柘溪水電站擴機工程廠房上游邊坡處理

童恩飛

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

1 工程概況

柘溪水電站擴機工程位于湖南省益陽市安化縣境內，距安化縣城12.5km。工程以發電為主，兼有防洪、航運等綜合效益。正常蓄水位169.00m，裝機容量500MW（2×250MW）。樞紐布置為進水口、高壓引水隧洞、地面廠房、主變場、尾水建筑物、敞開式開關站等。主體土建工程于2005年5月正式開工建設，2008年5月實現第一臺機組發電。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252—2017）和《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》（DL 5180—2003），柘溪水電站樞紐工程為Ⅰ等工程，主要建筑物按1級建筑物設計，次要建筑物按3級建筑物設計。

2 廠房上游邊坡地質條件

廠房上游邊坡巖性為長石石英砂巖、燧石狀石英巖、細砂巖與帶狀砂質板巖（Ptbn2w2-28-5～Ptbn2w2-28-10），巖性堅硬。巖層產狀：75～85°/NW∠60°～70°，局部走向變化為275～290°。邊坡坡面與巖層一致，為順層坡。主廠房縱軸線方向與巖層走向基本一致，呈東西向布置。

3 分析方法

根據《水電水利工程邊坡設計規范》（DL/T 5353—2006），廠房上游邊坡為Ⅰ級A類邊坡。本階段對廠房上游邊坡的整體穩定性和分期開挖穩定性采用三維彈塑性有限元和極限平衡分析方法進行分析。

3.1 廠房上游邊坡分期開挖穩定性的三維彈塑性有限元分析

有限元分析區域選取沿引水洞軸線280m，垂直引水洞軸線方向為144m范圍。邊界約束條件采用垂直位移約束，荷載考慮巖體自重作用。邊坡支護方案為沿開挖坡面采用系統錨桿支護。模型如圖1、圖2所示。

（1）分期開挖對圍巖塑性區分布的影響。從廠房上游邊坡分期開挖圍巖塑性區分布變化情況分析可知：①原始應力場塑性區出現在斷層帶位置和引水洞周，隨著廠房上游邊坡向下開挖，在距離邊坡較近的斷層帶和與引水洞交匯處出現少量塑性區。說明廠房上游邊坡和引水洞的整體穩定性良好。②塑性區出現在斷層帶與引水洞交匯處，對該位置應注意支護。由于邊坡巖層順開挖方向，施工中仍需注意不切腳，不超挖。③邊坡支護錨桿可適當加長，使其穿過斷層帶，增強支護效果。

圖1 分析模型圖

圖2 分析網格

（2）分期開挖對圍巖應力分布的影響。分期開挖邊坡應力分布如表1所示。①廠房上游邊坡開挖后每級臺階的坡角處都出現明顯的應力集中現象，且偏應力最大達到4.1MPa，需引起重視。②由于引水洞、巖體斷層及邊坡多處相交導致邊坡應力分布變化規律不明顯，但此相交位置切割的巖體鍥狀構造穩定性較差，施工中應早支護。

表1 廠房上游邊坡分期開挖應力變化單位：kPa

表1中邊坡位置代號如圖3所示。

圖3 邊坡開挖示意圖

表2 廠房上游邊坡位移 單位：mm

（3）分期開挖對邊坡位移變化規律的影響。分期開挖邊坡位移如表2所示。可看出，邊坡x方向位移絕對值最大值為0.29mm，y方向位移絕對值最大值為0.46mm，說明廠房上游邊坡的整體穩定性較好。

（4）分析結論。采用三維彈塑性有限元對廠房上游邊坡分期開挖過程，邊坡及引水洞周圍巖位移絕對值小，應力偏量也較小，塑性區出現在一定埋深及靠近邊坡處的斷層帶、引水洞周等處，但總體積不大。因此，邊坡整體穩定性較好。

3.2 廠房上游邊坡極限平衡分析

（1）計算條件及內容。庫水位驟降有利于廠房上游邊坡的整體穩定性，因此廠房上游邊坡地下水的作用僅考慮穩定滲流期的影響，按照施工開挖順序，邊坡分五步分別開挖至96.91m、86.94m、79.5m、71.5m、65.5m，地下水的作用按簡化法確定。計算中考慮節理面及軟弱面對邊坡穩定性的影響。分別用枚舉法搜索任意圓弧面和單純形法搜索任意滑裂面的最小安全系數。

（2）計算結果分析。廠房上游邊坡不同開挖步任意圓弧滑裂面的安全系數如表3所示。由于廠房上游邊坡巖體存在順層的節理面，不利于上游邊坡的穩定，因此對過順層節理面的任意形狀滑裂面進行了單獨計算，任意形狀滑裂面的不同開挖步的安全系數如表4所示。

