黃金坪水電站尾水出口邊坡開挖支護優化設計

尹 葵 霞，　樊 熠 瑋

(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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黃金坪水電站尾水出口邊坡開挖支護優化設計

尹 葵 霞，樊 熠 瑋

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：黃金坪水電站左岸地下廠房尾水出口邊坡大部分為巖質邊坡，可研設計階段尾水邊坡開挖高度較高，工程量較大，開挖范圍較廣。開挖實施過程中，為減少邊坡開挖爆破對附近姑咱鎮居民的影響，降低或避免社會與環保風險，結合尾水出口閘墩設計調整，對邊坡開挖開展了大量的優化設計調整工作，有效控制了邊坡開挖高度，節約了工程投資。

關鍵詞：黃金坪水電站；邊坡；EMU；優化設計

1概述

黃金坪水電站位于大渡河上游河段，系大渡河干流水電規劃“三庫22級”中的第11級電站。水庫正常蓄水位高程為1 476 m、相應水庫庫容為1.28億m3，電站總裝機容量為850 MW，其中右岸環保電站安裝2臺單機容量為25 MW的水輪發電機組。電站采用水庫大壩和“一站兩廠”的混合式開發，樞紐建筑物主要由瀝青混凝土心墻堆石壩、1條岸邊溢洪道、1條泄洪(放空)洞、左岸引水發電建筑物和右岸環保電站引水發電建筑物等組成。

黃金坪水電站引水發電系統由左岸引水發電建筑物和右岸引水發電建筑物等組成，其中左岸兩條尾水隧洞出口位于大渡河左岸姑咱鎮附近。招標設計階段尾水洞出口設置檢修閘門室，上部布置過閘交通橋，閘室段順水流向總長15 m。

根據尾水出口布置情況，建筑物包括檢修閘室和過閘交通，加之尾水隧洞斷面較大，因此需要對出口山體進行大范圍開挖。根據尾水出口巖體地質條件，穩定開挖坡比為1∶0.75。為減小邊坡開挖高度，按照1∶0.5進行開挖與支護設計，邊坡開挖高度約為146 m。

尾水出口大渡河對岸為姑咱鎮，房屋和人口密度較大，直線距離約70余m，盡管出口邊坡開挖爆破點位于居民點爆破安全距離外，但仍可能對姑咱鎮房屋和人員產生不利影響，或將引發社會風險。

為減少對當地居民和社會的干擾，維護社會穩定，保證工程順利進行，設計單位對尾水邊坡開挖開展了大量的優化設計工作。

2出口邊坡地質條件

黃金坪水電站左岸地下廠房尾水洞出口邊坡地形陡峭，大部分基巖裸露，近三面臨空。自然邊坡坡度一般為40°～50°，自然坡高600 m以上，巖體風化、卸荷深度大。尾水隧洞出口邊坡巖性以晉寧-澄江期斜長花崗巖及閃長巖為主，物理地質現象主要表現為巖體風化、卸荷和崩塌，巖體強卸荷水平深度為28 m，弱卸荷水平深度為105 m，弱風化水平深度為190 m。

邊坡巖體中無較大規模的斷層分布，巖體結構總體為次塊狀～塊裂結構，局部為碎裂結構。邊坡強卸荷帶巖體以Ⅳ類為主，弱卸荷帶內巖體以Ⅲ類為主。

通過對尾水隧洞出口自然邊坡的巖性、構造、物理地質現象以及邊坡巖體結構特征進行的綜合分析表明自然邊坡整體基本穩定，其變形破壞形式主要為后坡強卸荷松動危巖體的崩塌失穩以及滑移拉裂。

尾水隧洞工程邊坡出口主要發育的代表性結構面為：J1、J2、J8三組裂隙及f7-2’、f7-3、f7-5三條小斷層，洞臉邊坡存在以下變形破壞類型：

①以f7-3、J2等緩傾角順坡結構面為主滑面，f7-2＇、f7-7、J8等中陡傾角結構面為后緣切割面，f7-5、J1結構面為側向切割面，構成潛在平面滑移拉裂破壞；

