定状态。
参考文献
1 《水利水电工程地质手册》，北京水利电力出版社，1985。
论文作者:张瑞超
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第36期
论文发表时间:2018/6/8
标签：断层论文; 高程论文; 块体论文; 节理论文; 倾角论文; 裂隙论文; 稳定论文; 《建筑学研究前沿》2017年第36期论文;