團坡水電站壩址右岸邊坡穩(wěn)定性分析及支護處理

戴年粉

(中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院，貴陽 550081)

1 工程概況

團坡水電站位于貴州省惠水縣境內(nèi)蒙江干流上游河段漣江梯級第三級，為引水式電站，以發(fā)電為主。樞紐建筑物由混凝土重力壩、壩頂自由溢洪道及左岸泄洪兼沖沙洞、右岸引水系統(tǒng)及地面廠房等組成。電站總裝機容量80MW，壩址控制流域面積2010km2，壩址多年平均流量38.3m3/s，多年平均徑流量12.1億m3。工程于2005年5月開工建設，2009年3月投產(chǎn)發(fā)電。

2 右岸壩肩邊坡地形地質(zhì)特點

壩址河谷斷面呈窄“U”形，灰?guī)r峽谷地形，右岸邊坡為陡壁，河床至坡頂高差約150m，自然邊坡坡角約74°。根據(jù)交通洞揭露地質(zhì)情況統(tǒng)計，壩址區(qū)河谷卸荷裂隙主要集中發(fā)育于850m高程以上的弱風化巖體內(nèi)，水平發(fā)育寬度在5～15m，并有上寬下窄之規(guī)律，裂隙發(fā)育方向主要為順河向或以小角度與河谷相交，多張開，充填灰?guī)r碎石及少量黏土，局部形成危巖體。右壩肩邊坡進行845m高程以下開挖時，0+60～0+70樁號845～865m高程段發(fā)生局部坍塌，坍塌方量約350m3。右壩肩地層為三疊系下統(tǒng)馬平群(C3mp)淺灰色厚層塊狀灰?guī)r。壩肩一組卸荷裂隙發(fā)育，長10～30m，寬0.5～2cm，坡頂局部張開3～5cm，間距0.3～5m不等，裂隙連通率為60% ～85%，右壩肩卸荷帶厚度在5～15m。坍塌后局部形成懸空，懸空區(qū)往山體內(nèi)亦可見多條裂隙發(fā)育。壩肩卸荷巖體對下方建筑物安全影響較大，需進行處理。

根據(jù)揭示的地質(zhì)情況，考慮清除強卸荷區(qū)巖體，對弱卸荷區(qū)巖體加強錨固處理，確保錨固段進入非卸荷區(qū)，并按以下參數(shù)復核邊坡穩(wěn)定性。

裂隙 (泥夾巖屑型):f'=0.30，c'=0.005MPa，強卸荷區(qū)裂隙連通率85%，弱卸荷區(qū)裂隙連通率65%。卸荷區(qū)巖體:γ=26.8kN/m3，f'=0.6，c'=0.32MPa。

3 邊坡穩(wěn)定分析

3.1 計算方法

計算采用剛體極限平衡法和能量法 (巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定程序)。

該工程大壩為三等工程3級建筑物，大壩邊坡按2級邊坡設計。根據(jù)規(guī)范，水工建筑物邊坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如下:

a.1級邊坡基本組合時為1.3～1.25，特殊組合時為1.2～1.15。

b.2級邊坡基本組合時為1.25～1.15，特殊組合時為1.15～1.05。

c.3級邊坡基本組合時為1.15～1.05，特殊組合時為1.1～1.05。

3.2 邊坡處理范圍

大壩右壩肩受卸荷裂隙影響，邊坡處理范圍為:壩縱0+039.00～壩縱0+067.314，高程在780～930m之間。

3.3 分析方法

邊坡的穩(wěn)定分析主要有以下方法:

a.定性分析評價。根據(jù)地形、地質(zhì)條件及工程狀況，對邊坡穩(wěn)定作定性分析評價。

b.圖解分析。對于巖質(zhì)邊坡，根據(jù)坡面形態(tài)、巖質(zhì)、結(jié)構(gòu)面、裂隙面等幾何參數(shù)、物理力學參數(shù)，以圖解 (如赤平投影圖)進行分析。

c.工程類比法。主要用于邊坡開挖坡度的分析。

d.數(shù)值計算分析。根據(jù)坡體及邊界的幾何參數(shù)、物理力學參數(shù)，采用剛體極限平衡法或能量法對邊坡進行數(shù)值計算分析，以安全系數(shù)值對邊坡穩(wěn)定作定量分析評價。

剛體極限平衡計算假定和方法眾多，本文采用的計算方法為單一滑面的滑坡穩(wěn)定分析方法。安全系數(shù)K的計算公式為

能量法的原理是:將某一邊坡的塑性區(qū)離散為一系列具有傾斜界面的條塊，如圖1所示。每一條塊都視為剛體，其變形速率為V，與該楔體底線夾角為φe，該楔體與右邊相鄰塊體的相對速度為Vj，此相對速度與該兩塊體交界面的夾角為φej。內(nèi)能耗散發(fā)生于該條塊的底面和條塊間的界面，在條塊內(nèi)為零。若滑坡體被分成n個條塊，則有n－1個界面。功能平衡表達式如下:

