溢洪道高邊坡開挖方案優化研究

黃智峰，鄢慧歡

(江西華欽建設工程有限公司，江西 南昌 330038)

1 工程背景

某水電站位于江西境內，屬于該流域梯級開發的第二級水電站。該水電站的設計裝機容量為3.2MW，引水流量為2.94m3/s，設計水頭127m，主要水工建筑物包括水庫大壩、引水發電系統、溢洪道，電站的年利用小時數為6900h，年均發電量為2484萬kW·h，預計年產值580萬元。其中，溢洪道設計于大壩左岸的山體上，主要由進水渠段、進口翼墻段、控制段、泄槽段以及消能防沖段構成。進水渠段的基面高程為1299.0m，長度為86.9m，該段巖層為弱風化安山玢巖，左岸邊坡最高達84.0m，屬于高巖質工程邊坡。

2 邊坡極限平衡法模型構建

2.1 不平衡推力計算法

極限平衡法是目前工程地質領域進行邊坡穩定性分析的常用方法，同時也是出現最早、發展最為完善的計算分析方法[1- 2]。該方法的基本思路是對具有滑動趨勢的邊坡土體進行劃分，將其剖分為一定數量的小塊體，然后對每個塊體的受力情況進行分析，再基于平衡條件構建整個邊坡的穩定性平衡方程，進而實現對邊坡穩定性的計算分析[3]。由于該方法具有模型簡單、計算方便、適用性廣的優勢，因此在水利工程邊坡穩定性分析過程中具有較為廣泛的應用[4]。極限平衡法依據其計算模式的不同，進一步派生出條分法、Bishop法、不平衡推力計算法、Morgenstern-NR及priceVE等多種不同的方法[5]。其中，不平衡推力計算法可用于滑面成一般折線型的滑體計算平衡分析。該方法的主要優勢是能夠抓住問題的主要方向，并且簡便、直觀，在大多數工程計算中均可以獲得比較滿意的結果。

2.2 計算剖面選取

根據工程設計前期的野外地質調查成果，計算模型選取溢洪道開挖之后最高、最陡的0- 98橫剖面作為典型剖面進行不平衡推力法分析。該斷面的主要巖性為安山玢巖，主要特點是強度高、弱風化，裂隙發育顯著。該段岸坡失穩的主要表現是牽引式坍滑，也就是沿著岸坡巖土體內部的強、弱風化界面產生坍滑。

2.3 計算模型與巖體參數

以溢洪道0- 98剖面的工程地質圖為依據，確定計算模型的長度為204m，高度為147.5m。研究剖面地形比較陡峭，地表覆蓋有厚度為0.5～1.0m的殘積礫石土，具有較高的植被覆蓋，但是覆蓋和分布并不連續。表層下的基巖巖層走向和庫岸山脊相交角度較大，且陡傾山體內部。基于研究對象的特殊性，擬采用不平衡推力計算分析對岸坡穩定性進行計算研究[6]，具體的計算模型如圖1所示。結合室內試驗和相關工程經驗，確定巖土體物理力學參數，見表1。

圖1 不平衡推力法計算模型示意圖

表1 巖土體物理力學參數

3 原始設計方案不平衡推力法分析

3.1 原始設計方案

該水電站溢洪道進水渠段的樁號為溢0-143.9至溢0-057，長度為86.9m。鑒于該段溢洪道兩岸邊坡屬于高邊坡，為了保證工程建成后的安全、穩定運行，建議對兩岸的巖石邊坡進行開挖放坡，放坡后的坡度為1∶0.5。其中，左岸邊坡在高程1314.5、1312.5、1337、1352.5、1367.5m位置設計5級馬道，各級馬道的寬度分別設計為3.0、10.5、3.5、3.5、3.5m，其中第二級馬道的寬度設計為10.5m的目的是兼做泄洪洞控制段通往大壩的道路。

為了提高開挖后邊坡的穩定性，因此在開挖后對邊坡采取掛網噴錨支護的支護措施[7]：其中，支護錨桿采用單根長5.0m的砂漿錨桿，間距和排距均為2.0m，成梅花形布置，錨桿鋼筋采用直徑25mm的螺紋鋼筋；鋼筋網設計為Φ8@200；支護工程方案設計在左岸高程1324.5m平臺以下的部位噴厚度為100mm的C25混凝土；考慮工程的景觀效果和環境保護要求，對左岸邊坡進行水土保持設計，具體方案為：在保證500年一遇泄洪要求的前提下，在高程1324.5m平臺以上的邊坡部位衱泄洪槽的邊墻進行植被混凝土噴掛，總施工面積約為14431m2。

