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1、深切河谷锦屏高边坡稳定性及监测反馈分析中国水电顾问集团成都勘测设计研究院 周钟摘要：在中国西南地区开发水电过程中，由于河谷深切与高地应力的原因，高边坡稳定问题十分突出，如锦屏一级水电站高边坡问题就是非常典型的例子。本文在总结了大量工程实例的基础上，对深切河谷高边坡的坡体结构进行了详细的研究，并对坡体结构进行了科学的分类。对锦屏一级水电站左岸边坡中发育的深部裂缝的形成机理进行了数值模拟，在计算的基础上讨论了深部裂缝对边坡稳定的影响。基于理论推导，提出了改进的边坡稳定极限分析sarma法与三维多重网格的极限平衡法，并通过工程实例验证了方法的可行性与适用性，为深切河谷高地应力区边坡稳定分析提供了更为
2、合理的分析方法。在对锦屏一级水电站边坡稳定综合分析的基础上，提出了科学合理的高边坡支护设计方案，并对支护后的高边坡进行了稳定性计算，以及监测反馈分析，验证了所设计的高边坡支护方案是合理可靠的。最后，文章简要介绍了锦屏一级水电站左坝肩边坡的监测反馈分析研究成果。关键词：深切河谷 坡体结构 岩石高边坡 极限平衡分析方法 支护设计 监测反馈分析1引言锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流中下游水电开发规划的“控制性”水库梯级。拦河大坝为混凝土双曲拱坝，坝高305.0m，正常蓄水位以下库容77.6亿m3。电站装机容量3600MW，多年平均年发电量166.2亿kWh。锦屏
3、一级水电站枢纽区位于普斯罗沟与手爬沟间长约1.5km的河段上，枢纽区为典型的深切“V”型峡谷，相对高差15001700m。左岸为反向坡，右岸为顺向坡。谷坡两岸基岩裸露，主要由中上三叠统杂谷脑组第二段(T2-3Z2)大理岩和第三段(T3-2Z3)变质砂岩、粉砂质板岩组成，另外还可见少量后期侵入的煌斑岩脉。枢纽区为高地应力区，卸荷带以里地应力集中现象明显1。枢纽区断层较发育，其中以NENNE向最为发育，且断层规模较大，如左岸f5、f8、f2断层及煌斑岩脉，右岸f13、f14断层等，而近EW向断层也有一定发育，如左岸坝头f42-9、右岸猴子坡f7及斜穿坝基的f18断层等，规模相对较大。左岸 “深部裂
4、缝”是锦屏一级电站的特殊地质现象。对深部裂缝产状进行统计分析表明，其优势方向有两组：N4070E，SE5075；N030E，SE5065。另外枢纽区还发育有其他几组优势节理裂隙。2 深切河谷高边坡的坡体结构研究峡谷地区高边坡的稳定性及其失稳破坏模式与其坡体所在的地质条件密切相关，坡体的内在特征决定于坡体内结构面、岩性与临空面的相互关系，以及边坡岩体的浅表生改造和地应力特征。边坡的坡体结构要素包括：工程地质岩组、地质构造形迹、岩体浅表生改造形迹、自然营力作用结果、地下水发育状况、临空面特性等。“水电边坡工程设计规范”采用边坡结构的概念来描述边坡的结构特征。规范对边坡结构并没有做明确的定义，将“边
5、坡结构模型”定义为：表示边坡组成物质和断裂结构面与滑动面分布位置的经过抽象概化的模型。2.1 坡体结构与岩体结构边坡的坡体结构是指坡体内部各种结构要素的组合。坡体结构既具有边坡所在岩土体的岩体结构特征，同时由于浅表生改造作用又具备其特殊的工程地质性质。岩体结构是结构面在岩体中的空间分布，组合规律及其所致的岩体被切割的状态。岩体结构的浅表生改造是挽近期来的地貌演化过程，是浅生改造和表生改造的合称，前者系指区域性剥蚀卸荷对近地表岩体应力场和结构场的改造，其所形成的变形破裂形迹，称为浅生结构；而河谷深切卸荷对近地表岩体应力场和结构场的改造称为表生改造，其所形成的变形破裂形迹，称为表生结构。经历浅表生