②沿J8等陡傾角結構面發生傾倒～崩塌破壞；

③f7-3、f7-2＇、J1、J2等結構面間構成楔形滑移拉裂破壞的不利組合。

3邊坡開挖招標設計

根據尾水洞出口地質條件，經分析計算，按照“強支護，少開挖”的原則，擬定尾水洞出口邊坡開挖支護坡比為1∶0.5，每20 m設一馬道，馬道寬2 m。尾水洞出口最大坡高146 m，開挖工程量約為19萬m3。

由于邊坡次級小斷層及節理、裂隙發育，經組合形成不利穩定塊體，故局部存在楔形滑移拉裂、平面滑移拉裂、傾倒～崩塌等多種變形破壞型式。按照地質人員分析的潛在滑移組合模式，采用規范推薦的傳遞系數法進行整體穩定計算。支護方式及計算剖面見圖1。

圖1　尾水洞出口典型開挖邊坡剖面圖

4尾水出口邊坡優化設計

4.1優化調整的原因

邊坡開挖施工過程中，姑咱鎮當地居民提出，出口邊坡開挖爆破將影響其房屋安全，反對大規模爆破開挖。為減少對當地居民的影響，保證工程的順利進行，并從降低環境影響、減少工程量、優化工期、節約投資的角度出發，結合尾水出口閘門及過閘交通布置，對邊坡開挖布置進行了調整，結合閘室和過閘交通提出了7個開挖方案進行綜合技術經濟比較。

4.2優化設計思路

根據地質、地形條件、尾水檢修閘門相關資料，優化設計的主要思路為：

(1)研究尾水洞出口檢修閘室布置，調整閘室位置、壓縮閘室長度并研究取消交通公路的可行性；

(2)根據地形、地質條件，強化“強支護、少開挖”的原則，通過計算分析，研究進一步提高開挖坡比，降低開挖量的可行性；

(3)根據電站運行的實際情況，研究分析取消尾水出口檢修閘室的可行性。

4.3尾水出口邊坡穩定計算及綜合比選

4.3.1邊坡抗滑穩定標準

根據《水電水利工程邊坡設計規范》DL/T5353-2006的規定，黃金坪水電站屬于二等大(2)型工程，左岸地下廠房引水及發電等永久性主要建筑物為2級建筑物，尾水邊坡屬于Ⅱ級邊坡，計算分析中邊坡抗滑穩定系數取值如下：

(1)持久設計工況(即正常運用工況)取1.25；

(2)短暫設計工況(即暴雨工況)取1.05；

(3)偶然設計工況(即地震工況)取1.05。

4.3.2邊坡計算方法

尾水出口邊坡為巖質邊坡，結構面組合符合平面假定，主要采用中國水利水電科學院陳祖煜院士所編制的EMU程序進行計算。

4.3.3邊坡穩定計算

(1)計算剖面的選取。

1#尾水洞的邊坡為1-1剖面，2#尾水洞的邊坡為2-2剖面，兩條尾水洞之間取3-3剖面。

(2)滑移模式分析。

尾水隧洞工程邊坡出口主要發育的代表性結構面為J1、J2、J8三組裂隙及f7-2’、f7-3、f7-5三條小斷層，發育部位均在1 485 m高程以下。以f7-3、J2等緩傾角順坡結構面為主滑面，f7-2＇、f7-7、J8等中陡傾角結構面為后緣切割面，f7-5、J1結構面為側向切割面，構成潛在平面滑移拉裂破壞；沿J8等陡傾角結構面發生傾倒～崩塌破壞；f7-3，f7-2＇等結構面間構成楔形滑移拉裂破壞的不利組合。所選取的計算剖面顯示，由于J2為產狀SN/W∠30°的順坡裂隙，成為最為危險的滑動面，故選取f7-2＇、J2等結構面間構成的滑移拉裂破壞的不利楔形體作為最危險滑移面進行計算。而J2為間距0.5～2 m的多條裂隙，因此，首先試算出其與f7-2＇組成最危險滑裂面的位置高程，然后進行各方案對應工況下的計算分析。

