向家壩水電站右岸開關(guān)站邊坡穩(wěn)定分析與加固設(shè)計(jì)

于磊 孫常玉

摘 要：向家壩水電站右岸開關(guān)站布置于110kV變電站與高程380混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)Ⅱ區(qū)之間，上下邊坡均為順向到斜向傾外結(jié)構(gòu)。根據(jù)地質(zhì)揭露開關(guān)站下部地層中發(fā)育三個(gè)破碎夾泥層。為保證邊坡不發(fā)生滑移變形，通過邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果確定邊坡支護(hù)參數(shù)，使邊坡穩(wěn)定達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求。邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可供類似工程參考。

關(guān)鍵詞：水電工程；邊坡穩(wěn)定；支護(hù)設(shè)計(jì)；穩(wěn)定性分析

向家壩水電站右岸開關(guān)站位于右岸馬延坡中上部，布置于110kv變電站與380混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)Ⅱ區(qū)之間，上距110kV變電站140～210m，下距380Ⅱ區(qū)坡頂開口線25～40m。場平高程509.5m，最大開挖邊坡高度約30m。場區(qū)內(nèi)地表分布?xì)埰路e物、崩坡積物，由砂質(zhì)粘土夾碎石和塊石組成，揭露厚度2.3～6.4m。下部的基巖地層主要為侏羅系自流井組（J1-2Z）底部的泥質(zhì)巖石，西北角地基涉及三迭系上統(tǒng)的T34巖組，下伏地層為三迭系上統(tǒng)T33巖組。自流井組（J1-2Z）底部地層巖性為灰色、深灰色泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖和粉砂巖，有破碎夾泥層發(fā)育；T34以厚層中細(xì)砂巖、細(xì)砂巖為主，泥質(zhì)類軟弱巖石極少；T33為中細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖、粉砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖，含有7層煤，有民間采挖歷史。巖層產(chǎn)狀：50°～60°/SE∠15°左右。地基的J1-2Z巖體呈強(qiáng)至中等風(fēng)化，T34呈中等至微風(fēng)化，強(qiáng)風(fēng)化深度3～5m，中等風(fēng)化深度17～25m。

1 邊坡穩(wěn)定性分析

1.1 邊坡等級、設(shè)計(jì)工況與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)相關(guān)建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和邊坡的重要性，按照DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》，右岸開關(guān)站邊坡按1級邊坡設(shè)計(jì)，地震基本烈度7度，參考國內(nèi)外類似邊坡工程治理的成功經(jīng)驗(yàn)，確定邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）正常狀況一：自重+正常地下水位水壓力+坡面荷載穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.25

（2）非常狀況一：自重+暴雨地下水位水壓力+坡面荷載穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.15

（3）特殊狀況一：自重+正常地下水位水壓力（考慮排水效果）+坡面荷載+地震荷載穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.05

邊坡穩(wěn)定計(jì)算荷載：

（1）邊坡巖土體自重；（2）坡面荷載：邊坡范圍內(nèi)開關(guān)站等建筑物荷載；（3）地下水產(chǎn)生的荷載；（4）加固力；（5）地震荷載壩區(qū)地震基本烈度為7度，基巖地震加速度為0.10g；（6）施工爆破震動(dòng)荷載。

1.2 穩(wěn)定分析方法

針對開關(guān)站邊坡巖（土）體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用spencer法（PCSTABL5M程序）進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

1.3 穩(wěn)定分析與結(jié)果

1.3.1 典型剖面選取

根據(jù)開關(guān)站邊坡的巖體結(jié)構(gòu)類型及建筑物基礎(chǔ)開挖形式，在該段邊坡范圍內(nèi)沿邊坡潛在主變形方向選取兩個(gè)典型的計(jì)算剖面A-A剖面和B-B剖面（見圖1～2）。

