大中河水庫順層巖質邊坡覆蓋層開挖整治模擬分析

沈新建

（惠州市水電建筑工程有限公司，惠州516000）

1 前言

隨著國內大量水庫的修建，形成了不少庫岸邊坡，特別是順層巖質邊坡，其穩定性問題對水庫的正常運行影響很大［1-3］。大中河水庫位于云南省思茅市六順鄉境內，距思茅城50km，是一座以農業灌溉為主，兼顧發電、人畜飲水和防洪的中型水利工程。為進一步合理利用水資源，在保證下游河道生態、本流域農業灌溉和生活用水需求后，引水至信房水庫，向思茅壩區調水，供給城鎮生活和工業用水，解決普洱市城市規模快速發展對水資源的需求問題，支撐經濟社會可持續發展。調水工程完工后，預計每年可從大中河水庫調入思茅城區水量4730萬m3，可滿足預計的用水需求。大中河水庫思茅壩區引水工程2013年5月8日開工建設，工程概算總投資5.6億元，工程直接費用4.2億元。

大中河水庫引水工程涉及大量邊坡開挖，庫岸邊坡基巖大部分裸露，且表層覆蓋較厚的第四系殘坡積層，加之巖層走向近乎與坡面線平行，屬于順層巖質邊坡，導致開挖邊坡的穩定性很差。因此，為保障引水工程建設的順利開展，應對庫岸邊坡進行整治加固。

基于大中河水庫地質勘測報告，建立水庫典型邊坡斷面，采用有限元法［4-6］對邊坡覆蓋層的開挖和加固過程進行模擬分析，旨在對施工過程中邊坡的各項指標變化進行監測，并優化加固參數。

2 工程概況

2.1 大中河水庫引水工程

大中河水庫多年平均來水量7180萬m3，水庫死水位1039m，正常蓄水位1075.53m；水庫總庫容5600萬m3，興利庫容4327萬m3，死庫容210萬m3。按2030水平年，P=95%供水保證率下大中河水庫可向思茅壩區調水3150萬m3，以滿足思茅壩區需水要求。

工程總體布置，從大中河水庫壩后零級電站壓力鋼管取水，一級泵站提水后繞大中河水庫右岸向思茅壩區方向輸水，一級泵站提水至1211.5m高程，隨后自流經過大中河1#箱涵、大中河水庫1#隧洞、大中河水庫2#箱涵、大中河水庫2#隧洞等14個建筑物，到達位于曼彎村西北側900m山脊的二級泵站，經二級泵站提水至山頂水池，水位高程1391m，隨后自流經過平掌梁子箱涵、丫口寨渡槽、大地山隧洞、曼歇倒虹吸等26個建筑物，于信房水庫西側副壩右岸進入信房水庫，線路全長43.64km。

2.2 二級泵站工程地質條件

二級泵站位于曼灣村西北方向900m處，泵房處于山坡坡腳下，所處區域為構造侵蝕淺切割低中山溝谷斜坡地貌，下伏基巖為中侏羅統花開左組（J2h）砂泥巖，巖層微傾向山內，傾角30°～35°，地形坡度一般30°左右，巖層走向與坡面線近平行，屬于典型的順層巖質邊坡。另外，邊坡表面覆蓋殘坡積層（Qedl），分布于區內山坡表層，主要為褐紅色砂質黏土、粉土，厚度1.5～3m，膠結差，浸水后易于崩解。廠房開挖邊坡為順向坡，表面覆蓋層和強風化巖石抗剪強度低，開挖邊坡穩定性較差，需及時采取加固處理措施。

3 邊坡模型建立與計算參數選取

根據大中河水庫地質勘測報告得到了引水工程二級泵站某典型邊坡斷面內部巖土體巖層走向及分布，邊坡斷面地層從上至下可劃分為：表面覆蓋層、強風化帶、中風化帶和弱風化帶，另外，選取斷面內含泥質砂巖藏于中風化帶內部。

基于相關勘測結果及地質資料，建立了邊坡有限元模型，邊坡模型高40m，長80m，坡角30°，如圖1。

圖1 某開挖邊坡斷面有限元模型及巖層分布

選取不同風化帶土樣進行相關土工試驗，得到了數值計算所需的力學參數，如表1。

表1 邊坡巖體有限元計算力學參數

4 計算結果及分析

4.1 邊坡位移場

大中河水庫庫岸邊坡覆蓋層開挖后邊坡發生的水平位移場，如圖2。其中圖2（a）為開挖不支護，圖2（b）為開挖并支護，規定位移向左為正，向右為負。

圖2 邊坡坡積層開挖后水平位移

由圖2（a）可知，當覆蓋層開挖后不采取支護時，位于強風化帶的巖體出露，在開挖卸荷作用的影響下，巖體應力得到釋放，以前受壓的巖體變為受拉，所以邊坡表面發生面向臨空方向的水平位移，且主要集中在邊坡中上部位，最大水平位移4.75mm，而邊坡坡腳位置發生位移較小；當邊坡覆蓋層開挖，并及時采取加固措施后（邊坡表面采用網格梁植草護坡，邊坡中下部加抗滑樁），邊坡表面發生位移和范圍均大大減小，最大水平位移也僅有1.7mm。說明邊坡覆蓋層開挖后，及時采取加固措施，可大大減小邊坡表面發生的位移。

