TP水庫泄洪沖沙洞進口邊坡穩定計算研究

吳戰營

（水利部新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊830000）

1 工程概況

泄水建筑物進、出口邊坡的安全與穩定，對泄水建筑物能否安全運行至關重要。特別是對于地質條件差的邊坡，采用何種支護方案和措施，保證邊坡的穩定、安全，是一個值得研究的問題。本文通過對TP水庫工程泄洪沖沙洞進口邊坡進行邊坡穩定分析計算，最終確定了合理的邊坡支護方案。

TP水庫主要任務是灌溉、防洪，工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型。水庫總庫容6 098.93萬m3，控制灌區灌溉面積14.13萬畝。主要水工建筑物包括攔河壩（瀝青混凝土心墻壩）、溢洪洞、泄洪沖沙洞、灌溉放水洞；次要建筑物包括壩區不影響主要建筑物和設備運行的擋土墻、導流墻及護岸等；臨時建筑物包括下游圍堰。土石壩（含與大壩結合的上游圍堰）為3級建筑物，泄水建筑物、灌溉放水建筑物為3級建筑物，次要建筑物為4級建筑物，臨時建筑物為5級建筑物。

據《新疆TP水庫地震安全性評價報告》分析：工程區基巖50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.26 g，對應的地震基本烈度為Ⅷ度。另根據1/400萬《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015），工程區50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.3 gal，地震動反應普特征周期為0.45 s，對應的地震基本烈度為Ⅷ度，與地震安全性評價報告結論基本一致。工程區地震基本烈度為Ⅷ度，根據《水工建筑物抗震設計規范》SL203-97的規定，大壩及其它主要建筑物設防類別為丙類，大壩及其它主要建筑物抗震設計烈度為Ⅷ度。

2 泄洪沖沙洞進口邊坡地質條件

導流洞兼泄洪洞進口位于左壩肩壩軸線上游約370 m，進口包括引渠段和進口閘井段。引渠底板高程2 343.0 m，位于左岸Ⅱ級階地上，階地上部為含碎石粉土層，厚1～2.6 m，其下為砂卵礫石層，引渠前段基礎挖深在2.5～7.3 m，基礎多位于粉土與砂卵礫石層交界附近，閘井前段渠基最大挖深26.5 m，渠基均位于粉砂巖地層上。閘井進口邊坡走向53°左右，坡度35°～40°，基巖多裸露，僅在坡腳2 357 m高程以下分布有少量的坡積碎石土層，厚3～6.5 m，結構松散，基巖巖性為泥盆系中統（D2e-gv）粉砂巖夾灰巖，粉砂巖呈灰褐色、紫紅色、灰綠色，薄層狀，巖層產狀280°NE∠25°，緩傾上游，局部夾0.2～1.5 m厚的灰巖；粉砂巖抗風化能力差，強風化層3～5 m，巖體破碎，鉆孔巖芯以0.3～1 cm的薄片狀為主，弱風化層厚15～20 m，節理裂隙較發育，巖體相對完整；層理與進口洞臉邊坡夾角47°，大角度相交，對洞臉和左側邊坡穩定有利，對右側邊坡不利；據導流洞進口平洞PD3資料，閘井段共發育有5條斷層，其中在平洞8～16 m之間，平行發育3條較大的斷層，f1：275°NE∠25°～30°，破碎帶寬2～3 m，由斷層泥及碎裂巖組成，斷層泥厚20～30 cm，3斷層之間巖體破碎，成洞較困難，平洞0～16 m之間均采取支護措施；f2：290°NE∠25°，破碎帶寬5～15 cm；f3：330°SW∠35°，破碎帶寬5～10 cm；f4：45°SE∠80°，破碎帶寬5 cm；f5：65°NW∠60°，破碎帶寬5～30 cm。泄洪沖沙洞進口邊坡赤平投影圖見圖1，由圖1分析，斷層f1、f2、f3及層面組合交點和邊坡投影弧在同一側，落于天然邊坡投影弧的外側，說明結構面組合交線的傾向與邊坡傾向相對一致，傾角小于天然邊坡的坡角，即結構面組合交線在天然邊坡坡面上沒有出露，并不會切穿邊坡巖體，切割體屬于較穩定結構面，邊坡處于較穩定狀態；斷層f3、f4組交點位于人工邊坡和天然邊坡投影弧的對側，結構面的交線與邊坡傾向相反，結構面組合切割體為傾向坡內的穩定結構面，邊坡處于穩定狀態。閘井洞臉邊坡在天然狀態下處于較穩定狀態，但水庫蓄水后結構面均處于水位以下，結構面強度降低，對穩定不利，建議洞臉邊坡加強噴錨支護處理措施。進口閘井基礎地質條件相對較差，粉砂巖地基允許承載力2.0～2.5 MPa。隧洞進口斷層帶樁號0+000～0+020 m段為Ⅴ類圍巖，約占6%，巖體彈性抗力系數K0=2～3 MPa/cm，堅固系數fk=0.3～0.5，洞室不穩定，可能會產生較大規模的掉塊和塌方，需采取有效的工程措施處理。

