黃金坪水電站尾水出口邊坡開挖支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

尹 葵 霞，　樊 熠 瑋

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都　610072)

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黃金坪水電站尾水出口邊坡開挖支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

尹 葵 霞，樊 熠 瑋

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：黃金坪水電站左岸地下廠房尾水出口邊坡大部分為巖質(zhì)邊坡，可研設(shè)計(jì)階段尾水邊坡開挖高度較高，工程量較大，開挖范圍較廣。開挖實(shí)施過程中，為減少邊坡開挖爆破對附近姑咱鎮(zhèn)居民的影響，降低或避免社會(huì)與環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合尾水出口閘墩設(shè)計(jì)調(diào)整，對邊坡開挖開展了大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)整工作，有效控制了邊坡開挖高度，節(jié)約了工程投資。

關(guān)鍵詞：黃金坪水電站；邊坡；EMU；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1概述

黃金坪水電站位于大渡河上游河段，系大渡河干流水電規(guī)劃“三庫22級”中的第11級電站。水庫正常蓄水位高程為1 476 m、相應(yīng)水庫庫容為1.28億m3，電站總裝機(jī)容量為850 MW，其中右岸環(huán)保電站安裝2臺(tái)單機(jī)容量為25 MW的水輪發(fā)電機(jī)組。電站采用水庫大壩和“一站兩廠”的混合式開發(fā)，樞紐建筑物主要由瀝青混凝土心墻堆石壩、1條岸邊溢洪道、1條泄洪(放空)洞、左岸引水發(fā)電建筑物和右岸環(huán)保電站引水發(fā)電建筑物等組成。

黃金坪水電站引水發(fā)電系統(tǒng)由左岸引水發(fā)電建筑物和右岸引水發(fā)電建筑物等組成，其中左岸兩條尾水隧洞出口位于大渡河左岸姑咱鎮(zhèn)附近。招標(biāo)設(shè)計(jì)階段尾水洞出口設(shè)置檢修閘門室，上部布置過閘交通橋，閘室段順?biāo)飨蚩傞L15 m。

根據(jù)尾水出口布置情況，建筑物包括檢修閘室和過閘交通，加之尾水隧洞斷面較大，因此需要對出口山體進(jìn)行大范圍開挖。根據(jù)尾水出口巖體地質(zhì)條件，穩(wěn)定開挖坡比為1∶0.75。為減小邊坡開挖高度，按照1∶0.5進(jìn)行開挖與支護(hù)設(shè)計(jì)，邊坡開挖高度約為146 m。

尾水出口大渡河對岸為姑咱鎮(zhèn)，房屋和人口密度較大，直線距離約70余m，盡管出口邊坡開挖爆破點(diǎn)位于居民點(diǎn)爆破安全距離外，但仍可能對姑咱鎮(zhèn)房屋和人員產(chǎn)生不利影響，或?qū)⒁l(fā)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。

為減少對當(dāng)?shù)鼐用窈蜕鐣?huì)的干擾，維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定，保證工程順利進(jìn)行，設(shè)計(jì)單位對尾水邊坡開挖開展了大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

2出口邊坡地質(zhì)條件

黃金坪水電站左岸地下廠房尾水洞出口邊坡地形陡峭，大部分基巖裸露，近三面臨空。自然邊坡坡度一般為40°～50°，自然坡高600 m以上，巖體風(fēng)化、卸荷深度大。尾水隧洞出口邊坡巖性以晉寧-澄江期斜長花崗巖及閃長巖為主，物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為巖體風(fēng)化、卸荷和崩塌，巖體強(qiáng)卸荷水平深度為28 m，弱卸荷水平深度為105 m，弱風(fēng)化水平深度為190 m。

邊坡巖體中無較大規(guī)模的斷層分布，巖體結(jié)構(gòu)總體為次塊狀～塊裂結(jié)構(gòu)，局部為碎裂結(jié)構(gòu)。邊坡強(qiáng)卸荷帶巖體以Ⅳ類為主，弱卸荷帶內(nèi)巖體以Ⅲ類為主。

通過對尾水隧洞出口自然邊坡的巖性、構(gòu)造、物理地質(zhì)現(xiàn)象以及邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行的綜合分析表明自然邊坡整體基本穩(wěn)定，其變形破壞形式主要為后坡強(qiáng)卸荷松動(dòng)危巖體的崩塌失穩(wěn)以及滑移拉裂。

尾水隧洞工程邊坡出口主要發(fā)育的代表性結(jié)構(gòu)面為：J1、J2、J8三組裂隙及f7-2’、f7-3、f7-5三條小斷層，洞臉邊坡存在以下變形破壞類型：

