深圳抽水蓄能電站上游調壓井高邊坡優化探討

陳坤城,鐘德培,宋春華

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

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深圳抽水蓄能電站上游調壓井高邊坡優化探討

陳坤城,鐘德培,宋春華

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

針對原邊坡設計方案存在的不足,結合邊坡鉆孔地質資料,通過對邊坡進行穩定性分析計算,得出了優化后的邊坡設計方案,實踐結果表明,優化后的方案在環境保護、施工難度及工程投資等方面都優于原設計方案,該設計成果對其他類似工程的邊坡設計具有一定的參考價值。

邊坡；穩定；優化

抽水蓄能電站上游調壓井設置在水電站廠房上游壓力水道上,其自由水面可反射水擊波,起到限制水擊波進入壓力引水道,以滿足機組調節保證的技術要求,同時可改善機組在負荷變化時的運行條件及供電質量,是引水系統工程的永久性主要建筑物,由于調壓井水面與進廠房機組壓力水道是連通的,因此，上游調壓井邊坡的穩定安全直接關系壓力水道及廠房機組的安全。深圳抽水蓄能電站上游調壓井原方案布置在引水隧洞洞線北側,邊坡開挖高度高、征地范圍大,對植被的破壞范圍廣,有必要從環境保護及永久征地的角度出發,優化邊坡設計,減少工程投資。

1 工程簡介[1]

深圳抽水蓄能電站上游調壓井位于大頂～鵝公髻分水嶺北東側的山坡上,地形較完整,植被茂盛。未發現滑坡、崩塌等不良地質現象,在自然條件下山坡山體穩定性好。上游調壓井邊坡包括井口以上四周開挖邊坡,屬A類Ⅰ級邊坡。

據鉆孔資料顯示,巖性主要為燕山三期中粗粒黑云母花崗巖,局部穿插細粒花崗巖脈,在花崗巖中,常見有長英質角巖捕擄體。地表大部分為第四系坡積層、全風化帶所覆蓋,其下強風化帶為強透水層,弱風化帶中下部、微風化帶巖石為相對隔水層,巖石透水性較低,上游調壓井處未發現較大規模的斷層。

2 上游調壓井高邊坡設計

2.1 優化前邊坡設計方案及存在的不足

優化前設計邊坡強風化層巖體開挖邊坡采用1∶0.8,全風化土邊坡采用1∶1.2。邊坡最大高度約40.0 m,設3級寬2 m的馬道,兩級馬道高差為10.0 m。巖石邊坡采用護坡混凝土與系統錨桿相結合的支護形式加固,土質邊坡采用厚250 mm護坡混凝土和系統土釘錨桿的支護形式加固。同時為防止坡面被雨水沖刷,在邊坡頂部一定距離設有截水溝,三級馬道內側均設有排水溝,優化前邊坡設計方案平面布置見圖1。經過高邊坡抗滑穩定安全性分析計算,優化前邊坡設計方案存在以下不足：

圖1 優化前上游調壓井邊坡平面布置示意

1) 從施工難度角度考慮,優化前邊坡地質鉆孔表明坡積層及全風化土層覆蓋厚,即使強風化層巖體開挖邊坡采用1∶0.8,全風化土邊坡采用1∶1.2,在無支護條件下邊坡仍無法自穩。為確保設計邊坡的穩定性,需施加很大的錨固力,但隨之帶來錨固工程量巨大、錨固施工難、錨固工期長等諸多問題。

2) 從環境保護、水土保持和征地角度考慮,優化前邊坡設計方案由于開挖面積較大,造成原有山體植被嚴重破壞、水土流失范圍及永久征用占用林地面積過大等問題。

3) 從工程投資角度,施工難度的加大,工期的增長,環保、水保措施加強,永久征地范圍廣等原因,將直接加大邊坡工程的投資。

因此,考慮到以上存在的不足,結合現有調壓井邊坡的地形地質條件,有必要進一步對原有邊坡設計方案進行優化。

2.2 高邊坡優化基本思路及優化后邊坡設計方案

針對以上不足,探討高邊坡優化的可能性,提出以下基本思路：

1) 以工程場區的實際地形條件為出發點,考慮通過調整邊坡位置來降低邊坡開挖高度的可能性。

2) 在位置可調的前提下,考慮通過補充地質鉆孔來查明調整后邊坡的地層分界線,進一步定位確定邊坡調整后的準確位置。

3) 再通過選取控制斷面進行建模計算,從得出的計算結果，分析進一步優化邊坡開挖坡比的可能性。

遵循以上邊坡優化的基本思路,結合深蓄上游調壓井上室邊坡的地質地形條件對上室邊坡進一步優化設計：

①根據工程場區實際地形條件,將上游調壓井沿引水隧洞中心線對稱布置,從而降低調壓井邊坡的開挖高度；

②通過補充5個地質鉆孔,分析鉆孔柱狀圖,查明了調壓井及邊坡優化后位置的地質情況,地層分界線揭示調壓井繼續向上游微調一定距離,坡積層及全風化層變薄,強風化層變淺,有利于邊坡穩定；

