葉巴灘水電站開關(guān)站邊坡穩(wěn)定性分析與支護設(shè)計

張志軍，何建華，幸享林

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

0 前 言

葉巴灘水電站是一座以發(fā)電為主要任務的大型水利水電樞紐工程，是金沙江上游規(guī)劃13級開發(fā)方案中的第7級，電站裝機6臺，裝機容量2 240 MW(含200 MW泄放生態(tài)流量機組容量)，年發(fā)電量(聯(lián)合運行)103.17億kW·h，為一等大(Ⅰ)型工程，主要建筑物為Ⅰ級建筑物。電站采用右岸首部式地下廠房布置方案，工程出線等級為500 kV，5回送出。地面開關(guān)站與大壩右岸纜機布置在同一平臺，均位于3 000 m高程，開關(guān)站平行布置于右岸纜機平臺內(nèi)側(cè)，邊坡后緣開口線高程約3 115 m，分為正向邊坡和上游側(cè)坡，邊坡開挖高度約為115 m。

本文基于現(xiàn)有的工程地質(zhì)資料，分析了該邊坡的失穩(wěn)模式，并對不同工況下邊坡的整體穩(wěn)定性及局部塊體穩(wěn)定性進行了計算分析，結(jié)合現(xiàn)場實際地質(zhì)條件及工程經(jīng)驗，提出了邊坡的支護方案。開關(guān)站邊坡典型剖面示意如圖1所示。

1 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)岸坡陡峻，地面開關(guān)站和布置于右岸山頂3 000 m高程平臺，位于大壩右岸纜機平臺內(nèi)側(cè)，平臺長185 m，寬35 m。其中，開關(guān)站平臺寬24 m，外側(cè)右岸纜機平臺寬11 m。邊坡后緣開口線高程3 115 m，分為正向邊坡和上游側(cè)坡，正向邊坡坡向S4.5° E～S21°W，上游坡向N85.5° E。

開關(guān)站平臺及纜機平臺水平開挖深度為50～80 m，巖體弱上風化、強卸荷，卸荷裂隙發(fā)育，巖體較松弛～松弛，較破碎，為Ⅳ類巖體。開關(guān)站開挖邊坡以弱上風化、強卸荷的Ⅳ類巖體為主。1號卸荷拉裂巖體發(fā)育于平臺內(nèi)上游部位。

圖1 開關(guān)站邊坡典型剖面(單位：m)

勘探揭示開關(guān)站平臺與開挖邊坡發(fā)育的主要斷層見表1。此外邊坡內(nèi)還發(fā)育大量小斷層，前期勘探無法全面揭露，需根據(jù)施工開挖揭示情況進行動態(tài)分析。主要有J1、J2、J3、J4等4組優(yōu)勢節(jié)理裂隙；緩傾節(jié)理裂隙發(fā)育程度較弱，主要有J5-1、J5-3等2個方向；此外局部發(fā)育J8組節(jié)理裂隙。

2 邊坡開挖方案

由于開關(guān)站邊坡巖體均為IV類圍巖，且邊坡為永久邊坡，其穩(wěn)定開挖坡比為1:1，本階段根據(jù)地質(zhì)條件，結(jié)合工程類比，為了降低邊坡的開挖高度，擬定開關(guān)站邊坡開挖坡比為1:0.5，每30 m設(shè)一馬道，寬3.0 m，下游側(cè)邊坡3 060 m高程處馬道處布置消防水池，馬道開挖寬度為5.5 m。開挖邊坡平均高度約70 m，最高約115 m。邊坡主要有2個方向，正向邊坡和上游側(cè)坡，正向邊坡方位為N4.5°W，上游側(cè)坡的方位為N21.14°E。

表1 右壩肩開關(guān)站平臺(纜機平臺)及開挖邊坡出露主要構(gòu)造匯總

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 邊坡等級、計算工況與安全系數(shù)

葉巴灘電站為一等大(Ⅰ)型工程，開關(guān)站及右岸纜機平臺的安全級別為Ⅰ級，根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T5353-2006)確定開關(guān)站及纜機平臺邊坡的安全級別，計算工況、邊坡上的作用組合及設(shè)計安全系數(shù)見表2。

