水利樞紐工程聯合進水口軟巖高邊坡穩定設計研究

李召良

（中鐵十一局集團有限公司，湖北 武漢 430061）

1 案例工程概述

本研究以某大型水利樞紐工程為例，項目主要為混凝土面板砂礫石壩，設計水位為200 m，位于Ⅵ度強地震烈度區，需滿足抗震標準。聯合進水口邊坡展現為岸坡地貌，高程為1 676 m 以下坡角50°，（1 676～1 700）m 坡角30°～40°，1 700 m 以上坡角45°～50°。項目旨在調節季節流量，確保灌溉水源和電力供應。考慮到地區平均含沙量為6.94 kg/m3，工程設計與運營均需確保其安全性和可持續性。

2 高邊坡問題與設計策略

2.1 高邊坡問題探討

聯合進水口工程涉及3 條隧洞：1#洞、2#洞及發電洞，底板高程分別為1 696 m、1 715 m 和1 725 m。工程基巖是微晶灰巖夾灰質礫巖，裸露于進水口，增加開挖難度。開挖邊坡高度達200 m，加上復雜的巖層構造和裂隙分布，使得工程穩定性和安全性受到挑戰。工程設計需考慮巖層特性、巖性、抗壓抗剪強度等地質因素和地形特點對邊坡穩定性的影響[1]。水庫正常蓄水位為1 770 m，死水位為1 740 m，年水位降落30 m，給邊坡穩定性帶來壓力。本文針對地質情況，將使用模型分析驗證設計，確保工程的安全性和持續性。

2.2 高邊坡穩定性設計方案

對1 725 m 的進水口高邊坡設計，綜合考慮地形、地質和防災，制定了全面的設計方案。每10 m 設置一條2 m 寬的馬道，確保施工安全與效率。閘門井斜坡的開挖坡比為1∶1.15，并使用混凝土襯板和錨桿增強穩定性。重視地質環境變化，采用垂直開挖，減少交通橋長度以節約成本。施工中，所有巖石斜坡開挖與支撐同步進行。通過全面的監測設備，如多點位移計，實時監控斜坡變形，確保其穩定性。

針對抗滑穩定性問題，回填混凝土的高程設為1 745 m，使其自重能夠壓實邊坡腳部，提高邊坡的抗滑穩定性[2]。綜合評價顯示，這樣的設計將顯著提高進水口塔群在地震條件下的側向抗滑安全系數，從而確保項目的安全并優化資源的使用。

3 邊坡穩定性的模型計算與評估

3.1 計算條件設定

針對聯合進水口邊坡的穩定性問題，本文采用有限元法進行穩定性分析。計算模型采用了二維和三維有限元模型，其中二維模型主要用于邊坡的抗滑穩定分析，三維模型則用于整體變形穩定分析。計算條件如下：

1）二維模型：采用有限元強度折減法和剛體極限平衡法進行分析，計算工況包括正常蓄水位、施工完建期、正常蓄水位+暴雨或久雨水位驟降、正常蓄水位+地震。

2）三維模型：采用三維非線性有限元法進行分析，計算工況包括正常蓄水位、施工完建期、正常蓄水位+暴雨或久雨水位驟降、正常蓄水位+地震。計算模型中采用的主要巖體物理力學參數如表1 所示。

表1 巖體物理力學參數

3.2 穩定性分析

采用有限元強度折減法和剛體極限平衡法對聯合進水口邊坡穩定性進行分析，結果滿足規范要求。受斷層影響，1 618.5 m 馬道局部變形較大，但影響不大。回填混凝土的高程設為1 745 m 提高抗滑穩定性。三維非線性有限元法結果顯示，初步設計后的支護滿足標準，但1 號變形體安全系數相對低，需重點關注。綜合模型分析，聯合進水口邊坡滿足規范要求，三維模型更接近實際。二維計算補充了三維模型的缺陷，且由于考慮的因素限制，其結果為支護設計的基準。

4 高邊坡穩定性設計策略實施與分析

4.1 環境因素與巖體特性分析

在水利水電工程中，聯合進水口邊坡的穩定性至關重要。該區域的邊坡主要由砂巖、泥巖和砂礫巖組成，它們的特性對穩定性有顯著影響，巖層傾角為30°～60°，級別為Ⅱ級[3]。卸荷裂隙和卸荷崩塌可能導致漸進式崩塌，并在水浸下降低巖體強度。設計考慮了地質特性和規范，目標是防止整體失穩。聯合進水口左側邊坡高度為1 800 m，為極軟巖，采用“強開挖、弱支護”策略。開挖后立即進行混凝土噴涂和錨桿支護等措施，提高工程安全性。

4.2 強震條件下的邊坡設計方案

1）設計策略與坡度配置。對于高程為1 725 m 的進水口邊坡設計，特別考慮了閘井的寬度和馬道的設置，以確保邊坡的穩定性和工作通道的需求。馬道每10 m 設置一級，寬為2 m，滿足工作通道需求同時幫助邊坡穩定。考慮到沖沙漏斗特性，閘井邊坡的開挖坡比被設定為1∶1.15。引渠土質邊坡的開挖坡比設定為1∶3。防護措施包括混凝土襯砌板與錨桿，旨在增強邊坡穩定性。特殊運行條件，如高水流速時，會相應增強邊坡防護[4]。

