向家壩水電站右岸開關站邊坡穩定分析與加固設計

于磊 孫常玉

摘 要：向家壩水電站右岸開關站布置于110kV變電站與高程380混凝土生產系統Ⅱ區之間，上下邊坡均為順向到斜向傾外結構。根據地質揭露開關站下部地層中發育三個破碎夾泥層。為保證邊坡不發生滑移變形，通過邊坡穩定分析結果確定邊坡支護參數，使邊坡穩定達到工程設計要求。邊坡支護設計經驗可供類似工程參考。

關鍵詞：水電工程；邊坡穩定；支護設計；穩定性分析

向家壩水電站右岸開關站位于右岸馬延坡中上部，布置于110kv變電站與380混凝土生產系統Ⅱ區之間，上距110kV變電站140～210m，下距380Ⅱ區坡頂開口線25～40m。場平高程509.5m，最大開挖邊坡高度約30m。場區內地表分布殘坡積物、崩坡積物，由砂質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）底部的泥質巖石，西北角地基涉及三迭系上統的T34巖組，下伏地層為三迭系上統T33巖組。自流井組（J1-2Z）底部地層巖性為灰色、深灰色泥質粉砂巖夾泥巖和粉砂巖，有破碎夾泥層發育；T34以厚層中細砂巖、細砂巖為主，泥質類軟弱巖石極少；T33為中細砂巖、粉細砂巖、粉砂巖夾泥質粉砂巖、粉砂質泥巖和泥巖，含有7層煤，有民間采挖歷史。巖層產狀：50°～60°/SE∠15°左右。地基的J1-2Z巖體呈強至中等風化，T34呈中等至微風化，強風化深度3～5m，中等風化深度17～25m。

1 邊坡穩定性分析

1.1 邊坡等級、設計工況與設計標準

根據相關建筑物設計標準和邊坡的重要性，按照DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》，右岸開關站邊坡按1級邊坡設計，地震基本烈度7度，參考國內外類似邊坡工程治理的成功經驗，確定邊坡抗滑穩定安全系數標準如下：

（1）正常狀況一：自重+正常地下水位水壓力+坡面荷載穩定安全系數≥1.25

（2）非常狀況一：自重+暴雨地下水位水壓力+坡面荷載穩定安全系數≥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+地震荷載穩定安全系數≥1.05

邊坡穩定計算荷載：

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

1.2 穩定分析方法

針對開關站邊坡巖（土）體結構特點，采用spencer法（PCSTABL5M程序）進行穩定性分析。

1.3 穩定分析與結果

1.3.1 典型剖面選取

根據開關站邊坡的巖體結構類型及建筑物基礎開挖形式，在該段邊坡范圍內沿邊坡潛在主變形方向選取兩個典型的計算剖面A-A剖面和B-B剖面（見圖1～2）。

1.3.2 穩定計算與結果

（1）剖面A-A

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

一期治理后A-A剖面開關站后坡局部穩定計算結果如下：

①正常狀況一：計算結果1.556>1.25

②非常狀況一：計算結果1.363>1.15

③特殊狀況一：計算結果1.074>1.05

從計算結果可以看出：各工況安全系數均滿足要求。

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

一期治理后A-A剖面380Ⅱ區后坡局部穩定計算結果如下：

①正常狀況一：計算結果1.76>1.25

②非常狀況一：計算結果1.554>1.15

③特殊狀況一：計算結果1.211>1.05

從計算結果可以看出：該剖面各工況的安全系數都能達到設計標準。

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

一期治理后A-A剖面整體穩定計算結果如下：

①正常狀況一：計算結果1.465>1.25

②非常狀況一：計算結果1.285>1.15

③特殊狀況一：計算結果1.012<1.05

從計算結果可以看出：地震工況為控制工況，地震工況的安全系數不能滿足設計標準，需進一步加固支護。

在增加1000kN/m支護力的情況下，重新計算該段邊坡的安全系數，計算結果如下：

①正常狀況一：計算結果1.553>1.25

②非常狀況一：計算結果1.377>1.15

③特殊狀況一：計算結果1.064>1.05

從計算結果可以看出：按單寬增加1000kN的支護力時，該剖面各工況的安全系數都能達到設計標準。

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

一期治理后A-A剖面沿J1-2z與T34的接觸面滑動的整體穩定計算結果如下。層面巖土體力學參數取低值（？準=220，C=0.1MPa）。

①正常狀況一：計算結果2.682>1.25

②非常狀況一：計算結果2.146>1.15

③特殊狀況一：計算結果1.819>1.05

從計算結果可以看出：在層面巖土體力學參數取低值的情況下，各工況的安全系數均能滿足設計標準。

（2）剖面B-B

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

一期治理后B-B剖面沿破碎夾（泥）層整體滑動的計算結果如下：

①正常狀況一：計算結果1.767>1.25

②非常狀況一：計算結果1.508>1.15

③特殊狀況一：計算結果1.124>1.05

從計算結果可以看出：該剖面各工況的安全系數都能達到設計標準。

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

一期治理后B-B剖面沿J1-2z與T34的接觸面滑動的整體穩定計算結果如下。層面巖土體力學參數取低值（？準=220，C=0.1MPa）。

①正常狀況一：計算結果2.72>1.25

②非常狀況一：計算結果2.29>1.15

③特殊狀況一：計算結果1.857>1.05

從計算結果可以看出：在層面巖土體力學參數取低值的情況下，各工況的安全系數均能滿足設計標準。

2 加固支護設計

2.1 一期支護

開關站后坡：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區后坡：

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

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

2.2 二期支護設計

根據穩定分析結果，開關站邊坡在一期支護的基礎上增加了二期支護。

開關站后邊坡：結合一期治理高程520m的2排鋼管樁，在鋼管樁中設置3？準32的鋼筋束；共368束；在高程522m布置一排1500kN預應力錨索，間距5m，錨索長45m，共15束。

開關站下邊坡：在高程470m、484m和489m各布置一排1500kN預應力錨索，間距5m，錨索長45m，共64束。

3 結束語

從上述開關站邊坡的穩定分析成果及加固設計支護參數的確定可以得出如下結論：

（1）開關站邊坡最危險的潛在滑動面受破碎夾（泥）層控制；沿J1-2z與T34的接觸面的穩定性滿足設計設計標準。

（2）地震工況是開關站邊坡的控制工況

目前向家壩右岸地下電站已經完工并投入使用，四臺機組已全部投產發電。右岸開關站邊坡監測數據月變化量平穩，無異常，邊坡處于相對平穩狀態，未反映出邊坡產生滑移變形的跡象。邊坡支護設計經驗可供類似工程參考。

作者簡介：于磊（1983，9-），男，湖南省長沙市（籍貫），現職稱：工程師，學歷：本科，研究方向：水工結構設計。