(3)設計工況。

計算分析時按照三種設計工況進行穩定性分析，分析類型采用滑動穩定分析，具體為：

①持久設計工況，即正常運行工況。

②短暫設計工況，即暴雨工況；由于計算采用簡化處理，浸潤線的位置對此工況的計算結果影響很大。計算時，根據地質資料擬定浸潤線為下部自河床水面線高程起，沿著地面線向上由近至遠以約1.2～13.3 m的距離延伸。

③偶然設計工況，即地震工況；地震基本烈度為8度，設防烈度取基本烈度，地震效應折減系數取0.25。

4.3.4邊坡優化方案穩定計算

根據優化設計思路，擬定并研究了以下7個方案。

(1)方案一：尾閘交通公路寬度由8.65 m減

為6.75 m，尾水出口開挖坡比由1∶0.5調整為1∶0.3(圖2)。

圖2　方案一邊坡穩定示意圖

各工況對應的邊坡抗滑穩定安全系數見表1。

表1　方案一抗滑穩定安全系數計算成果表

對計算結果進行分析得知邊坡在1∶0.3的坡比開挖后，未加支護時各工況穩定安全系數均不滿足規范要求，穩定性較差，需采取永久支護措施且支護量較大。

(2)方案二：為減小開挖量、盡量少擾動邊坡，將方案一中1#尾水洞出口檢修閘室往河床方向外移5 m，2#閘室不動，閘室長度均為12 m，兩條隧洞邊坡開挖坡比取1∶0.5。

各工況對應的邊坡抗滑穩定安全系數見表2。

表2　方案二抗滑穩定安全系數計算成果表

對計算結果進行分析得知邊坡在1∶0.5的坡比開挖后，未加支護時各穩定安全系數均不滿足規范要求，穩定性較差，需采取永久支護措施。

(3)方案三：在方案二的基礎上將1#、2#尾水出口邊坡開挖坡比由1∶0.5調整為1∶0.3(圖3)。

經過計算分析，3-3剖面位置邊坡計算穩定性最差，其各工況下對應的邊坡抗滑穩定安全系數見表3。

對計算結果進行分析得知邊坡計算各穩定安全系數均不滿足規范要求，穩定性較差，需采取永久支護措施。但此方案較其它方案開挖量較小，對姑咱鎮影響也相對較小且經濟性較高。

(4)方案四：在方案三的基礎上進一步優化，邊坡開挖坡比由1∶0.3調整為1∶0.1(圖4)。

圖3　方案三邊坡穩定示意圖

運行工況計算安全系數K支護后安全系數Ko支護措施持久設計工況(正常運用)1.11.17短暫設計工況(暴雨)0.991.06偶然設計工況(地震)1.021.17排150t/200t@6m錨索,L=45～55m,交錯布置

表4　方案四抗滑穩定安全系數計算成果表

各工況對應的邊坡抗滑穩定安全系數見表4。

圖4 　方案四邊坡穩定示意圖

對計算結果進行分析得知：邊坡在1∶0.1的坡比開挖后各項穩定安全系數均不滿足規范要求，穩定性較差，需采取永久支護措施。雖然開挖量較少，但支護量相對較大，經濟性差。

(5)方案五：尾閘室平臺不設公路，尾閘室減小長度至8 m，邊坡開挖坡比為1∶0.3(圖5)。由圖5可見，若將閘室內側原6.75 m的預留路取消，然后將閘室由12 m×26 m(長×寬)優化為8 m×26 m(長×寬)，則尾水洞出口相當于外延10.75 m，1#尾水洞出口邊坡1-1剖面位置基本沒有開挖，3-3剖面位置有少量開挖，2#尾水洞出口邊坡有很少量的開挖，就邊坡來說開挖量很小。

