兩河口水電站開關站邊坡穩(wěn)定特性及深層支護措施研究

呂文龍，廖成剛，侯東奇，楊　英

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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兩河口水電站開關站邊坡穩(wěn)定特性及深層支護措施研究

呂文龍，廖成剛，侯東奇，楊英

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072)

開關站邊坡是兩河口水電站重要的工程邊坡，邊坡節(jié)理、裂隙發(fā)育，存在斷層等軟弱結構面，巖體卸荷深度較大，地質(zhì)條件復雜?；跇O限平衡理論，采用SLIDE邊坡計算軟件，對兩河口開關站邊坡穩(wěn)定特性及深層支護措施進行研究，為實際工程的設計和施工提供依據(jù)。

開關站邊坡；極限平衡理論；SLIDE；穩(wěn)定分析；深層支護措施

0　前　　言

兩河口水電站位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約2 km河段，是雅礱江中下游流域的控制性水庫電站工程。電站采用壩式開發(fā)，壩高295 m，水庫正常蓄水位2 865 m，電站裝機容量3 000 MW，多年平均年發(fā)電量110億kW·h。地面開關站位于右岸進水口和右壩肩之間的高程2 875 m平臺，邊坡最大開挖高度約160 m，地質(zhì)條件復雜，穩(wěn)定問題突出[1]。結合兩河口水電站地質(zhì)資料，采用加拿大 RocScience 公司開發(fā)的SLIDE邊坡計算軟件，選取典型剖面，建立開關站邊坡的計算模型，研究邊坡的穩(wěn)定特性；對比分析不同深層支護措施下邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，選取合適的支護措施，指導工程設計和施工。

1　邊坡工程地質(zhì)概況

地面開關站布置于右岸高程2 875.00 m平臺上，位于右壩頂平臺上游側(cè)、進水口邊坡下游側(cè)。邊坡設計開挖縱向長度約173 m，最大開挖高度約160 m，每25 m高度布置一層寬度3 m的馬道，其中高程2 875～2 900 m、2 900～2 925 m設計開挖坡比為1∶0.5，高程2 925 m馬道以上設計開挖坡比為1∶0.75[2]。

開關站邊坡總體走向為S10°W，地形坡度45°～50°；基巖大多裸露，出露三疊系下統(tǒng)兩河口組中段T3lh2(2)-①、T3lh2(2)-②、T3lh2(3)地層，巖性為變質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖，巖層產(chǎn)狀為N60°～75°W/SW∠60°～75°，與河流近正交。地質(zhì)構造以發(fā)育一套層面裂隙為主的節(jié)理裂隙系統(tǒng)，小斷層以順層擠壓帶為主，多為Ⅳ級結構面，f18-5、f16-3等NNW向順坡中緩傾角小斷層局部發(fā)育；淺表部裂隙極為發(fā)育，構成局部的順坡板裂狀結構；無強風化帶發(fā)育，弱上風化巖體水平深度15～25 m，弱下風化巖體水平深度15～85 m。巖體卸荷主要沿已有構造結構面繼承式進行，強卸荷帶水平深度一般達25～42 m，弱卸荷水平深度一般為25～99 m。開關站邊坡平面布置見圖1，典型地質(zhì)剖面見圖2。

2　計算模型

2.1計算方法及原理

SLIDE軟件使用垂直條塊極限平衡分析方法來分析滑動面的穩(wěn)定性，可分析指定滑面，也可使用自動搜索方法來搜尋給定邊坡的臨界滑動面，該軟件集成了 Bishop、Spencer 和其他一些方法，在巖土工程領域應用廣泛[3]。

邊坡穩(wěn)定分析的極限平衡方法是土力學中的一個經(jīng)典領域，該方法以M-C抗剪強度理論為基礎，將滑坡體劃分成若干垂直條塊，建立作用在垂直條塊上的力的平衡方程式，求解安全系數(shù)[4]。該方法采用摩爾庫侖屈服準則，安全系數(shù)的定義為沿滑動面的抗剪強度與滑動面上實際剪力的比值，安全系數(shù)K用公式表示如下：

圖1　開關站邊坡平面布置示意

圖2　開關站邊坡典型地質(zhì)剖面示意

2.2模型概化及邊界條件

對開關站邊坡選取A-A、B-B、C-C、D-D、E-E 5個典型剖面，分別建立模型進行計算。計算模型高程范圍為2 750～3 150 m，按巖體質(zhì)量確定介質(zhì)類別，將Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ1、Ⅴ1類巖體、斷層建立實體模型，未考慮構造應力。模型底部(Z=2 750 m)設為固定約束邊界，兩邊側(cè)向設為單向邊界，山坡表面為自由表面。開關站邊坡典型剖面計算模型見圖3。

圖3　開關站邊坡典型剖面計算模型

根據(jù)兩河口水電站地質(zhì)資料，對巖體參數(shù)進行敏感性分析與反演，確定計算模型的巖體及結構面力學參數(shù)，具體見表1。

表1　開關站邊坡巖體及結構面力學參數(shù)

2.3計算工況及安全標準

計算主要考慮天然工況、暴雨工況和地震工況等三種不同工況下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。暴雨工況按0.1倍的孔壓系數(shù)考慮；兩河口水電站地震基本烈度為Ⅶ度，地震工況地震水平峰值加速度取137.2gal。

開關站邊坡屬1級工程邊坡，根據(jù)SL386-2007《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》規(guī)定[5]，采用極限平衡方法計算的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標準見表2。