6、改造后的坡体与原岩体结构已很不相同。另外，还体现在四个方面，其一是溜坍、崩塌等作用在坡体表面形成不同厚度的堆积体，如图2-1（a）所示；其二是因地应力释放而在坡体内形成不同的地应力释放区，如图2-1（b）所示；其三是降雨、风化等自然营力的联合作用在坡体浅层形成破碎岩体，并且存在一些裂缝，如图21（c）所示；其四是风化作用在岩体浅层形成风化岩层，特别是对于易风化岩体更是如此，如图21（d）所示。这些特征都是坡体深部岩体所不具备的。由此可见，坡体结构与岩体结构既有联系又有差别。 (a) 坡体浅层堆积了粘土、碎块石土 (b) 坡体浅层的应力释放区 (c) 有裂缝的浅层碎裂岩体 (d) 坡体浅层的强-
7、中风化花岗岩图2-1 边坡坡体结构特征2.2 坡体结构的建立方法建立坡体结构需要考虑三个主要方面的问题，即边坡所在岩体的浅表生改造特征、自然营应力对坡体浅层的作用程度和影响范围、坡体地质力学模型涉及的范围。首先是进行研究区的工程地质调查和地质勘察资料分析。其次是重点分析边坡岩体结构特征。坡体中的岩体结构及其与临空面的相互关系，是边坡稳定性分析中需要考虑的首要因素，也是坡体结构建立中需要重点分析的。第三是分析坡体浅表生改造形迹和自然营力形迹，以及各种改造形迹的发育规模和型式。第四是分析坡体中的地应力、地下水等的作用及影响规律。这对边坡稳定性具有重要的影响，需要在坡体结构分析中加以考虑。2.3坡体
8、结构基本类型收集了近年已建或在建的大量工程实例，在总结分析这些工程实例破坏模式及变形机理的基础上，提出了高边坡坡体结构基本类型的划分方案。划分为6种类型，即滑面控制式坡体结构、软弱带控制式坡体结构、软硬交替式坡体结构、层状坡体结构、拉裂变形式坡体结构和类均质式坡体结构。如表2-1所示。表2-1 坡体结构基本类型坡体结构类型基本特征剖面图式可能产生的破坏类型滑面控制式坡体中已经发育有贯通滑面边坡沿已有滑面失稳下滑软弱带控制式坡体中发育有断层或其它软弱带破坏模式受断层（软弱带）控制、失稳块体沿断层发育软硬交替式上软下硬型坡体在纵向（上下）上存在两种软硬程度有明显差异的岩性破坏面沿软弱交替的岩体界面
9、发生下软上硬型横向交替型坡体中局部岩体（或透镜状）完整，周围岩石破碎或相反（局部软弱，周围完整）层状顺倾层状坡体由互层或间层状岩类组成，或层状节理切割坡体，岩层倾向临空。破坏模式受层状结构面控制，多层多级的顺层岩石滑坡。反倾层状坡体由互层或层状岩类组成，或层状节理切割坡体，岩层倾向坡内或坡外，岩层倾角一般大于40破坏发生的顺序：弯曲倾倒拉裂贯穿滑移变形拉裂式坡体浅表卸荷带以里一定深度内发育有拉张裂缝变形拉裂体变形进一步发展，剪断下部岩体，失稳破坏类均质式基岩类均质坡体坡体中没有明显和连续贯通的结构面稳定性好松散型类均质无明显的各种成因结构面和含水带的岩土体，如断层带物质、土体易发生旋转型滑动、
10、坍塌等破坏模式3深裂缝形成机制及其对边坡稳定性影响锦屏一级工程河谷深切，边坡高陡，边坡最大高度超过1000m，构造作用明显，左岸边坡岩体浅表部正常卸荷带以内的坡体深部发育有大量深部裂缝，主要为NE向、NEE向1、2。3.1 深部裂缝的形成机理3.1.1深部裂缝形成的数值模拟建立二维模型，用有限单元法分16步模拟河谷的下切过程，再现了深部裂缝的形成3。图3-1分别为用有限元法模拟河谷第8步和第16步下切后，剖面IV拉剪破坏区示意图。可见，坡体内形成了一个受原有构造结构面控制的深部拉裂区，它与边坡浅表部的正常卸荷带一起，夹持了一块相对完整的岩体，构成普斯罗沟左岸高边坡“外硬内软”的岩体质量状况1。
