恰木薩水電站廠房邊坡穩定性及治理措施研究

戚海峰

（中國核工業集團新華水力發電有限公司新疆巴州新華水電開發有限公司，新疆庫爾勒841000）

0 引言

為了生產清潔能源，滿足建設地用水需求，我國修建了大量的水電站。為了保證壩體蓄水量，水電站多修建于山區。山區水電站廠房區域高差較大，這將導致水電站區域會遇到較為嚴重的邊坡穩定問題。水電站邊坡穩定性是影響水電站順利修建的重要因素之一，例如：錦屏水電站高邊坡[1]、楊房溝水電站左岸壩肩邊坡[2]、浩口水電站大壩邊坡[3]、如美水電站邊坡[4]等。影響邊坡穩定性的因素較多，主要包括水文、地質、工程活動等[5-7]。為了保證工程建設安全和水電站的正常使用，針對邊坡進行穩定性分析，并采取相關的治理措施是十分必要的。目前，關于邊坡穩定性分析的方法包括數值模擬分析、物理模型分析等，均取得了較為豐厚的成果[8-10]。

1 工程概況

恰木薩水電站工程主要由攔河引水樞紐、發電引水系統、壓力前池、壓力管道、電站廠房等組成，屬中型Ⅲ等工程。電站攔河引水樞紐正常引水位為1 550 m，壓力前池正常水位為1 547.33 m，引水系統為引水明渠，全長11.628 km，發電引水流量為358 m3/s。電站總裝機容量為203 MW，多年平均年發電量為6.20 億kW·h，裝機年利用小時數為3 054 h，其中主電站裝機容量為200 MW，多年平均年發電量為5.96億kW·h；生態電站裝機容為3 MW，多年平均年發電量為0.24億kW·h，電站建成后向南疆四地州電網供電，在電力系統基荷運行。

2 邊坡破壞堵江可能性分析

臨近河道邊坡破壞后形成的大量堆積體極有可能破壞河道原有流態，造成堵江現象出現，形成堰塞壩，對下游的安全產生嚴重威脅。邊坡破壞后形成堵江需要滿足堆積體下滑后無法被水流攜帶，從而在河床堆積。滑坡地質災害形成堵江的最小滑塌土石方量Vmin：

式中：Ldl為堵江壩底寬度，m；Hr為河流深度，m；Br為河水寬度，m；φs為堵江巖土體飽水狀態的內摩擦角。

從式（1）可知，滑坡堵江的最小土石方量與河道寬度和河水深度成正相關關系。

若單位時間內滑坡涌入河道的滑體土石方量為Q1，此時河水斷面流量為Q2，若堆積體形成堵江，則需要滿足以下條件：

式中：γw為水的重度，取10 kN/m3；γs為滑體飽和重度，取27 kN/m3；β為河床坡度角，取15°；φm為堆積體與河床摩擦角，取30°。

為了計算恰木薩水電站廠房邊坡滑塌后的堵江可能性，選用最不利參數，即河流最小流量下發生的最大規模滑坡，此時，河道流量為41.57 m3/s，單位時間內涌入河道的土石方量應大于13.33 m3/s。根據現場調查，廠房邊坡整體穩定性較好，發生的破壞多為表層土破壞，難以出現大于13.33 m3/s 土石方涌入河水的情況，恰木薩水電站廠房邊坡堵江可能性較小。

3 廠房邊坡穩定性及治理措施分析

3.1 邊坡地質情況

地面廠房區地形較平緩，沖溝較發育。據鉆孔揭露，0～4.0 m 以含礫（砂）低液限粉土為主，夾薄層含土砂礫石及透鏡體，低液限粉土存在濕陷性、高含鹽、腐蝕性及凍脹性等問題，建議采取相應處理措施；4.0～19.0 m 以砂礫石為主，結構密實，局部夾薄層（0.2～0.4 m）粉土及透鏡體，分布無規律；19.0～38.0 m 為中更新統沖積砂卵礫石弱膠結層，膠結不均一，局部缺細粒充填，透水性強；38.0 m 以下為下更新統礫巖，膠結好。中更新統沖積砂卵礫石弱膠結層須爆破或免爆開挖，下更新統礫巖層須爆破開挖。地下水位埋深39.2 m左右，水面高程1 477.0 m。