表2　開關站邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標準

3　邊坡破壞模式分析

開關站邊坡主要以Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅴ1類巖體為主，局部有f4、f12、f16-3、f18-5等幾條斷層穿過。由于開關站邊坡的設計開挖坡比大于巖體的穩(wěn)定坡比及受斷層的影響，邊坡主要的滑移破壞模式有兩種：一種是沿Ⅴ1巖體內(nèi)危險滑面發(fā)生的滑動破壞;另一種是以斷層等軟弱結構面為底滑面的楔形滑移拉裂[6]。5個典型剖面中，除C-C剖面無斷層底滑面外，其余4個典型剖面均存在以斷層為底滑面發(fā)生滑動破壞的可能。

開關站邊坡各典型剖面在天然工況下兩種滑移破壞模式邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表3,E-E剖面兩種滑移破壞模式下穩(wěn)定計算簡圖見圖4、5。

表3　各典型剖面天然工況下兩種滑移破壞模式邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

從開關站邊坡4個典型剖面天然工況下兩種滑移破壞模式的穩(wěn)定安全系數(shù)對比分析可以看出，以斷層為底滑面的滑動破壞模式穩(wěn)定安全系數(shù)均大于沿Ⅴ1類巖體內(nèi)危險滑面滑動破壞模式的穩(wěn)定安全系數(shù)，以第一種滑動破壞模式作為邊坡穩(wěn)定設計的控制失穩(wěn)模式比較合理。

圖4E-E剖面滑動破壞模式一穩(wěn)定計算簡圖圖5E-E剖面滑動破壞模式二穩(wěn)定計算簡圖

4　邊坡深層支護措施研究

4.1深層支護措施對比分析

前面的計算結果表明，開關站邊坡在未采取支護措施的情況下，5個典型剖面天然工況下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求。計算以B-B剖面為例，對開關站邊坡的深層支護措施進行對比分析，計算結果見表4。

開關站邊坡在天然工況下B-B剖面深層支護措施對比分析的結果表明：錨索錨固角對邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)影響較小，錨固角越大，施工難度越大；錨索設計長度達到一定值時，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)基本不變，設計時保證錨索伸入Ⅳ類巖體10～15 m的情況下即可滿足支護要求；錨索布置的間排距和設計噸位對邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大，應在保證安全的前提下考慮經(jīng)濟性和可行性。

表4　天然工況下B-B剖面不同支護措施邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)對比分析

綜合邊坡深層支護措施對比分析的結果，選取開關站邊坡的深層支護措施：高程2 925 m馬道以下邊坡選用錨索設計噸位200 t，長30 m，錨固角-15°，間排距5 m×5 m布置；高程2 925～2 975 m邊坡選用錨索200 t，長40 m，錨固角-15°，間排距5 m×5 m布置；高程2 975 m以上邊坡選用錨索200 t，長50 m，錨固角-15°，間排距4 m×4 m布置。

4.2穩(wěn)定計算

根據(jù)選取的深層支護措施，對開關站邊坡支護前后分別進行穩(wěn)定計算，計算成果見表5，典型剖面B-B支護后三種工況下穩(wěn)定計算簡圖見圖6～8。

表5　開關站邊坡支護前后穩(wěn)定安全系數(shù)

開關站邊坡支護前后分別進行穩(wěn)定計算結果表明：開關站邊坡支護前，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，考慮選取的深層支護措施后，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，驗證了深層支護措施的合理性。

5　結　論

(1)開關站邊坡破壞模式分析結果表明：以斷層為底滑面的滑動破壞模式穩(wěn)定安全系數(shù)均大于沿Ⅴ1類巖體內(nèi)危險滑面滑動破壞模式的穩(wěn)定安全系數(shù)，以沿Ⅴ1類巖體內(nèi)危險滑面滑動的破壞模式作為邊坡穩(wěn)定設計的控制失穩(wěn)模式較為合理；

(2)根據(jù)開關站邊坡深層支護措施對比分析結果，選取開關站邊坡的深層支護措施：高程2 925 m馬道以下邊坡選用錨索設計噸位200 t，長30 m，錨固角-15°，間排距5 m×5 m布置；高程2 925～ 2 975 m邊坡選用錨索200 t，長40 m，錨固角-15°，間排距5 m×5 m布置；高程2 975 m以上邊坡選用錨索200 t，長50 m，錨固角-15°，間排距4 m×4 m布置；

(3)通過對開關站邊坡支護前后穩(wěn)定計算分析，開關站邊坡支護前，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求；考慮選取的深層支護措施后，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，驗證了深層支護措施的合理性。

[1]黃潤秋.中國西南巖石高邊坡的主要特征及其演化[J]. 地球科學進展, 2005,20(3):292-297.

圖6B-B剖面天然工況穩(wěn)定計算簡圖圖7B-B剖面暴雨工況穩(wěn)定計算簡圖圖8 B-B剖面地震工況穩(wěn)定計算簡圖

[2]中國電建集團成都勘測設計研究院.四川省雅礱江兩河口水電站可行性研究報告[R].成都:2013(1).

[3]朱澤勛,吳 莉.基于SLIDE的某尾礦庫邊坡穩(wěn)定性分析[J].采礦技術, 2011,11(6):49-50,128.

[4]宋勝武,馮學敏,向柏宇,邢萬波,曾勇.西南水電高陡巖石邊坡工程關鍵技術研究[J].巖石力學與工程學報,2011,30(1):1-21.

[5]SL386-2007《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》[S].中國水利水電出版社:2007.

[6]祝懷田,沈軍輝,李澤澤等.兩河口水電站引水進口邊坡變形穩(wěn)定性分析[J]. 地質(zhì)災害與環(huán)境保護, 2008,19(4):96-100.

2015-10-15

呂文龍(1987-)，男,河南杞縣人,工程師，從事水工結構及巖土工程等方面的設計研究工作。

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