11、 A.模拟河谷下切到第8步 B. 模拟河谷下切到第16步图3-1 有限元法模拟河谷下切另外，采用3D- 软件对研究区的三维模型分6步进行了河谷下切模拟。图3-2分别为第6步河谷下切，坡体内部的最大和最小主应力等值线图。由图可见，最小主应力等值线呈波状大体平行坡面 ，最大主应力的调整似乎与左岸岩体结构特征关系不大，而主要受控于下切深度和坡形。 A.最小主应力等值线图 B.最大主应力等值线图图3-2 模拟到第6步河谷下切时坡体内部的最大和最小主应力等值线图3.1.2 深部裂缝的成因根据锦屏高边坡深部裂缝空间分布特征，进行深入的地质与数模分析，这套深部裂缝是在锦屏高边坡特定高应力环境和岩性组合条件下
12、，伴随河谷下切过程，边坡应力强烈释放，并叠加边坡横向沟谷切割效应，而在原有构造结构面基础上卸荷张裂所形成的一套边坡卸荷裂隙系。3.2 高边坡深部裂缝对边坡稳定性的影响左岸边坡的变形破裂主要还是在表生改造阶段，尚未进入时效变形阶段。这种认识为我们从宏观上评价左岸天然边坡的整体稳定性状况提供了科学依据。不论深裂缝形成机理如何，深裂缝作为一种客观存在，对工程将产生一定的影响。因此，将进一步探讨深部裂缝作用下的左岸边坡的稳定性4、5 。3.2.1深部裂缝的连通性分析与渗透性能估计深部裂缝（带）的铅直向延伸规模可从勘探所得资料来推断，上下延伸规模估计见表3-1。表3-1 深部裂缝上下延伸规模估计值裂缝代
13、号硐号揭露(推断)尺度（m）推测向下延伸尺度（m）向上延伸至高程（m）向下延伸至高程（m）SL13PD1645-10022.5-501791-18411746-1696SL14PD1640-10020-501788-18381748-1698SL15PD1655-17927.5-89.51796-18581741-1679SL24PD14105-14652.5-731835-18561730-1710水电站建成蓄水之后，根据Hele-Shaw光滑平行板之间水流的水力模型估算出深部裂缝的渗透率与深部裂缝的隙宽值t有关，即，估计裂缝排水能力。考虑到裂缝的充填、起伏、串珠状张开等因素，裂缝的有效渗透
14、隙宽有显著减小，沿裂缝仍然有十分可观的渗透速度6。这些深部裂缝将会形成地下水集中排泄通道，使地下水和地下水压力迅速消散。3.2.2深部裂缝对自然边坡稳定性的影响以坝址区左岸II-II剖面为例，针对多种可能的组合滑面进行二维稳定性分析，分析深部裂缝的存在对边坡稳定性的影响。II-II剖面发育的控制性构造和结构面有：f5、f8断层、深部裂缝SL23以及顺坡向结构面KL30-12、KL56-2、KL30-13。包括强弱风化卸荷线在内，这些构造和结构面共有7种可能的滑面组合的结算结果，见表3-2。滑面组合5的稳定性评价示意图见图3-3。表3-2 左岸-剖面的可能滑动组合及其稳定性系数滑面编号可能滑面组
15、合稳定性系数滑面组合1f5+SL2/3+KL30-12+推测段（剪出口位于河谷谷底）2.010滑面组合2f5+SL2/3+KL30-12+推测段+KL56-2+推测段（剪出口位于基覆界面）1.817滑面组合3f5+SL2/3+KL30-12+推测段+KL56-2+推测段（剪出口位于基覆界面）1.809滑面组合4f5+SL2/3+KL30-12+推测段+KL56-2+推测段（剪出口位于层冲积层底）2.021滑面组合5f5+强卸荷弱风化底界（剪出口位于河谷谷底）1.319滑面组合6推测线强卸荷弱风化底界（剪出口位于河谷谷底）2.021滑面组合7推测线f8+ KL30-13推测段KL56-2+推测段（剪出口位于层冲积层底）2.324图3-3 左岸边坡剖面稳定性评价剖分图（滑面组合5）分析发现，滑面组合5即断层f5和强卸荷弱风化底界组成的滑面是