3.2 廠房邊坡治理措施

根據現有的地質資料及廠區邊坡地形、地質及施工條件，進行開挖邊坡設計。廠房開挖形成最大永久邊坡高約30.0 m，最大臨時邊坡高約25.4 m。根據邊坡的實際情況，臨時開挖邊坡按照1∶0.5 的坡比放坡支護，永久開挖邊坡按照1∶1.5 的坡比放坡。廠房邊坡每10.0 m 設一寬2.0 m 的馬道，最高永久邊坡共2 級馬道。尾水渠過水斷面至第一級馬道以下斷面均以1∶2 坡比開挖，以上開挖邊坡為1∶1.5。尾水渠每10.0 m 設一寬2.0 m 的馬道，最高永久邊坡共分2 級馬道，隨著地形變化，向下游方向馬道逐漸減少。

3.3 邊坡穩定性分析

FLAC 是常用的巖土工程有限元數值模擬軟件，其模型建立較為簡便，利用有限差分法計算邊坡變形和應力結果準確，根據邊坡建立FLAC 數值模擬模型對治理后的邊坡穩定性進行分析。

3.3.1 臨時邊坡

臨時邊坡開挖后的數值模擬位移云圖見圖1。從圖1 可知，按照 1∶0.5 的坡比開挖后，最大變形位移為18 mm，最大變形位置位于坡頂，臨時邊坡處于基本穩定的狀態，但隨著長時間的降水、風化等因素的影響，巖土體力學參數折減，臨時邊坡存在失穩的可能。因此，在施工過程中，臨時性邊坡開挖后應當快速進行下部工程的施工，完成后應盡快回填，避免邊坡失穩造成不利影響。

圖1 臨時邊坡位移云圖

3.3.2 永久邊坡

永久邊坡治理后的數值模擬云圖見圖2，從圖2 可知，采用1∶1.5 的坡比放坡后，邊坡的最大變形位移為15.8 mm，發生在邊坡的坡頂部位。采用1∶1.5 的坡比治理后，廠房邊坡處于穩定狀態，永久邊坡支護在坡面采用網噴護面，防止了邊坡巖土體力學參數的劣化，從而有效保證邊坡在長期使用過程中處于穩定狀態。

圖2 永久邊坡位移云圖

3.3.3 尾水渠邊坡

尾水渠邊坡采用不同的坡比進行放坡，過水斷面至第一級馬道以下斷面均以1∶2 坡比開挖，過水斷面以上開挖邊坡為1∶1.5。為了滿足尾水渠過水需求，采用1∶2 的坡比可以保證過水斷面面積。通過數值模擬分析，尾水渠邊坡位移云圖見圖3。從圖3 可知，采用較小的坡度可以更好地保證邊坡的穩定性，數值模擬結果顯示最大位移量為13.2 mm，與永久邊坡一樣，尾水渠邊坡也采用了網噴護面，避免了水流直接影響巖土體強度造成邊坡穩定性下降。

圖3 尾水渠邊坡位移云圖

4 結語

結合恰木薩水電站廠房邊坡工程，通過采用不同坡比放坡的方式對臨時邊坡、永久邊坡、尾水渠邊坡進行分析，綜合考慮經濟、安全等因素，確定臨時邊坡坡比為1∶0.5，永久邊坡坡比為1∶1.5，尾水渠邊坡坡比為1∶2 和1∶1.5，其中尾水渠上、下級采用不同的坡比可以保證過水流量，通過數值模擬分析，采用放坡支護可以保證廠房邊坡的穩定。