圖1 泄洪沖沙洞進口邊坡赤平投影圖

3 泄洪沖沙洞進口邊坡支護設計方案

進口閘井后邊坡2 361 m高程以下垂直開挖，2 370～2 390 m沿高程10 m一級馬道，巖石開挖邊坡為1∶0.5，馬道寬2.0 m，2 392.8 m高程以上邊坡沿斷層順層面進行剝離；進口閘井后側邊坡2 361～2 390 m高程的邊坡采用錨索進行支護，錨索為25 m和30 m長，100 t，5 m×5 m間隔布置；進口閘井后側邊坡2 390～2 395.8 m高程的邊坡采用錨索進行支護，錨索為35 m長，100 t，5 m×5 m布置。在2 390～2 395.8 m、2 349.9～2 370 m設置錨筋樁，長度為9 m，采用3根Φ25鋼筋，間排距為3 m，梅花形布置；整個邊坡采用C30混凝土噴護，噴護厚度100 mm，并掛Φ8@200 mm×200 mm的鋼筋網，砂漿錨桿長4.5 m，直徑25 mm，間距2 m、排距2 m，并在閘井兩側和后部回填C15素混凝土，降低永久邊坡的高度，保證進口建筑物的穩定。泄洪沖沙洞進口閘井后邊坡開挖后地形見圖2，泄洪沖沙洞進口閘井后邊坡支護設計方案見圖3。

圖2 泄洪沖沙洞進口閘井后邊坡開挖后地形圖

圖3 泄洪沖沙洞進口閘井后邊坡支護設計方案

4 邊坡穩定計算

4.1 計算原則和方法

本文以二維極限平衡法為主要分析方法，對泄洪沖沙洞進口閘井后邊坡在施工期（坡內外無水）、穩定滲流期以及遭遇地震工況條件下支護前、后的整體與局部穩定性進行分析評價，計算程序采用中國水利水電科學研究院研發的《巖質邊坡穩定計算軟件—EMU2007》。

4.2 計算工況

為考慮進水口布置的水工建筑物對邊坡的影響，本次計算主要對進水口邊坡以下幾種工況的穩定性進行復核：

（1）工況一：施工期，坡體內外無水，無混凝土回填，無附屬建筑物；

（2）工況二：水庫正常運用期，當水庫蓄水至正常蓄水位2 394.52 m，主要復核穩定滲流期的穩定狀況；

（3）工況三：遭遇地震的穩定狀況。

4.3 計算參數

根據邊坡產狀及巖層走向分析，滑動面由順層面滑動及順斷層滑動控制，根據《TP水庫地質報告》選定計算參數，巖體物理力學參數見表1。

因巖體呈層狀分布，巖體較破碎，且有5條斷層，計算參數取值時，采用巖體物理力學參數下限值。斷層計算參數的取值嚴格按照斷層物理力學指標進行取值。根據滑動模式選擇不同參數，整體及局部順層滑動模式因滑動角度與順層坡度基本相同，采用順層層間參數控制邊坡穩定。

4.4 滑動模式

根據對泄洪沖沙洞進口閘井后邊坡開挖后的地形特征，巖體產狀與邊坡產狀的關系進行分析，剖面可能滑動模式有3種，分別是沿f1斷層整體滑動、沿f5斷層滑動、沿f1～f5斷層組成的滑裂面滑動，分別在不同工況下，對這3種滑動模式進行支護前和支護后的邊坡穩定計算。

表1 巖體物理力學參數

4.5 邊坡計算結果

不同工況下各方案邊坡穩定安全系數見表2。

表2 不同工況下各方案邊坡穩定安全系數

根據《水利水電工程邊坡設計規范》（SL386-2016）規定：邊坡與水工建筑物的相互關系。泄洪沖沙洞進口閘井后邊坡的級別為4級。因此，工況一安全系數應大于1.10，工況二安全系數應大于1.15，工況三安全系數應大于1.05。

由表2計算結果可知：在不同工況下，邊坡沿f5斷層滑動的可能性最大，邊坡支護前安全系數不滿足規范要求。進口邊坡巖石破碎、強度低，邊坡支護后與支護前對比，安全系數都有所提高，支護后的安全系數滿足規范要求，為了保證進口永久邊坡的穩定性及安全性，對進口邊坡采用錨索、錨筋樁、掛網錨噴的支護方案是可行的。

5 結語

通過對TP水庫泄洪沖沙洞進口邊坡進行穩定計算分析，得出以下結論：

（1）不同工況下，邊坡沿f5斷層滑動的可能性最大，其次是沿f1斷層滑動，沿f1～f5斷層滑動的可能性最小。

（2）泄洪沖沙洞進口閘井后邊坡開挖后，如不采取支護措施，邊坡穩定安全系數不滿足規范要求，很有可能邊坡失穩。

（3）對進口邊坡采用錨索、錨筋樁、掛網錨噴的支護方案后，安全系數都有所提高，滿足規范要求，此支護方案是合理、可行的。

（4）此邊坡支護方案能夠為相似工程邊坡設計和計算提供參考，對其它工程具有借鑒與應用意義。