為進一步分析大中河水庫庫岸邊坡覆蓋層開挖前后邊坡穩定性變化情況，采用邊坡節點最大位移突變作為指標，計算了3種情況不同折減系數［7-9］下邊坡的最大節點位移，得到了3種情況下邊坡的安全系數，計算結果如圖3。

圖3 不同工況邊坡最大節點位移隨折減系數增加變化曲線

分析發現，邊坡最大位移隨折減系數的增加而逐漸增大，剛開始增加幅度不大，最后發生突變，急劇增加。計算結果表明：邊坡在自然狀態下，當折減系數增加到1.4時，位移由11mm突然增加到26mm，可認為自然狀態下計算邊坡的安全系數為1.4；同理，可以得出邊坡開挖后（不加固）安全系數為1.9，說明削坡減壓有助于提高邊坡穩定性，而當采取加固措施后，安全系數進一步增加到2.6。

4.2 邊坡破壞模式

通過有限元法自動搜索得到了3種工況下大中河水庫庫岸邊坡的危險滑裂面，如圖4。

圖4（a）表明，自然狀態下邊坡的最危險位置位于距離坡腳一定高度的邊坡覆蓋層，容易在外界作用下發生覆蓋層滑動，為了保障工程安全，應當及時對表層覆蓋體進行開挖清除；當覆蓋層開挖后，邊坡穩定性得到一定提升，滑裂面向內擴展，危險滑裂面位于強風化層和中風化層之間，最終沿坡腳位置剪切滑出，如圖4（b）；當進行加固后，如圖4（c）。網格梁可有效控制邊坡表面發生的位移，抗滑樁則插入到不穩定地層以下，將強風化層和中風化層連接起來，通過抗滑樁將受力傳遞到中風化層的巖體，大大增加了邊坡的抗滑力，與上述安全系數分析結果吻合。此時，邊坡破壞時的滑裂面則進一步向內擴展，位于中風化層和弱風化層之間，說明采用網格梁和抗滑樁加固邊坡效果明顯。

圖4 不同工況下邊坡的危險滑裂面

分析可見，對于順層巖質邊坡，邊坡的穩定性往往受巖層走向控制。特別是巖層傾角和邊坡坡角相當時，邊坡處于最不穩定狀態，更應引起重視。

4.3 加固參數對邊坡穩定性影響

大中河水庫邊坡加固主要采用了表面網格梁植草護坡和中下部抗滑樁加固處理。其中網格梁護坡作用通過在模型中輸入對應強度參數即可，網格梁截面如圖5。

圖5 網格梁植草護坡設計

抗滑樁采用板單元模擬，選用彈性材料，主要參數包括軸向剛度EA和抗彎剛度EI，表示抗滑樁單位寬度受力（kN/m）。抗滑樁軸向剛度主要體現其抗壓和抗拉能力，而抗彎剛度則反映了抗剪斷能力，由于順層邊坡破壞模式多屬于失穩剪切破壞，故只分析抗滑樁不同抗彎剛度對邊坡的穩定性影響。

計算結果如圖6。當抗彎剛度在1600kN/m以下時，隨著抗彎剛度的增加，邊坡的安全系數增加明顯；而當抗彎剛度超過1600kN/m時，隨著抗彎剛度的增加，邊坡的安全系數增加很小，幾乎維持在2.8左右。計算結果表明，本工程中抗滑樁抗彎剛度在1600kN/m為宜，太小難以保證加固效果，過大則會造成浪費。

圖6 邊坡安全系數隨抗滑樁抗彎剛度增加變化

5 結語

基于大中河水庫引水工程地質勘測報告相關數據，建立了二級泵站廠房邊坡斷面，對邊坡表面覆蓋層的開挖和加固過程進行模擬分析，計算結果表明：

（1）泵站廠房邊坡覆蓋層開挖后，邊坡的穩定性得到一定提升，安全系數由1.4增加到1.9，但開挖將導致強風化帶巖層出露，局部位置將發生較大位移，采取加固措施后，位移得到有效控制，邊坡穩定性進一步提升。

（2）計算得到了不同工況下邊坡的危險滑裂面。自然狀態下，邊坡最危險位置位于坡腳上部的覆蓋層，易出現覆蓋層滑移；當邊坡覆蓋層開挖后，滑裂面位于強風化層和中風化層之間；而采用網格梁和抗滑樁加固后，危險滑裂面向內擴展，位于中風化層和弱風化層之間。

（3）計算了抗滑樁不同抗彎剛度對提高邊坡穩定性大小的影響，發現抗彎剛度在1600kN/m時，提升邊坡穩定性較大，且最為經濟。

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