兩河口水電站開關站邊坡穩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)

?

兩河口水電站開關站邊坡穩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，邊坡節理、裂隙發育，存在斷層等軟弱結構面，巖體卸荷深度較大，地質條件復雜。基于極限平衡理論，采用SLIDE邊坡計算軟件，對兩河口開關站邊坡穩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。

開關站邊坡；極限平衡理論；SLIDE；穩定分析；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，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，地質條件復雜，穩定問題突出[1]。結合兩河口水電站地質資料，采用加拿大 RocScience 公司開發的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，研究邊坡的穩定特性；對比分析不同深層支護措施下邊坡的穩定安全系數，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、進水口邊坡下游側。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，出露三疊系下統兩河口組中段T3lh2(2)-①、T3lh2(2)-②、T3lh2(3)地層，巖性為變質粉砂巖、粉砂質板巖，巖層產狀為N60°～75°W/SW∠60°～75°，與河流近正交。地質構造以發育一套層面裂隙為主的節理裂隙系統，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育；淺表部裂隙極為發育，構成局部的順坡板裂狀結構；無強風化帶發育，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]。

邊坡穩定分析的極限平衡方法是土力學中的一個經典領域，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[4]。該方法采用摩爾庫侖屈服準則，安全系數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，按巖體質量確定介質類別，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

根據兩河口水電站地質資料，對巖體參數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，具體見表1。

表1　開關站邊坡巖體及結構面力學參數

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定安全系數。暴雨工況按0.1倍的孔壓系數考慮；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SL386-2007《水利水電工程邊坡設計規范》規定[5]，采用極限平衡方法計算的邊坡抗滑穩定安全系數標準見表2。

表2　開關站邊坡抗滑穩定安全系數標準

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巖體內危險滑面發生的滑動破壞;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定安全系數見表3,E-E剖面兩種滑移破壞模式下穩定計算簡圖見圖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定安全系數

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定安全系數對比分析可以看出，以斷層為底滑面的滑動破壞模式穩定安全系數均大于沿Ⅴ1類巖體內危險滑面滑動破壞模式的穩定安全系數，以第一種滑動破壞模式作為邊坡穩定設計的控制失穩模式比較合理。

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

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定安全系數均不滿足規范要求。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定安全系數影響較小，錨固角越大，施工難度越大；錨索設計長度達到一定值時，邊坡的穩定安全系數基本不變，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定安全系數影響較大，應在保證安全的前提下考慮經濟性和可行性。

表4　天然工況下B-B剖面不同支護措施邊坡穩定安全系數對比分析

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穩定計算

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

表5　開關站邊坡支護前后穩定安全系數

開關站邊坡支護前后分別進行穩定計算結果表明：開關站邊坡支護前，邊坡穩定安全系數不滿足規范要求，考慮選取的深層支護措施后，邊坡穩定安全系數滿足規范要求，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定安全系數均大于沿Ⅴ1類巖體內危險滑面滑動破壞模式的穩定安全系數，以沿Ⅴ1類巖體內危險滑面滑動的破壞模式作為邊坡穩定設計的控制失穩模式較為合理；

(2)根據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定計算分析，開關站邊坡支護前，邊坡穩定安全系數不滿足規范要求；考慮選取的深層支護措施后，邊坡穩定安全系數滿足規范要求，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剖面天然工況穩定計算簡圖圖7B-B剖面暴雨工況穩定計算簡圖圖8 B-B剖面地震工況穩定計算簡圖

[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定性分析[J]. 地質災害與環境保護, 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。

TV223

B

1003-9805(2016)03-0024-05