①以f7-3、J2等緩傾角順坡結(jié)構(gòu)面為主滑面，f7-2＇、f7-7、J8等中陡傾角結(jié)構(gòu)面為后緣切割面，f7-5、J1結(jié)構(gòu)面為側(cè)向切割面，構(gòu)成潛在平面滑移拉裂破壞；

②沿J8等陡傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)生傾倒～崩塌破壞；

③f7-3、f7-2＇、J1、J2等結(jié)構(gòu)面間構(gòu)成楔形滑移拉裂破壞的不利組合。

3邊坡開挖招標(biāo)設(shè)計(jì)

根據(jù)尾水洞出口地質(zhì)條件，經(jīng)分析計(jì)算，按照“強(qiáng)支護(hù)，少開挖”的原則，擬定尾水洞出口邊坡開挖支護(hù)坡比為1∶0.5，每20 m設(shè)一馬道，馬道寬2 m。尾水洞出口最大坡高146 m，開挖工程量約為19萬m3。

由于邊坡次級小斷層及節(jié)理、裂隙發(fā)育，經(jīng)組合形成不利穩(wěn)定塊體，故局部存在楔形滑移拉裂、平面滑移拉裂、傾倒～崩塌等多種變形破壞型式。按照地質(zhì)人員分析的潛在滑移組合模式，采用規(guī)范推薦的傳遞系數(shù)法進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算。支護(hù)方式及計(jì)算剖面見圖1。

圖1　尾水洞出口典型開挖邊坡剖面圖

4尾水出口邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1優(yōu)化調(diào)整的原因

邊坡開挖施工過程中，姑咱鎮(zhèn)當(dāng)?shù)鼐用裉岢觯隹谶吰麻_挖爆破將影響其房屋安全，反對大規(guī)模爆破開挖。為減少對當(dāng)?shù)鼐用竦挠绊懀ＷC工程的順利進(jìn)行，并從降低環(huán)境影響、減少工程量、優(yōu)化工期、節(jié)約投資的角度出發(fā)，結(jié)合尾水出口閘門及過閘交通布置，對邊坡開挖布置進(jìn)行了調(diào)整，結(jié)合閘室和過閘交通提出了7個(gè)開挖方案進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

4.2優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

根據(jù)地質(zhì)、地形條件、尾水檢修閘門相關(guān)資料，優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要思路為：

(1)研究尾水洞出口檢修閘室布置，調(diào)整閘室位置、壓縮閘室長度并研究取消交通公路的可行性；

(2)根據(jù)地形、地質(zhì)條件，強(qiáng)化“強(qiáng)支護(hù)、少開挖”的原則，通過計(jì)算分析，研究進(jìn)一步提高開挖坡比，降低開挖量的可行性；

(3)根據(jù)電站運(yùn)行的實(shí)際情況，研究分析取消尾水出口檢修閘室的可行性。

4.3尾水出口邊坡穩(wěn)定計(jì)算及綜合比選

4.3.1邊坡抗滑穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5353-2006的規(guī)定，黃金坪水電站屬于二等大(2)型工程，左岸地下廠房引水及發(fā)電等永久性主要建筑物為2級建筑物，尾水邊坡屬于Ⅱ級邊坡，計(jì)算分析中邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)取值如下：

(1)持久設(shè)計(jì)工況(即正常運(yùn)用工況)取1.25；

(2)短暫設(shè)計(jì)工況(即暴雨工況)取1.05；

(3)偶然設(shè)計(jì)工況(即地震工況)取1.05。

4.3.2邊坡計(jì)算方法

尾水出口邊坡為巖質(zhì)邊坡，結(jié)構(gòu)面組合符合平面假定，主要采用中國水利水電科學(xué)院陳祖煜院士所編制的EMU程序進(jìn)行計(jì)算。

