水利樞紐工程結合進水口軟巖高邊坡穩定設計探析

馮裕疆

(新疆三河建設工程有限責任公司，新疆 阿克蘇 843000)

1 工程概況

本次研究的水利樞紐具有季調節的作用，是主要以防洪和灌溉以及發電為主的水利工程。本水庫所在的地區，地震活動十分頻繁，強度為VI級，且該水庫所在的流域中含有大量的泥沙。水庫大壩主要是混凝土面板砂礫石壩，水庫右岸為溢洪道，在左岸設置聯合進水口，見圖1。進水口主要設立在以下3個位置，分別是1#洞和2#洞及發電洞，1#洞進水口底板的高程為1 696 m、2#洞進水口底板高程為1 715 m、發電洞進水口底板高程為1 725 m。3個進水口共用同一條引渠而構成聯合進水口，其長、底寬分別為407.0和13.5 m。引渠段永久邊坡高度最高達110 m左右，在進水塔左側邊坡，開挖最大高度約在113 m，以1#洞進水塔后的邊坡最高，高度在100 m左右。水庫所在區域巖性主要處在新第三系之上，多為砂巖和泥巖以及砂礫巖，并以交互層狀的形式體現。該地層的巖性十分弱且強度較低，抗沖蝕以及抗風化的能力較低，透水性也較差，主要屬于微弱透水巖層或相對不透水巖層，并且該泥巖十分容易軟化和崩解。

圖1 進水口的平面圖Fig.1 Plan of intake

2 進水口的高邊坡設計分析

2.1 整體分析

根據相關的規范標準，確定進水口邊坡為二級。進水口邊坡巖層主要處在新第三系之上，多為砂巖和泥巖以及砂礫巖。通過對水庫的詳細觀察分析表明，卸荷崩塌破壞主要以漸進式崩塌為主。邊坡在長時間水中浸泡作用下，泥巖特別容易軟化和崩解，并且整體強度會有所下降，高陡的岸坡受到水淘侵蝕后造成嚴重的坍岸現象，并最終形成岸坡的再造，再經過多次的坍塌之后會形成十分穩定的岸坡。通過相應的分析表明，此工程多以卸荷塊體的崩塌而對高陡邊坡產生一定的破壞作用，而本工程的進水口邊坡多傾向于河流的上游方向，傾角一般保持在30°～60°之間，在引渠段左岸邊坡進行開挖時，主要為切層開挖。此區域內的軟巖巖質邊坡，整體結構面處于不發育狀態，但巖石具備較高的完整性，不會造成在結構面產生滑動破壞的條件。在此區域依據相對穩定的坡比進行挖掘，邊坡不會出現失穩的現象。

從地形方面分析，在進水口左側邊坡區域內，位于開口線1 800 m高程的位置是Ⅳ級基座的階地，并且該階地面的寬度較寬，如果運用較大的坡比進行挖掘則不會引起邊坡高度發生突變的情況。而針對0.8～1.2 MPa的極軟巖邊坡應當以“強開挖、弱支護”的原則進行設計和施工。所以，在開挖之后應當對邊坡表面進行有效防護。另外，需要注意防護一定要及時，避免因未能及時防護而導致巖體出現卸載和風化以及波浪淘刷等因素引起邊坡出現掉塊、滑動的情況。設計應當運用邊挖邊利用混凝土進行防護，以此對巖面形成保護層，避免開挖后巖石在較長時間內完全暴露在外，然后再利用錨桿掛網噴錨進行岸坡的支護防護，進一步有效控制邊坡出現的掉塊以及滑動的情況。

2.2 實際設計

在設計過程中，首先要考慮閘井寬度、沖沙漏斗以及水流所產生的影響，所以在1 725 m高程位置下方的巖石區域，開挖時邊坡比取1∶1.15，然后在間隔10 m設立一道一級馬道，寬度為2 m，另外確定進口引渠土質的邊坡比為1∶3。本工程的泄洪洞在導流期還被當作導流洞使用，在較低水位正常運行時，進口引渠水流速度高于正常流速時，針對邊坡應當提高防護，過水面需要使用混凝土襯砌板鋪設而起到防護作用，然后利用錨桿把襯砌板和巖石進一步連接在一起。在1 725 m高程位置之上的巖石，在開挖時單級邊坡坡比應當為1∶1，并間隔10 m設立一道一級馬道，寬度為2 m。另外，進水口后方的邊坡在混凝土回填的高程下方，在施工期間，基巖處于干燥的狀態；而在運行期，混凝土在回填后沒有臨空面。通過相應的計算表明，運用直立式的開挖可以保障邊坡的穩定性。

在施工過程中，針對巖石邊坡的施工全部要求采用邊挖邊支護的施工方法，避免開挖面暴露在外的時間過長，開挖后應當立刻使用C20混凝土進行噴灑，且厚度要求不得低于50 mm，然后再進行掛網噴錨的防護措施。在施工時應降低對巖石造成干擾，進行開挖時應當運用最直接的形式進行施工，以此降低鉆爆的工程量。另外，鉆爆法施工時，應當在實施前確定相應的參數，并開展爆破實驗，確保施工時不會產生新的爆破裂隙，并且對原有的裂隙不會產生影響。考慮到邊坡基本長時間在水中浸泡，為了避免內水外滲的情況 ，應當只考慮在1 770 m之上到巖石的開挖面這一范圍設立排水管。與此同時，提高對高邊坡的實際監測，除了設計對表面進行監測外，還應當對巖石內部進行監測。