廠房邊坡主要有四組節理切割，其中兩組與邊坡走向正交，一組為順層反傾節理，巖體表面存在強風化帶及弱風化帶，而且地下水位較高，地下水沿著節理裂隙運動，促進了風化作用，因此要采取措施防止局部滑坡和巖塊塌方。圖4～圖8為不同開挖步最危險滑動面，滑動面通過坡腳。

（3）計算結果。通過極限平衡法對施工期及運行期廠房上游邊坡在不同工況下的整體穩定性分析，得出以下結論：

①從表3、表4可以看出，表中安全系數均較大，即使采用比較保守的瑞典條分法，計算得出的安全系數也大于2.0，因此廠房上游邊坡整體穩定性好，滿足規范要求。②從圖4～圖8可以看出各剖面在不同開挖步的最危險滑動面及運行期兩種工況下的最危險滑動面，均為較深層的滑弧，淺層滑弧安全系數較大，錨桿及錨索對邊坡整體穩定性作用不大；但是巖體表面存在強風化帶、弱風化帶以及存在節理面，存在局部零星掉塊的可能性，因此在巖體表面需要進行錨噴支護。

表3 上游邊坡不同開挖步圓弧滑裂面整體穩定性計算成果表

表4 上游邊坡不同開挖步任意滑裂面整體穩定性計算成果表

圖4 邊坡開挖至96.91m最危險滑動面

圖5 邊坡開挖至86.94m最危險滑動面

圖6 邊坡開挖至79.5m最危險滑動面

圖7 邊坡開挖至71.50m最危險滑動面

圖8 邊坡開挖至65.5m最危險滑動面

總之，采用多種邊坡極限平衡分析方法分析了廠房上游邊坡穩定性，其分析結果表明，邊坡的抗滑安全系數滿足規范要求，廠房上游邊坡整體是穩定的，與有限元分析結果吻合。從穩定性分析結果來看，防止邊坡淺層滑坡和局部零星掉塊，坡面采取錨噴支護是必要的；對斷層帶、節理裂隙與引水洞、邊坡相交處等薄弱位置的應采取加強措施支護。為了防止邊坡深層滑動，必要時，在坡角部位布置一定數量的預應力錨索。

4 廠房上游邊坡處理

4.1 基本支護措施

根據廠房邊坡穩定性分析成果，結合柘溪地質實際情況，廠房上游邊坡的處理原則如下：基本為順層剝離，即高程135.00m以上，保持原始邊坡，不作處理。高程135.00～117.00m原則主要是自上而下順層開挖，坡面采用噴錨支護防止局部塌方和巖塊滑落；高程117.00m以下，根據廠房體形分臺階采用順巖層層面開挖至肘管底部高程65.50m；在高程135.00m馬道，結合老廠電纜道改建，用混凝土護面，修整原排水溝，減少地表水沿裂隙或層面活動；在坡面布設排水孔引排地下水，孔深3m，并在高程108.10m設置一條平行于廠房上游邊坡的排水洞，減少地下水的活動，改善邊坡穩定條件。在廠房上游邊坡自高程135.00m以下坡面采用噴C25混凝土150mm，系統錨桿Φ25@1.500m×1.500m，錨桿長度為6m；在坡角處布設T=100kN的張拉錨桿Φ32@1.500m×1.500m，錨桿長度為12m。

4.2 支護參數調整

實際施工時，當開挖至高程116.00m時，施工放樣復核發現，若繼續順層開挖，則下部開挖斷面不能滿足廠房體形要求，而此時高程116.00m以上已支護完畢，無法再進行第二次開挖，為此調整設計開挖坡比，即在主機間及副安裝間段高程116.00m以下由分臺階順層開挖改為切腳開挖。開挖坡比以滿足設計結構要求為原則，控制在1∶0.3～1∶0.4，支護調整為高程135.00～117.00m坡面，采用掛網噴C25混凝土150mm，系統錨桿Φ25@1.500m×1.500m，錨桿長度為6m、8m間隔布置。在坡角同樣加設T=100kN的張拉錨桿Φ32@1.500m×1.500m，錨桿長度12m。并在高程109.00m及104.00m布置間距為4m、T=2000kN的預應力對穿錨索，與廠房上游邊坡排水洞對穿，副安裝間段基本按原設計施工。

5 結論

邊坡開挖成形后，經邊坡預埋觀測儀器的觀測成果顯示各項觀測數據無異常，邊坡處于穩定狀態。上游邊坡的處理方案效果良好，消除了工程安全隱患，確保了工程安全。