大渡河金川水电站左岸引水发电系统进水口高边坡稳定性研究

摘要

在水电工程中，边坡稳定性分析是一个非常热门和复杂课题。而今随着水电工程数量增多、规模加大，经常需要在复杂地质环境条件下，对各种各样的高陡边坡进行人为开挖，而这些边坡工程的稳定性，事关工程建设的成败与安全，会对整个工程的可行性、安全性及经济性等起着重要的制约作用，并在很大程度上影响着工程建设的投资及效益。因而边坡的稳定性问题日益严峻。 金川水电站坝高112m，装机容量860MW。坝区工程地质条件复杂，边坡高陡，坡体表部岩体伴随着风化卸荷作用，是控制边坡稳定性的重要因素。本文在阐明坝区工程地质环境条件、边坡岩体结构特征研究的基础上，以进水口边坡的稳定性研究为核心，通过各种方法评价了边坡不同部位岩体物理力学特征及岩体结构特征，并对边坡变形失稳模式进行调查分析研究。其具体研究内容及成果如下： （1）对坝址区的工程地质环境条件进行调查分析，查明进水口边坡主要位于三叠系上统上段（T3z2）第六岩组（T3z2(6)）和第七岩组（T3z2(7)）。在边坡上游侧出露一条陡倾的断裂F19，但对边坡稳定性影响作用不明显。而进水口边坡发育的挤压带和层间错动带、长大结构面及卸荷裂隙等，对边坡稳定性起到重要的控制作用。 （2）通过对边坡岩体结构面进行工程地质特征分类和岩体结构面特征分析。根据岩体强度经验准则的最新研究成果，对工程边坡岩体的力学特性进行了研究，并结合室内实验和现场实验的基础上，获得各类岩体结构面的岩体力学参数指标。 （3）应用边坡岩体质量分级的研究成果，以边坡岩体质量分级的现场定性分级法和SMR 分级法以及修正的CSMR 分级法的基础上，对边坡进行综合岩体质量分级。得出导流洞进水口边坡的岩体结构以薄层～互层状为主，受风化的影响，坡体表面的岩体质量以IV 类为主，而岩体质量总体上以Illa，Illb 类岩体为主。并结合国标中各类岩级的岩体质量参数的取值标准，通过差值法得出各级岩体的综合抗剪强度和变形参数指标。 （4）在野外调查的基础上，对边坡坡体结构和边坡岩体卸荷特征进行研究，将边坡的岩体结构类型和破环模式联系起来，对自然边坡存在的变形破坏模式及其变形破环机理进行分析研究。 （5）采用赤平投影和三维地质模型筛选方法，对边坡可能组合的块体进行搜索，利用块体理论对边坡进行了分析，进而对边坡进行局部稳定性进行评价分析。 （6）本论文对部分块体组合的内在因素敏感性进行分析，发现各敏感因子对边坡块体的稳定性影响规律有一定的相关性。而影响自然边坡块体稳定性的主要因数可分为外因和内因两个方面。其中内因起主导作用，主要包括地下水、地震、块体滑移面内摩擦角等；外因在自然边坡中对块体的稳定性影响作用相对较弱，主要包括人类工程活动和地表水等。 （7）边坡的开挖坡比与稳定性呈在着密切的关系，同时还关系到工程的投资和开挖量的问题。通过野外调查，得出边坡自然坡比，最后通过最大自然坡比与边坡的关系，确立了未来边坡的最佳开挖坡比值。 （8）连通率是反映随机结构面延伸程度和连通状况的一个重要参数，对评价工程岩体的稳定性起着关键的控制作用。本论文通过对边坡岩体连通率模拟，得到连通率与岩体力学强度参数之间的关系，并计算出岩体力学强度参数值。 （9）通过slide软件对自然边坡和未来开挖边坡在各种工况下是对其整体稳定性进行评价分析，得出边坡在暴雨＋地震工况时，边坡的整体稳定系数为1.4以上，说明其稳定性较好。 （10）利用Ansys 有限元软件对边坡的应力场和位移场进行了分析，分析表明：开挖后的边坡会沿着开挖面的临空方向发生卸荷回弹，在边坡开挖底部高程2230m 附近，岩体会发生小规模的变现，而在轴向边坡出现的最大剪应变变形量为0.744mm,表明边坡整体稳定性良好,其模拟结果与边坡稳定性计算分析相符合。