4.3.3邊坡穩(wěn)定計(jì)算

(1)計(jì)算剖面的選取。

1#尾水洞的邊坡為1-1剖面，2#尾水洞的邊坡為2-2剖面，兩條尾水洞之間取3-3剖面。

(2)滑移模式分析。

尾水隧洞工程邊坡出口主要發(fā)育的代表性結(jié)構(gòu)面為J1、J2、J8三組裂隙及f7-2’、f7-3、f7-5三條小斷層，發(fā)育部位均在1 485 m高程以下。以f7-3、J2等緩傾角順坡結(jié)構(gòu)面為主滑面，f7-2＇、f7-7、J8等中陡傾角結(jié)構(gòu)面為后緣切割面，f7-5、J1結(jié)構(gòu)面為側(cè)向切割面，構(gòu)成潛在平面滑移拉裂破壞；沿J8等陡傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)生傾倒～崩塌破壞；f7-3，f7-2＇等結(jié)構(gòu)面間構(gòu)成楔形滑移拉裂破壞的不利組合。所選取的計(jì)算剖面顯示，由于J2為產(chǎn)狀SN/W∠30°的順坡裂隙，成為最為危險(xiǎn)的滑動(dòng)面，故選取f7-2＇、J2等結(jié)構(gòu)面間構(gòu)成的滑移拉裂破壞的不利楔形體作為最危險(xiǎn)滑移面進(jìn)行計(jì)算。而J2為間距0.5～2 m的多條裂隙，因此，首先試算出其與f7-2＇組成最危險(xiǎn)滑裂面的位置高程，然后進(jìn)行各方案對應(yīng)工況下的計(jì)算分析。

(3)設(shè)計(jì)工況。

計(jì)算分析時(shí)按照三種設(shè)計(jì)工況進(jìn)行穩(wěn)定性分析，分析類型采用滑動(dòng)穩(wěn)定分析，具體為：

①持久設(shè)計(jì)工況，即正常運(yùn)行工況。

②短暫設(shè)計(jì)工況，即暴雨工況；由于計(jì)算采用簡化處理，浸潤線的位置對此工況的計(jì)算結(jié)果影響很大。計(jì)算時(shí)，根據(jù)地質(zhì)資料擬定浸潤線為下部自河床水面線高程起，沿著地面線向上由近至遠(yuǎn)以約1.2～13.3 m的距離延伸。

③偶然設(shè)計(jì)工況，即地震工況；地震基本烈度為8度，設(shè)防烈度取基本烈度，地震效應(yīng)折減系數(shù)取0.25。

4.3.4邊坡優(yōu)化方案穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，擬定并研究了以下7個(gè)方案。

(1)方案一：尾閘交通公路寬度由8.65 m減

為6.75 m，尾水出口開挖坡比由1∶0.5調(diào)整為1∶0.3(圖2)。

圖2　方案一邊坡穩(wěn)定示意圖

各工況對應(yīng)的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表1。

表1　方案一抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果表

對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析得知邊坡在1∶0.3的坡比開挖后，未加支護(hù)時(shí)各工況穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，穩(wěn)定性較差，需采取永久支護(hù)措施且支護(hù)量較大。

(2)方案二：為減小開挖量、盡量少擾動(dòng)邊坡，將方案一中1#尾水洞出口檢修閘室往河床方向外移5 m，2#閘室不動(dòng)，閘室長度均為12 m，兩條隧洞邊坡開挖坡比取1∶0.5。

各工況對應(yīng)的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表2。

表2　方案二抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果表

對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析得知邊坡在1∶0.5的坡比開挖后，未加支護(hù)時(shí)各穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，穩(wěn)定性較差，需采取永久支護(hù)措施。

(3)方案三：在方案二的基礎(chǔ)上將1#、2#尾水出口邊坡開挖坡比由1∶0.5調(diào)整為1∶0.3(圖3)。

經(jīng)過計(jì)算分析，3-3剖面位置邊坡計(jì)算穩(wěn)定性最差，其各工況下對應(yīng)的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表3。

對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析得知邊坡計(jì)算各穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，穩(wěn)定性較差，需采取永久支護(hù)措施。但此方案較其它方案開挖量較小，對姑咱鎮(zhèn)影響也相對較小且經(jīng)濟(jì)性較高。

(4)方案四：在方案三的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，邊坡開挖坡比由1∶0.3調(diào)整為1∶0.1(圖4)。

圖3　方案三邊坡穩(wěn)定示意圖

運(yùn)行工況計(jì)算安全系數(shù)K支護(hù)后安全系數(shù)Ko支護(hù)措施持久設(shè)計(jì)工況(正常運(yùn)用)1.11.17短暫設(shè)計(jì)工況(暴雨)0.991.06偶然設(shè)計(jì)工況(地震)1.021.17排150t/200t@6m錨索,L=45～55m,交錯(cuò)布置

表4　方案四抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果表

各工況對應(yīng)的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表4。

圖4 　方案四邊坡穩(wěn)定示意圖

對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析得知：邊坡在1∶0.1的坡比開挖后各項(xiàng)穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，穩(wěn)定性較差，需采取永久支護(hù)措施。雖然開挖量較少，但支護(hù)量相對較大，經(jīng)濟(jì)性差。