③在擬定的新位置基礎上,通過邊坡穩定計算進一步優化開挖坡比,將強風化層巖體開挖邊坡及全風化土開挖邊坡優化為1∶0.75,進一步降低邊坡的開挖高度。

優化后邊坡設計方案的平面布置見圖2。

3 上游調壓井邊坡穩定計算

3.1 計算斷面的選取

綜合考慮邊坡高度、風化深度、開挖后邊坡布置等因素,取最高邊坡作為控制斷面計算上游調壓井上室開挖的邊坡穩定。圖3為優化前邊坡穩定計算控制斷面,圖4為優化后邊坡穩定計算控制斷面圖。

圖2 優化后上游調壓井邊坡平面布置示意

圖3 優化前邊坡穩定計算控制斷面示意(單位：高程 m，尺寸 mm)

圖4 優化后邊坡穩定計算控制斷面示意(單位：高程 m，尺寸 mm)

3.2 計算參數

上游調壓井上室邊坡計算采用的各巖、土層的物理力學參數見表2、表3。

表2 上游調壓井上室邊坡各巖、土層的物理力學參數(計算采用總應力法)

表3 上游調壓井上室邊坡各巖、土層的物理力學參數表(計算采用有效應力法)

3.3 計算工況及計算成果

根據《水電水利工程邊坡設計規范》DL/T 5353—2006,上游調壓井上室邊坡屬A類Ⅰ級邊坡,邊坡設計安全系數擬取上限值。邊坡荷載主要包括巖土體自重、地下水作用、加固力。工程場地的地震基本烈度為7°,需考慮地震工況。計算工況、荷載組合及計算結果見表4和表5。偶然狀況下邊坡穩定計算成果圖,見圖5和圖6。

表4 優化前邊坡穩定計算工況及成果

表5 優化后邊坡穩定計算工況及成果

圖5 優化前偶然狀況邊坡穩定計算成果示意

圖6 優化后偶然狀況邊坡穩定計算成果示意

表4中的邊坡穩定安全系數計算值為考慮加固力后的計算結果,其中第一級邊坡施加80 kPa的均布荷載、第二級邊坡施加200～100 kPa的梯形均布荷載、第三級邊坡施加150～60 kPa的梯形均布荷載、第四級邊坡施加20 kPa的均布荷載,計算安全系數滿足要求。荷載換算后優化前邊坡方案的錨桿支護參數見圖3。

表5中的邊坡穩定安全系數計算值也為考慮加固力后的計算結果,其中第一級和第二級邊坡均施加60 kPa的均布荷載,計算安全系數滿足要求。荷載換算后優化后邊坡方案的錨桿支護參數見圖4。

3.4 優化前后工程投資比較

表6為優化前、后邊坡設計方案工程量及投資比較,從表6可知優化后邊坡設計方案節省工程投資236.59萬元。

表6 工程量及投資比較

4 結語

本文結合深圳抽水蓄能電站上游調壓井上室邊坡的設計實踐,探討了高邊坡優化設計的基本思路,并將其應用于深蓄上游調壓井上室邊坡的優化設計中。結果表明,優化后的邊坡技術可行、安全穩定、經濟合理,直接節省工程投資236.59萬元,對同類高邊坡的優化設計有一定的借鑒意義。

[1] 廣東省水利電力勘測設計研究院.廣東省深圳抽水蓄能電站可行性研究報告[R].廣州：廣東省水利電力勘測設計研究院,2009．

(本文責任編輯 王瑞蘭)

Optimization of the Headrace Surge Chamber High Slope in Shenzhen Pumped Storage Power Station

CHEN Kuncheng, ZHONG Depei, SONG Chunhua

(Guangdong Hydropower Planning and Design Institute, Guangzhou 510635, Guangdong)

Aiming at the existent insufficiency of original design scheme, combined with geological borehole data, through the stability analysis of slope, the optimized design scheme has been reached. The result shows that the optimized design scheme is superior to the original design scheme in the environment protection, the difficulty of construction and the investment of project. The design results have certain reference value for slope design to other similar projects.

slope；stability；optimization

2016-03-08;

2016-03-24

陳坤城(1984)，男，碩士，工程師，主要從事水工結構設計工作。

TU457；TV743

B

1008-0112(2016)02-0022-04