某水電站放空洞進口邊坡穩定性分析與支護設計

姚鵬程，曲海珠

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

在建的某水電站壩高112.5 m，壩前最大壅水高105 m，正常蓄水位2 370 m，死水位2 320 m。該電站放空洞布置于右岸，與導流洞結合，由進口段、洞身段、出口段及閘門井組成。進口底板高程2 274.0 m，出口底板高程2 255.0 m，隧洞長約686.0 m。放空洞進口邊坡高約110 m，頂部為雙車道四級公路(山重區)，路基寬7.00 m，瀝青路面寬6.5 m。該段邊坡表面分布有大量的崩坡積塊碎石土層，厚度較大，結構松散，目前邊坡整體處于穩定狀態，但是在電站蓄水運行后其穩定性不僅影響電站的正常運行，還會影響公路的安全通行。本文對該段邊坡進行了穩定性計算分析，并提出了相應的支護設計方案。

1 地質條件分析

1.1 基本地質條件

放空洞進口段邊坡長約200 m，地形坡度為40°～50°，相對高差110 m，坡體表面大多基巖出露，局部有厚1～4 m覆蓋層分布；除覆蓋層外，由于上部改線公路的開挖，坡面局部浮渣較多，結構極為松散。邊坡出露的基巖巖性為中厚層砂巖夾薄層板巖，巖層產狀為N40°～50°W/SW∠50°～60°，陡傾向山里，邊坡為逆向坡，層面對邊坡穩定不具控制性，邊坡整體基本穩定。強風化巖體水平深度10～15 m，多呈巖塊夾碎屑狀，結構松散，穩定性較差。

1.2 工程地質條件

目前因施工需要，在2 303 m高程處開挖了3號施工便道，寬約2～3 m，其內側邊坡高約30～40 m，坡度約65°～75°，開挖后一直裸露，未做任何支護。據現場調查，該段邊坡中上部掉塊頻繁，且多次發生小型滑塌，導致頂部多處呈倒懸狀。該段邊坡天然狀態下整體基本穩定，局部穩定性差。預測在水庫蓄水后，表淺層塊碎石土與強風化巖體受水位變幅及浪蝕影響，可能產生庫岸再造，導致邊坡出現較大規模的牽引式塌滑失穩，危及導流放空洞進口和若九公路的安全運行。建議對該段岸坡研究加固和防護措施。

2 邊坡穩定性分析

2.1 失穩模式分析

放空洞進口邊坡高差較大，坡度較陡，坡體主要由表部的塊碎石土與強風化物質組成，水平深度10～20 m，結構松散，穩定性差。加之在2 303 m高程處開挖了3號施工便道，寬約2～3 m，開挖后一直裸露，未做任何支護。經調查該段邊坡中上部掉塊頻繁，且多次發生小型滑塌，導致頂部多處呈倒懸狀，邊坡典型剖面示意見圖1。另位于本段邊坡下游約1.5 km處一失穩邊坡物性及地形地貌均與本段邊坡類似，其破壞方式為下部土體滑塌后形成階梯狀臨空面，導致上部土體失穩滑動，從而使整個邊坡呈漸進式的失穩滑塌。

綜合以上分析，確定放空洞進口邊坡失穩滑移模式為牽引式滑動。

圖1 放空洞進口邊坡典型剖面示意

2.2 邊坡等級、安全系數與計算工況

根據《水電水利工程邊坡設計規范》(DL/T5353-2006)，由邊坡所影響的建筑物的級別及邊坡失事的危害程度綜合確定邊坡的級別，確定邊坡最小抗滑穩定安全系數及計算工況，其中計算工況主要分為三大類：持久狀況為正常運行工況、短暫狀況為正常運行時遇暴雨工況、偶然狀況為正常運行時遇地震工況。詳情見表1。

2.3 計算參數選取

根據試驗成果與工程類比，選取放空洞進口邊坡穩定性計算力學參數見表2。

表1 邊坡計算工況及設計安全系數控制標準

表2邊坡穩定性分析巖(土)體物理力學參數

2.4 邊坡穩定性分析計算

根據《水電水利工程邊坡設計規范》(DL/T5353-2006)，邊坡的安全系數以極限平衡方法中的下限解法進行控制。不同的滑面形態選用不同的計算方法，對于沿剪切破碎帶滑動滑面為折線狀的，采用摩根斯坦-普來斯法計算(見圖2)。滑面剪出口為下部施工便道處，滑面底邊界為強風化與弱風化巖體分界線，本工程穩定性分析計算所使用程序為陳祖煜院士的土質邊坡穩定分析程序stab2008。

使用stab進行穩定性分析計算(見圖3)，計算成果見表3。成果表明：持久工況和偶然工況下正常蓄水位和死水位運行時，邊坡安全系數滿足規范要求；短暫工況下正常蓄水位運行時，邊坡安全系數不滿足規范要求；死水位運行時，邊坡安全系數滿足規范要求。

圖2 摩根斯頓-普賴斯法計算示意

圖3 stab計算示意

表3邊坡各工況安全系數計算結果

3 邊坡支護設計

放空洞進口邊坡高差較大，坡度較陡，主要由表部的塊碎石土與強風化物質組成，水平深度10～20 m，結構松散，穩定性差。在2 303 m高程處3號施工便道開挖后一直裸露，未做任何支護，其上部掉塊頻繁，且多次發生小型滑塌，導致多處呈倒懸狀。目前，該邊坡天然狀態整體穩定，經穩定性計算分析，蓄水后邊坡在水位變幅及浪蝕作用下會產生塌岸再造和小規模塌滑破壞，其變形破壞模式主要表現為牽引式塌滑。

根據stab計算結果，結合現場地質條件及主體工程實際施工情況，擬采用錨索對邊坡進行加固處理。為防止水位變幅和浪蝕對坡面的掏蝕破壞，配合錨筋束采用框格梁對坡面強風化巖體進行防護。由于框格梁自重較大，在3號施工便道(2 303 m高程)布置抗滑樁一排，在承接框格梁的同時可增加坡體抗滑作用。具體支護措施見圖4。

圖4 改線公路外側邊坡支護示意

因該段邊坡在2 303 m、2 277 m高程有兩條施工便道，相應支護方案結合施工便道進行。在3號施工便道(2 303 m高程)布置2.0 m×2.0 m抗滑樁一排，長度為10～15 m；在2 340 m、2 360 m馬道分別布置一排100 t錨索，長35 m；3號施工便道至導流(放空)洞口段為覆蓋層邊坡，采用鋼筋石籠護坡；便道2 303～2 375 m段采用框格梁支護，并布置6排長9～15 m的錨筋束，于2 303 m便道處設混凝土貼坡式擋墻，擋墻高3 m，底寬1.5 m，頂寬1 m；2 375 m至公路外邊緣段為水上邊坡，采用鋼筋網錨噴的方式支護。

按設計完成支護后，該邊坡經歷了多個豐水期水位上升與枯水期水位消落的運行周期，并于2017年經歷了一次7級地震。根據震后現場巡查與儀器監測，該邊坡未發生較大的變形及滑塌，用事實證明了針對該邊坡采用的加固措施是具有成效的。

4 結 語

本文通過對某水電站放空洞邊坡的失穩破壞模式進行分析，在穩定性計算分析的基礎上，結合現場地質條件對該段邊坡提出了相應的支護方式，充分體現了邊坡支護設計中安全、經濟的指導原則。