但此方案沒有施工通道及過車條件，為了方便施工交通，在閘室下游布置了1.5 m寬的懸臂平臺，與排架之間的總寬度為3.5 m，可供小型車輛出入。

各工況對應的邊坡抗滑穩定安全系數見表5。

圖5　方案五邊坡穩定示意圖

表5　自然邊坡的抗滑穩定安全系數計算成果表

對計算結果進行分析得知：開挖邊坡穩定系數滿足規范要求。

(6)方案六：在方案五的基礎上將尾水出口檢修閘門調整為疊梁門。

出口布置型式不變，僅將檢修閘門調整為疊梁門，則平時疊梁門槽頂部采用蓋板封口，門槽可以兼顧施工通道，這樣實施不但保留了施工道路，而且尾閘長度可以由原設計的12 m×26 m(長×寬)優化為8 m×26 m(長×寬)，優化思路同方案五，但不需再考慮另找施工道路。

由于尾水洞凈寬為16 m，如果調整為疊梁門，則直接用汽車吊時難度很大，很難入槽。為了減小閘門尺寸需增設中墩，將閘門一分為二，以方便吊裝。中墩增設后，可能會影響尾水隧洞的有效過流斷面，為了盡可能減少對過流的影響，尾水洞出口段兩邊需增加寬度，相應的尾閘也較方案五增加了工程量，而且尾水閘門室平臺寬度不能滿足汽車吊裝場地需求，同時因需要考慮汽車運行及通過的道路，邊坡開挖量增大，支護量也隨之增加。因此，方案五相較方案六更優。

(7)方案七：取消尾閘室，尾水洞外延，最大程度減少尾水洞出口上方邊坡的開挖，僅按環境邊坡治理措施進行支護，如圖6所示。

圖6　方案七邊坡穩定示意圖

若取消尾水出口檢修閘門室，則尾水洞沒有檢修條件，如需檢修則需在尾水出口處施工臨時圍堰進行擋水，對于運行期間極為不便。

該方案在各種工況下的邊坡抗滑穩定安全系數見表6。

表6　自然邊坡的抗滑穩定安全系數計算成果表

對計算結果進行分析得知：邊坡穩定系數滿足規范要求，但由于環境邊坡潛在的不穩定因素很多，仍需采取一定的支護措施。

4.4各優化方案工程投資及優缺點比較

各方案工程投資及優缺點見表7。

根據以上綜合比較，最終推薦方案五。

對最終優化方案與招標方案工程量及投資進行對比得知，尾水邊坡優化設計共節省 投 資

1 980.03萬元。

表7　各優化方案工程投資及優缺點對比表

5結語

經過對黃金坪水電站尾水出口的布置進行優化和邊坡穩定計算分析復核、工程量、現場施工和運行條件以及社會環境等因素等的綜合比較，最終確定了尾水出口邊坡開挖支護實施方案。該方案在確保電站運行功能的條件下，有效地降低了邊坡高度，減少了開挖工程量，節省了工程投資，最大限度地降低了對姑咱鎮的社會影響，保證了工程順利建設。

參考文獻：

[1]DL/T5353-2006，水電水利工程邊坡設計規范[S].

[2]陳祖煜，汪小剛, 楊健, 等. 巖質邊坡穩定分析——原理方法程序[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2005.

[3]陳祖煜，等.土質邊坡穩定分析——原理方法程序[M]. 北京:中國水利水電出版社，2005.

[4]DL/T 5176-2003,水電工程預應力錨固設計規范[S].

(責任編輯：李燕輝)

尹葵霞(1978-)，女，河南舞陽人，設計副總工程師，高級工程師，工程碩士，從事水電工程設計與管理工作；

樊熠瑋(1981-)，男，河南三門峽人，高級工程師，學士，從事水電工程設計與管理工作.

作者簡介:

文章編號:1001-2184(2016)02-0033-05

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7;TV22;TV52

收稿日期:2015-12-31