1.3.2 穩(wěn)定計(jì)算與結(jié)果

（1）剖面A-A

a.A-A剖面開關(guān)站后坡局部穩(wěn)定計(jì)算邊界條件：前緣為坡頂，底滑動(dòng)面為破碎夾（泥）層，剪出口為開關(guān)站后坡坡腳處，滑動(dòng)面如圖1中的①～②所示。

一期治理后A-A剖面開關(guān)站后坡局部穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如下：

①正常狀況一：計(jì)算結(jié)果1.556>1.25

②非常狀況一：計(jì)算結(jié)果1.363>1.15

③特殊狀況一：計(jì)算結(jié)果1.074>1.05

從計(jì)算結(jié)果可以看出：各工況安全系數(shù)均滿足要求。

b.A-A剖面380Ⅱ區(qū)后坡局部穩(wěn)定計(jì)算邊界條件：前緣為開關(guān)站后坡坡腳處，底滑動(dòng)面為破碎夾（泥）層，剪出口為380Ⅱ區(qū)后坡高程470～482m坡面，滑動(dòng)面如圖1中的②～③所示。

一期治理后A-A剖面380Ⅱ區(qū)后坡局部穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如下：

①正常狀況一：計(jì)算結(jié)果1.76>1.25

②非常狀況一：計(jì)算結(jié)果1.554>1.15

③特殊狀況一：計(jì)算結(jié)果1.211>1.05

從計(jì)算結(jié)果可以看出：該剖面各工況的安全系數(shù)都能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

c.A-A剖面沿破碎夾（泥）層的整體穩(wěn)定計(jì)算邊界條件：前緣為坡頂，底滑動(dòng)面為破碎夾（泥）層，剪出口為380Ⅱ區(qū)后坡高程470～482m坡面，滑動(dòng)面如圖1中的①～③所示。

一期治理后A-A剖面整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如下：

①正常狀況一：計(jì)算結(jié)果1.465>1.25

②非常狀況一：計(jì)算結(jié)果1.285>1.15

③特殊狀況一：計(jì)算結(jié)果1.012<1.05

從計(jì)算結(jié)果可以看出：地震工況為控制工況，地震工況的安全系數(shù)不能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)一步加固支護(hù)。

在增加1000kN/m支護(hù)力的情況下，重新計(jì)算該段邊坡的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如下：

①正常狀況一：計(jì)算結(jié)果1.553>1.25

②非常狀況一：計(jì)算結(jié)果1.377>1.15

③特殊狀況一：計(jì)算結(jié)果1.064>1.05

從計(jì)算結(jié)果可以看出：按單寬增加1000kN的支護(hù)力時(shí)，該剖面各工況的安全系數(shù)都能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

d.A-A剖面沿J1-2z與T34的接觸面滑動(dòng)的整體穩(wěn)定計(jì)算邊界條件：前緣為坡頂，底滑動(dòng)面為夾層J1-2z與T34的接觸面，剪出口為380Ⅱ區(qū)后坡高程450～470m坡面，滑動(dòng)面如圖1中的④～⑤所示。

一期治理后A-A剖面沿J1-2z與T34的接觸面滑動(dòng)的整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如下。層面巖土體力學(xué)參數(shù)取低值（？準(zhǔn)=220，C=0.1MPa）。

①正常狀況一：計(jì)算結(jié)果2.682>1.25

②非常狀況一：計(jì)算結(jié)果2.146>1.15

③特殊狀況一：計(jì)算結(jié)果1.819>1.05

從計(jì)算結(jié)果可以看出：在層面巖土體力學(xué)參數(shù)取低值的情況下，各工況的安全系數(shù)均能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）剖面B-B

a.B-B剖面沿破碎夾（泥）層整體滑動(dòng)的穩(wěn)定計(jì)算邊界條件：前緣為110kV變電站外側(cè)抗滑樁的外側(cè)，底滑動(dòng)面為破碎夾（泥）層，剪出口為380Ⅱ區(qū)后坡高程456～470m坡面，滑動(dòng)面如圖2中的①～②～③所示。