3.2 計算結果分析

為了計算原始開挖設計方案下的邊坡穩定性，計算過程中按照完全開挖無支護和支護2種工況進行，上述兩種工況下進一步細分為正常水位、設計水位、校核水位以及地震工況等四種不同工況[8- 10]。

利用上述模型和不平衡推力法，對溢洪道進水渠段左岸邊坡在開挖后的安全系數進行計算，結果見表2。由計算結果可知，某水電站溢洪道進水渠段左岸邊坡在開挖后不支護的工況下，無水、正常水位以及開挖不蓄水+地震情況下的安全系數值均大于1.30，具有較高的安全系數，不會發生滑坡等破壞性情況。只有在正常蓄水位+地震條件下的邊坡安全系數小于1.3，邊坡穩定性相對較差。在按照原設計方案進行邊坡加固工程措施之后，相應工況下的邊坡安全系數值具有一定程度的增大。但是，在邊坡內部最危險的滑動面的情況來分析，由于砂漿錨桿的長度只有5.0m，并不能穿過最危險的滑動面，因此錨固效果并不明顯。

表2 設計方案下的邊坡安全系數計算成果

4 優化設計方案不平衡推力法分析

4.1 開挖支護方案優化設計

根據上節對溢洪道邊坡設計方案的穩定性計算結果，某水電站溢洪道進水渠段兩岸的巖石邊坡進行開挖放坡時可以適當減小邊坡的坡度，放坡后的坡度由原來的1∶0.5提高到1∶0.6。左岸邊坡在高程1314.5、1312.5、1337、1352.5、1367.5m位置設計五級馬道不變。原設計中的各級馬道的寬度分別設計為3.0、10.5、3.5、3.5、3.5m，考慮到施工期車流量較大，為了保證交通暢通，建議將第二級馬道的寬度設計由10.5m增加到12.5m，同時還可以減少邊坡的開挖量，提高施工進度。

左岸邊坡開挖后的掛網噴錨支護中的支護錨桿采用單根長5.0m的砂漿錨桿，根據計算的邊坡滑移面深度值，這一長度難以穿透滑移面，難以發揮有效的加固作用，因此建議將錨桿的長度增加到10m，同時錨桿的角度應該與滑移面垂直。

4.2 計算結果分析

按照原始設計方案計算中的工況設計，利用不平衡推力法對溢洪道進水渠段左岸邊坡在開挖后的安全系數進行計算，結果見表3。由計算結果可知，某水電站溢洪道進水渠段高邊坡開挖支護優化設計方案中的所有計算工況下的安全系數均大于1.3，完全可以滿足相應的規范要求，在進行掛網噴錨支護后，各種計算工況下的邊坡安全性系數均有不同程度的增加。

表3 設計方案下的邊坡安全系數計算成果

5 優化設計方案的可靠性分析

為了進一步分析優化設計方案的可行性以必要性，對該水電站溢洪道進水渠段左岸邊坡進行兩種開挖支護方案下的可靠性進行分析計算。可靠性計算采用蒙特卡羅和摩根斯坦-普萊斯法，計算的模擬次數為8000次，計算結果見表4。由計算結果可知，在開挖不蓄水的條件下，原始設計方案的可靠性指標為5.005，失效概率為0.056%；在優化設計方案下的可靠性指標為5.299，失效概率為0.052%，均可以滿足相關設計規范的穩定性要求。在開挖后遭遇水庫蓄水、地震以及地震與洪水疊加的條件下，邊坡的可靠性指標會明顯下降，而失效概率會明顯增加。與原始設計方案相比，優化設計方案的安全性有所提高，失效概率有所減小。

表4 不同方案的邊坡可靠性計算結果

6 結論

邊坡穩定性直接影響水利工程施工的質量以及施工人員的生命財產安全。本次研究以某水電站溢洪道進水渠段左岸邊坡開挖支護工程為例，利用極限平衡法對原始方案進行優化設計，并獲得如下結論。

(1)在原始設計方案下，溢洪道進水渠段左岸邊坡在開挖不支護情況下遭遇洪水和地震疊加是邊坡安全性較差，同時砂漿錨桿的長度較小，錨固效果并不明顯。

(2)在優化設計方案下，溢洪道進水渠段在開挖不支護的所有計算工況下的安全系數均大于1.3，完全可以滿足相應的規范要求，在進行掛網噴錨支護后，邊坡安全性系數均有不同程度的增加。

(3)與原始設計方案相比，優化設計方案的安全性有所提高，失效概率有所減小。

(4)與原始設計方案相比，優化設計方案可減少約5萬m3的開挖量，可以縮短工期、節約投資，具有一定的經濟效益和社會效益。