坪頭水電站柳洪溝下游側變形土體穩定分析及加固設計

龐明亮，張 敬，田啟文

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪頭水電站為單一發電工程，無灌溉、防洪等綜合利用要求，電站開發方式為閘壩引水式開發，主要建筑物由首部樞紐、引水系統和廠區樞紐三大部分組成。首部樞紐位于柳洪溝下游650m附近，建筑物從右岸至左岸依次由右岸擋水壩、三孔泄洪閘、一孔沖砂閘及進水口等建筑物組成。閘頂高程915.00m，最大閘高38.50m，閘線總長約115.00m，各建筑物均為混凝土結構。進水口布置在河床左岸，其前緣線與攔河閘軸線呈120°夾角，由攔污柵、明渠漸變段和正方形引水隧洞段等建筑物組成。

柳洪溝下游側變形土體位于閘址進水口上游約30.0～40.0m、1 043.00m高程以上，在地形上為一小沖溝，組成物質為古滑坡堆積的塊碎石土，坡面天然坡度35°～45°。目前，變形土體已存在明顯的拉裂縫，穩定性較差，在暴雨的條件下，有可能失穩。由于該土體位于進水口上方，高程相差約150.0m，如其失穩，失穩土體將直接沖擊進水口，且下沖勢能巨大，對進水口形成巨大的威脅，嚴重影響電站的安全運行。

2 變形土體地形地質條件

柳洪溝下游側坡洪積變形土體在1 043.00m高程以下為基巖陡壁，以上為覆蓋層斜坡。在1 043.00m高程以上發育有一凹槽，凹槽上游側在1 043.00～1 100.00 m高程，地形坡度為25°～35°，1 100.00m高程以上，地形坡度為10°～15°；下游側在1 043.00～1 130.00 m高程，地形坡度為30°～40°，1 130m高程以上，地形坡度為15°～20°；后側(緣)在1 043.00～1 125.00m高程，地形坡度為35°～45°，1 125.00m高程以上，地形坡度為15°～20°。該凹槽陡坡段順河長120～150m，橫河寬110～160m。目前已變形坡洪積土體就處于凹槽內中心部位，其分布高程在1 043.00～1 103.00m，順河長30～45m，橫河寬90～100m。天然條件下受降雨沖刷，在凹槽內1 103.00m高程以下土體已出現淺表蠕滑變形現象，淺表部分土體沿凹槽溝心呈牽引式下滑至美姑河內。在凹槽后側陡坡靠溝心1 102.00～1 103.00m高程可見多條拉裂縫，拉裂縫一般長3～5m、寬5～10cm，可見深度大于2m，裂縫兩側存在明顯錯臺，高度一般在數厘米間。在后側1 118.00～1 120.00m的高程可見個別拉裂縫，拉裂縫一般長1～2m、寬2～5cm，可見深度大于0.5m。雖在凹槽后側1 118.00～1 120.00m高程可見個別拉裂縫，但在凹槽上、下游側均未見有拉裂縫等變形跡象。

凹槽內除變形土體外，上部陡坡為古滑坡堆積的塊碎石土，結構較緊密，其間夾較多的大塊石、孤石，細粒土含量較高。在已變形坡洪積土體的后側(即1 103.00m高程以上)布置了兩個鉆孔，勘探揭示處于凹槽頂部的覆蓋層厚18～30m，其組成物為古滑坡塊碎石土，結構較緊密，其間所夾的細粒土層厚2～4m，視傾坡外，傾角約4°，土體內未見地下水。巖層層面傾坡外偏上游。前緣變形土體以古滑坡堆積物為主，部分為經后期物理地質作用所形成的坡洪積堆積物，其在1 103.00m高程以下，厚度小于10m，結構較松散，后緣1 102.00～1 103.00m高程存在明顯的拉裂縫及錯臺，變形土體總體上處于淺表，并發生于雨季，變形表現為前緣土體牽引式蠕滑，規模較小，局部土體沿凹槽溝心滑落至美姑河中。降雨后在溝心土體內有細股狀地下水出滲，估算凹槽內1 102.00～1 103.00m高程拉裂縫以下，目前已蠕滑變形的土體約有3 000m3。

3 穩定性分析

3.1 設計標準

根據水工建筑物邊坡等級劃分標準，柳洪溝下游側變形土體為Ⅱ級邊坡，在采用極限平衡方法穩定分析時，其設計安全系數不低于表1規定的數值。

表1 邊坡抗滑穩定安全系數控制標準

3.2 失穩模式和計算剖面

柳洪溝下游側變形土體在地形上處于一凹槽內，坡面天然坡度35°～45°。在1 043.00m高程以下為基巖，凹槽順河寬30.0～40.0m在1 043.00m高程以上為覆蓋層，組成物質為古滑坡堆積的塊碎石土，凹槽順河寬逾100m。覆蓋層厚5.0～30.0m，根據鉆孔資料揭示，覆蓋層為古滑坡體塊碎礫石土，其中下部為礫石粉砂土，黃褐色粉砂土約占50%～70%，下覆基巖為奧陶系下統紅石崖組灰綠色泥質粉砂、頁巖。

柳洪溝下游側變形土體地質平面見圖1。根據變形土體地形、地質結構等基本特征，以及目前出現的蠕滑變形現象，柳洪溝下游側變形土體失穩的主要模式為：變形土體沿基覆界線相對軟弱土體滑移。對于橫Ⅱ典型剖面(見圖2)，后緣面位于高程1 103.00m，即變形土體地表出現變形位置，前緣剪出口位于高程1 060.00m，土體主要沿基覆界線相對軟弱土體變形滑移。