2）高程邊坡的設計。對于高程1 725 m 以上的基巖，考慮了坡比、馬道配置與開挖策略。坡比為1∶1，這樣既滿足規范要求，又滿足工程的穩定性需求。馬道同樣每10 m 設置一級，寬度為2 m。在施工過程中，所有巖石邊坡都將實行邊開挖邊支護的策略。開挖后將立即進行混凝土噴涂防護和掛網噴錨防護，混凝土防護厚度為50 mm，這是保障巖石穩定性的重要步驟。

在鉆爆法施工前，進行試驗性爆破以驗證其可行性和安全性，確保無新的爆破裂隙出現，達到原有裂隙無錯動、張開的標準。另外，巖石開挖面邊坡范圍內將布設PVC 排水管，以促進邊坡內部的排水，減少水壓對邊坡穩定性的影響。

加強高邊坡的變形監測是保證邊坡安全的關鍵措施，包括設置綜合測點、多點位移計以及錨桿測力計，全面、實時地監測邊坡的變形情況，確保邊坡穩定性。

4.3 回填混凝土弱支護策略

1）設計原則與策略。在設計過程中，回填混凝土弱支護策略是為了應對高邊坡的穩定性問題，尤其是在地震工況下的整體穩定性。回填混凝土的高程設置對邊坡穩定性具有直接的影響，因此本設計方案中特別關注并且詳細考察了這一因素。

2）回填混凝土的高程設定。為了提高進水塔群的側向抗滑安全系數，將回填混凝土的高程設定為1 745 m。這一設定旨在利用回填混凝土的自重壓實邊坡腳，從而增強邊坡的抗滑穩定性。

在進行設計時，需要權衡地震慣性力與自重所產生的抗滑力，從而實現對高邊坡的有效穩定。這個平衡過程是設計的關鍵，因為它直接決定了邊坡在地震工況下的穩定性。

綜合評估顯示，這樣的設計策略將顯著提高進水塔群在地震工況下的側向抗滑安全系數。這樣不僅確保了工程的安全性，也優化了資源的使用，從而使得整個工程的經濟效益和安全性得到有效提升。

4.4 風化軟化巖體中的錨索實施方案

針對巖石飽和抗壓強度僅為（0.8～1.2）MPa 的特殊情況，設計了專門的邊坡錨索實施方案。然而，由于巖石的強度較低，給實施過程中帶來了一些挑戰。主要問題是如何在提供足夠的穩定力的同時，避免因錨固力過大而導致邊坡的進一步破壞。在設計方案時，嚴格控制了錨固力的大小。過大的錨固力可能會引發邊坡的破壞，包括表面剝落、局部掉塊和表層滑動等[5]。因此，必須仔細考慮這些破壞因素，并在設計中盡量避免它們的發生。在實際應用中，遵循了一個原則：未涉及大錨固力的錨索加固，要避免由于錨固力過大引起的邊坡破壞。

5 對設計方案穩定性的全面評估

在對聯合進水口高邊坡設計進行評估時，依據水利水電工程邊坡設計規范，對巖質以塊體及層狀結構的邊坡進行穩定性分析。這項穩定性分析利用了不平衡推力傳遞法和薩爾瑪法，并借助EMU 軟件，針對五種不同工況下的邊坡穩定性進行了計算。這五種工況包括：開挖施工期、竣工期、運行期、水位降落期以及地震工況。其中運行期水位設定為1 770 m，水位降落期蓄水位降至1 740 m。在此條件下能夠全面評估設計方案的應用效果，同時還深入研究了邊坡的穩定性，并使用優化后的極限平衡法對多滑移模式進行詳細地搜索和計算，明確了最小安全系數與臨界滑裂面的關系。

設計方案穩定性評估的結果顯示，水的存在，尤其是在高水位時，對于邊坡穩定性的增強具有重要的作用。其主要原因是，水壓和水的自重可以有效地壓實坡腳，從而增強邊坡穩定性。但在低水位或發生地震的工況下，邊坡穩定性的危險性顯著增加，尤其是在地震及低水位的工況下，正面坡的安全系數最小，其初步計算的安全系數小于1，未能滿足邊坡穩定性的相關規范標準。但值得注意的是，這個計算并未包含塔體自身的抗力效應，一旦加入水平抗力（約為3 000 kN），實際的最小安全系數即可達到1.08，明顯超過規定的穩定性要求。因此，必須將這些關鍵工況納入設計考慮，并充分利用水的作用以提升邊坡穩定性。見表2。

表2 不同工況安全系數結果

針對具體的水利水電工程邊坡設計，采用適當的計算和分析方法，結合實際工況，以及進行持續地調整和優化，是實現邊坡穩定性的關鍵。

6 研究結論與建議

本文深入探討了聯合進水口高邊坡設計及其穩定性的核心問題：

1）針對風化軟化巖體，其飽和抗壓強度較低，研究突出了錨索方案的重要性。適當控制錨固力能顯著提升邊坡穩定性。

2）文章探究了地震下的高邊坡穩定性，特別是回填混凝土的利用，有助于增強抗滑穩定性，提高進水塔群的安全系數。

3）詳細分析了多種工況下的穩定性，如水壓、自重及地震影響，為實際工程應用提供了重要參考。

本研究仍有局限，如氣候變化對穩定性的影響需進一步研究。未來可以考慮更精確的模型和探索新的穩定材料。