2.3 回填進水塔群

設計使用混凝土主要考慮到邊坡自身的穩定性，在對邊坡進行混凝土回填時，如果回填的高程較高時，邊坡在回填以上的位置高度則會越小。另外，混凝土還具有壓坡腳的功能，有利于邊坡的穩定性，所以當混凝土回填的高程較高時，邊坡則具有較高的穩定性。與進水塔所處的地震現象的穩定性相結合，混凝土進行回填的高程逐步下降后，進一步降低了其自身的自重以及發生地震時的慣性，最終可提升進水塔群的抗滑系統。通過詳細的計算后表明，確定混凝土的回填高程為1 745 m，此時的邊坡以及進水塔群最為穩定。

2.4 邊坡錨索措施分析

巖石飽和抗壓強度在0.8～1.2 MPa之間，壓力表明單根的錨索，其錨固力不可以太大。對進水口邊坡進行開挖時，應當注重考慮運用水下穩定坡的形式進行施工，依據邊坡破壞現狀進行分析表明不會產生較大的滑動。由于對邊坡造成的破壞多以邊坡表面的剝落和掉塊以及滑動為主,因此只用普通的掛網噴錨支護即可。

3 進水口邊坡設計計算分析

依據水利水電工程邊坡設計規范：針對巖質的以塊體及層狀結構的邊坡應當運用不平衡推力傳遞法以及薩爾瑪法計算抗滑的穩定性。針對本工程則使用薩爾瑪法對邊坡的穩定性進行相應的計算，計算使用EMU軟件，并分成以下5種工況：工況一為開挖施工期；工況二為竣工期，邊坡和建筑物以及回填混凝土全部結束施工；工況三為運行期，水位在1 770 m穩定滲流期；工況四為水位降落，蓄水位降低至1 740 m的死水位；工況五為地震工況。

極限平衡法主要利用多滑移模式來進行詳細的搜索和計算，通過優化后的方法來對最小安全系數以及臨界滑裂面進行相應搜索，進而計算得出進水口邊坡的穩定成果，具體內容見表1。并依據計算的成果得出到引渠左邊坡在不同的工況下抗滑的最小安全系數，具體見圖2。由此表明，安全系數最小值所相對應的滑移表現為從邊坡的頂部向底部進行深層的滑動。

表1 邊坡抗滑穩定安全系數計算Tab.1 Calculation of safety factor of anti sliding stability of slope

圖2 最小安全系數對應的滑移Fig.2 Slip corresponding to minimum safety factor

邊坡中的正面坡在低水位時產生地震的工況安全系數最小，在進行計算過程中使用的浸潤線設定為水位在下降狀態，但沒有形成較為穩定的滲流工況。在現實中，地震的發生大多主要為偶然性的現象，并且出現和水位降低的工況完全重合的機率相對較低，并且此種情況為水庫運行最具有危險性的工況。在計算時未把塔體自身的作用時長計入計算中，因此最終計算出的安全系數小于1。但依據現實的狀況來講，考慮到部分回填后的混凝土和進水塔等產生的抗力，在進行計算過程中對正面坡增加3 000 kN的水平向抗力，最后計算得到最小的安全系數為1.08，具體見圖3。即正面坡的水位下降至死水位時，在沒有形成滲流時而發生了地震的情況，邊坡穩定性同樣可以達到相關的標準要求。

圖3 正面坡抗滑穩定安全系數Fig.3 Safety factor of anti sliding stability of front slope

通過對上述計算結果進行分析發現，邊坡在正常期內的安全系數遠遠超過竣工期，主要原因可能是由于水的作用，水的水平方向所產生的壓力直接作用在邊坡之上，由此降低或避免邊坡逐步往臨空面發生變形的情況；再有就是可能受到水的自重作用而產生了與壓坡腳相同的作用。同理，當水位高時所產生的水的壓力以及自重就越大，十分有利于邊坡的穩定性，因此無水狀態比有水狀態、低水位比高水位時邊坡的穩定系數比較小，因此低水位和地震比高水位和地震的工況的危險程度更高。

4 結 語

本工程通過正常的建設施工，進水口已經完成施工，當前的狀態十分良好。通過本次對邊坡的設計研究表明，利用極限平衡法針對邊坡的穩定性進行相應工況校驗的復核與計算。實際計算的結果顯示，當前的設計方案可以達到對邊坡穩定性的標準要求，在水庫的水位下降的工況下，水位的下降速度較慢時最有利于邊坡的穩定性。因此，針對水位下降頻繁和下降幅度較高的水庫項目，在正常的運行過程中確保減緩水位的下降速度，可以確保邊坡的穩定性以及安全性。