3.3 穩定計算

3.3.1 計算方法和計算工況

平面剛體極限平衡分析采用spencer法，計算程序為中國水利水電科學研究院編制的邊坡穩定分析程序STAB。

圖1 變形土體地質平面

圖2 變形土體典型剖面

計算分別考慮4種工況：

工況1：天然無水狀態；

工況2：天然無水狀態+地震(7度地震)；

工況3：暴雨狀態下土體飽水，飽水高度為1/4土體高；

工況4：暴雨狀態下土體飽水，飽水高度為1/2土體高。

3.3.2 計算參數

根據地勘成果，在進行穩定性計算時，柳洪溝下游側變形土體巖土體物理力學強度參數取值見表2，各典型剖面計算結果見表3。

3.4 穩定分析主要結論

通過宏觀穩定判斷、穩定計算及敏感性分析，柳洪溝下游側變形土體穩定分析主要結論是：

表2 變形土體巖土體物理力學強度參數

表3 變形土體抗滑穩定計算成果

(1)天然狀態下、不考慮地下水的作用，柳洪溝下游側變形土體橫Ⅱ典型剖面整體變形滑移模式穩定安全系數為1.02，大于1.0但略小于安全系數控制標準1.15，表明柳洪溝下游側變形土體在天然狀態下，不考慮地下水的作用時欠穩定，處于臨界穩定狀態。

(2)當考慮地震作用時，柳洪溝下游側變形土體整體變形滑移模式安全系數為0.99，變形土體欠穩定。

(3)在暴雨條件下，變形土體開始飽和，出現滲流，安全系數降低。當飽和土體高度為1/4土體高時，安全系數為0.91；當飽和土體高度為1/2土體高時，安全系數為0.80；隨飽和土體高度增加，安全系數降低，土體不穩定性增加。

(4)由于柳洪溝下游側變形土體地形較陡，在考慮暴雨條件下變形土體存在滲流作用時，變形土體安全系數有大幅度的降低，表明滲流作用是影響邊坡穩定的最主要因素。在變形土體加固設計中，應首先考慮截、防、排工程措施以降低地下水滲流對變形土體穩定的影響。

4 加固方案

4.1 方案論證

根據穩定分析成果和工程經驗，地下水對變形土體的穩定有較大的影響。為了降低地下水對變形土體的影響程度，盡量提高邊坡穩定性，保證暴雨狀態下土體飽水，飽水高度為1/4土體高度設計加固工況的合理性，加固方案首先考慮地表截、排水措施，截水措施主要為變形土體周邊截水溝，排水措施主要為沖溝排水溝。在此基礎上，為保證變形土體在設計工況下的穩定性，布置預應力土體錨索及混凝土框格梁加固變形土體。

4.2 方案布置

4.2.1 坡面截排水

根據DL/T5353-2006《水電水利工程邊坡設計規范》規定，地表排水按20年一遇降雨強度進行設計。

排水主溝布置在變形土體左側天然沖溝部位，順溝心縱向布置，主要作用是將沖溝范圍內匯水盡快排走，防止沖溝匯水進入變形土體，減少進入變形土體地表匯水量。排水主溝采用梯形斷面，底寬0.8m，深0.5m，材料采用M7.5漿砌石，表面2.0cm厚砂漿抹面。由于沖溝縱向坡度較大，排水主溝在縱向布置為臺階狀。

截水溝布置在變形土體右側天然淺溝部位，主要作用是防止變形土體右側地表匯水進入變形土體，并在變形土體范圍以外較高高程設置周邊截水溝，以攔截變形土體上部坡面匯水，將匯水分別引向上、下游較遠的部位。截水溝采用梯形斷面，底寬0.5m，深0.5m，材料采用M7.5漿砌石，表面2cm厚砂漿抹面。

4.2.2 錨索+混凝土框格梁

采用錨索混凝土框格梁對變形土體進行護坡，護坡范圍為高程1 067.50～1 095.50m，高28.0m，寬73.0m。預應力錨索采用750kN級拉力分散型無粘結錨索，布置在混凝土框格梁結點上，間、排距6.0m×6.0m，深15.0～18.0m，穿過變形土體，錨入巖體?；炷量蚋窳翰捎肅20鋼筋混凝土結構，間、排距3.0m×3.0m，斷面尺寸0.4m×0.6m。

4.3 方案加固后邊坡穩定

方案加固后，計算典型剖面工況1、工況2及工況3的抗滑穩定性計算結果見表4。

表4 變形土體加固后抗滑穩定計算成果

5 結束語

柳洪溝下游側變形土體目前已存在明顯的拉裂縫，穩定性較差，在暴雨條件下，有可能失穩。如其失穩，失穩土體將直接沖擊進水口，且下沖勢能巨大，對進水口形成巨大的威脅，影響電站的安全運行。因此，應對柳洪溝下游側變形土體進行適當的工程處理。經方案論證，柳洪溝下游側變形土體加固方案首先考慮地表截、排水措施，在此基礎上，采用錨索+混凝土框格梁加固變形土體。邊坡穩定計算成果表明：采用前述方案加固后的變形土體穩定安全性有明顯的改善，加固后的穩定安全系數滿足規范的要求。