一期治理后B-B剖面沿破碎夾（泥）層整體滑動(dòng)的計(jì)算結(jié)果如下：

①正常狀況一：計(jì)算結(jié)果1.767>1.25

②非常狀況一：計(jì)算結(jié)果1.508>1.15

③特殊狀況一：計(jì)算結(jié)果1.124>1.05

從計(jì)算結(jié)果可以看出：該剖面各工況的安全系數(shù)都能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

b.B-B剖面沿J1-2z與T34的接觸面的整體滑動(dòng)的穩(wěn)定計(jì)算邊界條件：前緣為110kV變電站外側(cè)抗滑樁的外側(cè)，底滑動(dòng)面為J1-2z與T34的接觸面，剪出口為380Ⅱ區(qū)后坡高程456～470m坡面坡腳處，滑動(dòng)面如圖2中的④～⑤所示。

一期治理后B-B剖面沿J1-2z與T34的接觸面滑動(dòng)的整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如下。層面巖土體力學(xué)參數(shù)取低值（？準(zhǔn)=220，C=0.1MPa）。

①正常狀況一：計(jì)算結(jié)果2.72>1.25

②非常狀況一：計(jì)算結(jié)果2.29>1.15

③特殊狀況一：計(jì)算結(jié)果1.857>1.05

從計(jì)算結(jié)果可以看出：在層面巖土體力學(xué)參數(shù)取低值的情況下，各工況的安全系數(shù)均能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2 加固支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 一期支護(hù)

開關(guān)站后坡：開挖開口線外布置2排鋼管樁，間排距1m，樁長7～18m。高程520m馬道布置2排鋼管樁，間排距1m，樁長18～30m。

380Ⅱ區(qū)后坡：

南側(cè)段邊坡（A剖面）：坡頂布設(shè)1排鋼筋樁，間距2m，樁長15m；？犖493～501m馬道布設(shè)1排鋼筋樁，間距2m，樁長15m；？犖482m馬道布設(shè)1排鋼筋樁，間距2m，樁長15m；？犖470m馬道布設(shè)1排鋼筋樁，間距2m，樁長16m；？犖463m馬道布設(shè)1排鋼筋樁，間距2m，樁長10m。

北側(cè)段邊坡（B剖面）：坡頂布設(shè)1排鋼筋樁，間距2m，樁長12m；？犖502m馬道布設(shè)1排鋼筋樁，間距2m，樁長22m；？犖482m馬道布設(shè)1排鋼筋樁，間距2m，樁長15m；？犖470m馬道布設(shè)1排鋼筋樁，間距2m，樁長25m。

2.2 二期支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)穩(wěn)定分析結(jié)果，開關(guān)站邊坡在一期支護(hù)的基礎(chǔ)上增加了二期支護(hù)。

開關(guān)站后邊坡：結(jié)合一期治理高程520m的2排鋼管樁，在鋼管樁中設(shè)置3？準(zhǔn)32的鋼筋束；共368束；在高程522m布置一排1500kN預(yù)應(yīng)力錨索，間距5m，錨索長45m，共15束。

開關(guān)站下邊坡：在高程470m、484m和489m各布置一排1500kN預(yù)應(yīng)力錨索，間距5m，錨索長45m，共64束。

3 結(jié)束語

從上述開關(guān)站邊坡的穩(wěn)定分析成果及加固設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)的確定可以得出如下結(jié)論：

（1）開關(guān)站邊坡最危險(xiǎn)的潛在滑動(dòng)面受破碎夾（泥）層控制；沿J1-2z與T34的接觸面的穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）地震工況是開關(guān)站邊坡的控制工況

目前向家壩右岸地下電站已經(jīng)完工并投入使用，四臺機(jī)組已全部投產(chǎn)發(fā)電。右岸開關(guān)站邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)月變化量平穩(wěn)，無異常，邊坡處于相對平穩(wěn)狀態(tài)，未反映出邊坡產(chǎn)生滑移變形的跡象。邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可供類似工程參考。

作者簡介：于磊（1983，9-），男，湖南省長沙市（籍貫），現(xiàn)職稱：工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。