(5)方案五：尾閘室平臺(tái)不設(shè)公路，尾閘室減小長度至8 m，邊坡開挖坡比為1∶0.3(圖5)。由圖5可見，若將閘室內(nèi)側(cè)原6.75 m的預(yù)留路取消，然后將閘室由12 m×26 m(長×寬)優(yōu)化為8 m×26 m(長×寬)，則尾水洞出口相當(dāng)于外延10.75 m，1#尾水洞出口邊坡1-1剖面位置基本沒有開挖，3-3剖面位置有少量開挖，2#尾水洞出口邊坡有很少量的開挖，就邊坡來說開挖量很小。

但此方案沒有施工通道及過車條件，為了方便施工交通，在閘室下游布置了1.5 m寬的懸臂平臺(tái)，與排架之間的總寬度為3.5 m，可供小型車輛出入。

各工況對應(yīng)的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表5。

圖5　方案五邊坡穩(wěn)定示意圖

表5　自然邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果表

對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析得知：開挖邊坡穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求。

(6)方案六：在方案五的基礎(chǔ)上將尾水出口檢修閘門調(diào)整為疊梁門。

出口布置型式不變，僅將檢修閘門調(diào)整為疊梁門，則平時(shí)疊梁門槽頂部采用蓋板封口，門槽可以兼顧施工通道，這樣實(shí)施不但保留了施工道路，而且尾閘長度可以由原設(shè)計(jì)的12 m×26 m(長×寬)優(yōu)化為8 m×26 m(長×寬)，優(yōu)化思路同方案五，但不需再考慮另找施工道路。

由于尾水洞凈寬為16 m，如果調(diào)整為疊梁門，則直接用汽車吊時(shí)難度很大，很難入槽。為了減小閘門尺寸需增設(shè)中墩，將閘門一分為二，以方便吊裝。中墩增設(shè)后，可能會(huì)影響尾水隧洞的有效過流斷面，為了盡可能減少對過流的影響，尾水洞出口段兩邊需增加寬度，相應(yīng)的尾閘也較方案五增加了工程量，而且尾水閘門室平臺(tái)寬度不能滿足汽車吊裝場地需求，同時(shí)因需要考慮汽車運(yùn)行及通過的道路，邊坡開挖量增大，支護(hù)量也隨之增加。因此，方案五相較方案六更優(yōu)。

(7)方案七：取消尾閘室，尾水洞外延，最大程度減少尾水洞出口上方邊坡的開挖，僅按環(huán)境邊坡治理措施進(jìn)行支護(hù)，如圖6所示。

圖6　方案七邊坡穩(wěn)定示意圖

若取消尾水出口檢修閘門室，則尾水洞沒有檢修條件，如需檢修則需在尾水出口處施工臨時(shí)圍堰進(jìn)行擋水，對于運(yùn)行期間極為不便。

該方案在各種工況下的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表6。

表6　自然邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果表

對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析得知：邊坡穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求，但由于環(huán)境邊坡潛在的不穩(wěn)定因素很多，仍需采取一定的支護(hù)措施。

4.4各優(yōu)化方案工程投資及優(yōu)缺點(diǎn)比較

各方案工程投資及優(yōu)缺點(diǎn)見表7。

根據(jù)以上綜合比較，最終推薦方案五。

對最終優(yōu)化方案與招標(biāo)方案工程量及投資進(jìn)行對比得知，尾水邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)共節(jié)省 投 資

1 980.03萬元。

表7　各優(yōu)化方案工程投資及優(yōu)缺點(diǎn)對比表

5結(jié)語

經(jīng)過對黃金坪水電站尾水出口的布置進(jìn)行優(yōu)化和邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析復(fù)核、工程量、現(xiàn)場施工和運(yùn)行條件以及社會(huì)環(huán)境等因素等的綜合比較，最終確定了尾水出口邊坡開挖支護(hù)實(shí)施方案。該方案在確保電站運(yùn)行功能的條件下，有效地降低了邊坡高度，減少了開挖工程量，節(jié)省了工程投資，最大限度地降低了對姑咱鎮(zhèn)的社會(huì)影響，保證了工程順利建設(shè)。

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[4]DL/T 5176-2003,水電工程預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

(責(zé)任編輯：李燕輝)

尹葵霞(1978-)，女，河南舞陽人，設(shè)計(jì)副總工程師，高級工程師，工程碩士，從事水電工程設(shè)計(jì)與管理工作；

樊熠瑋(1981-)，男，河南三門峽人，高級工程師，學(xué)士，從事水電工程設(shè)計(jì)與管理工作.

作者簡介:

文章編號(hào):1001-2184(2016)02-0033-05

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV7;TV22;TV52

收稿日期:2015-12-31