上式左邊的第一和第二項分別為沿條間界面底滑面的內(nèi)能耗散，下標e表示相應的強度參數(shù)，其中隱含了安全系數(shù)。第k個界面右邊條塊的速度都可以表示成第一個條塊的速度V1的函數(shù):

其中

式中上標l和r代表界面左和右的物理量，j代表界面上的物理量。θl、θr和θj分別代表左邊條塊、右邊條塊和條塊界面速度與x軸的夾角，均定義為從x正方向開始反時針旋轉(zhuǎn)為正，計算從第一個界面開始，到分割第k和第k+1個塊體的界面終止。第k個界面右邊條塊的速度可以表示成第一個條塊的速度V1的函數(shù):

其中

圖1 能量法計算簡圖

滑裂面上的內(nèi)能耗散由下式確定:

可得計算安全系數(shù)的計算公式如下:

上式中僅包含一個未知量，即隱含于ce和tanφe中的安全系數(shù)，可通過迭代求解。

上述各種方法在邊坡 (滑坡)穩(wěn)定分析中，不是單一的采用和簡單的分析評價，往往是同時采用多種方法來綜合分析評價邊坡的穩(wěn)定性。

3.4 穩(wěn)定計算

3.4.1 物理力學參數(shù)

物理力學參數(shù)建議值見表1。

表1 物理力學參數(shù)建議值

3.4.2 邊坡穩(wěn)定分析剖面

邊坡穩(wěn)定分析剖面見圖2。

邊坡穩(wěn)定分析采用剛體平衡法和能量法 (中國水利水電科學研究院編制的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序EMU)兩種方法進行計算。

3.4.3 荷載組合

由于該工程壩址位置地下水位在780m高程以下，并且整個邊坡的計算考慮排水孔的排水措施，故邊坡的計算僅考慮巖體自重情況下的穩(wěn)定。

3.4.4 計算工況

a.采用剛體極限平衡法計算時 (采用原大壩開挖邊界線)，考慮以下三種工況:

工況1:1號、2號塊體作為整體的穩(wěn)定情況;

圖2 壩縱0+039、0+054及0+061剖面開挖及支護

工況2:挖除1號塊體，2號塊體的穩(wěn)定情況;

工況3:1號塊體的穩(wěn)定情況。

b.采用EMU能量法計算時考慮以下兩種工況:

工況1:挖除1號塊體的情況，但采用原大壩開挖邊界線;

工況2:挖除1號塊體的情況，采用調(diào)整后的開挖邊界線。

分別計算壩縱0+039.00、壩縱0+054.00和壩縱0+061.00三個剖面，采用剛體極限平衡法計算的上述3種工況下的安全系數(shù)，見表2。

表2 剛體極限平衡法計算邊坡安全系數(shù)平均值

利用能量法 (巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序EMU)計算所得的三個剖面兩種開挖方案的安全系數(shù)見表3。

表3 EMU程序計算第2種工況安全系數(shù)平均值

根據(jù)邊坡穩(wěn)定計算的結(jié)果可以看出:

a.采用剛體極限平衡法計算時:a根據(jù)表2，工況3即強卸荷區(qū)穩(wěn)定性很差，不能滿足要求;b根據(jù)表2，工況1即強卸荷區(qū)不挖除的情況，穩(wěn)定性差，不能滿足要求;c根據(jù)表2，工況2即挖除強卸荷區(qū)的情況，穩(wěn)定性比其他工況有所提高，但也不能滿足要求。

上述計算表明:強卸荷區(qū)已處于不穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性較差;經(jīng)比較應全部清除;邊坡在下部切角的情況下，即使挖除上部強卸荷區(qū)，穩(wěn)定性仍然較差，需采取工程加固措施。

b.采用EMU能量法計算時:a對于原開挖方案，邊坡在下部切角的情況下，即使挖除上部強卸荷區(qū)，穩(wěn)定性仍然較差，需采取工程加固措施;結(jié)果與采用剛體極限平衡法計算時工況2相當;b下部邊坡調(diào)整開挖方案后，穩(wěn)定能滿足要求。

4 處理措施

右岸邊坡上部多挖不錨。下部支護方式措施如下:

a.790～820m高程之間，增設長錨桿，布置L=9m、3.5m×3.5m錨桿。

b.其余部位按原設計掛網(wǎng)噴錨支護方案不變，取消排水孔布置。

c.強卸荷區(qū)開挖后不進行掛網(wǎng)噴錨支護，但考慮爆破影響，結(jié)合工程具體情況，應增設隨機錨桿和局部噴混凝土支護。

通過此次對大壩開挖邊界的調(diào)整，雖然825m高程以上的邊坡開挖量增加了1.2萬m3，但是在825～772m高程的邊坡開挖量卻減少了1.4萬m3，且取消了825m高程以上的邊坡支護工程量 (錨桿量、掛網(wǎng)鋼筋量、噴混凝土量及排水孔)，只增設隨機錨桿，減小了施工難度。

5 結(jié) 語

該工程已投產(chǎn)運行4年，根據(jù)運管單位對邊坡的觀測，截至目前未發(fā)現(xiàn)邊坡有異常情況，邊坡變形已趨于穩(wěn)定，因此該工程邊坡處理方案是合理的。