表2 計算工況、作用組合及安全系數(shù)

3.2 滑動模式及不穩(wěn)定塊體組合分析

前期勘探揭示的地質(zhì)條件表明邊坡整體穩(wěn)定性較好，無特定的斷層或結(jié)構(gòu)面作為滑移面，可能存在斷層與裂隙組合形成的塊體。

開關(guān)站上游側(cè)邊坡主要發(fā)育F3、f77等斷層。F3等結(jié)構(gòu)面切腳后順坡傾外，此外與開挖邊坡上游側(cè)坡平行的J1組節(jié)理切腳后順坡傾外，上游側(cè)開挖邊坡穩(wěn)定性總體較差。首先按以下模式對邊坡穩(wěn)定性作計算分析：①順坡向的J1組方向的節(jié)理(或隨機小斷層)構(gòu)成的單面滑移；②沿強卸荷巖體搜索滑面。

此外可構(gòu)成的滑移塊體組合模式主要有：

RK1。斷層F3與f 77組合，以NE向陡傾節(jié)理J1作為后緣切割面，可構(gòu)成確定性的楔形滑移塊體(見圖2～3)，交棱線在3 020 m高程一帶切出地表，交棱線傾向S40°～45°W，傾角20°～25°。楔形塊體分布在高程3 020～3 060 m之間。F3為B5型，f77為B3型，斷層性狀較差，塊體穩(wěn)定性較差。

圖2 F3與f77組合塊體赤平投影

圖3 F3與J3組合塊體赤平投影

斷層F3與NW向陡傾節(jié)理J3組合可構(gòu)成楔形滑移塊體，交棱線傾向S50°～55°E，傾角10°～15°，F(xiàn)3為B5型，交棱線傾角較緩，塊體穩(wěn)定性較好。

此外，受近EW向的隨機小斷層或節(jié)理J1控制，可形成單面滑移塊體。滑移面走向與開挖邊坡近平行，延伸較長，傾角較陡，開挖切腳后對邊坡穩(wěn)定不利，開挖邊坡穩(wěn)定性總體較差，建議開挖邊坡作系統(tǒng)支護處理。

開關(guān)站正向邊坡主要發(fā)育F4、f 26、f 27、f 92、f 93、f 94、f 95、f 96、 f 32-2、f 32-3、f 34-1、f 34-4等斷層。未見中緩傾順坡向傾坡外的貫通性結(jié)構(gòu)面發(fā)育。首先按以下模式對邊坡穩(wěn)定性作計算分析：①順坡向的J4組節(jié)理構(gòu)成的單面滑移；②沿強卸荷巖體內(nèi)部或底界搜索滑面。此外可構(gòu)成的滑移塊體組合模式主要為以下幾組：

RK2。斷層f 29與f 94組合，以NE向陡傾節(jié)理J1作為后緣切割面，可構(gòu)成確定性的楔形滑移塊體(見圖4)，交棱線在3 040 m高程一帶切出地表，交棱線傾向S55°～60°E，傾角20°～25°。楔形塊體分布在高程3 040～3 100 m之間。f 29為B4型，f 94為B3型，斷層性狀較差，塊體穩(wěn)定性較差。

圖4 f29與f94組合塊體赤平投影

RK3。斷層f 29(或f 34-4)與f 34-1組合，以NE向陡傾節(jié)理J1作為后緣切割面，可構(gòu)成確定性的楔形滑移塊體(見圖5)，交棱線在3 030 m高程一帶切出地表，交棱線傾向S50°～55°E，傾角10°～15°。楔形塊體分布在高程3 030～3 070 m之間。f 29為B4型(f 34-4為B1型)，f 34-1為B1型，斷層性狀較差，塊體交棱線傾角較緩，塊體穩(wěn)定性較好。

圖5 f29與f34-1組合塊體赤平投影

斷層f93與EW向傾下游的節(jié)理J1組合，可構(gòu)成楔形滑移塊體，交棱線傾向S65°～70°E，傾角25°～30°，塊體穩(wěn)定性較差。受節(jié)理J4控制，以J2、J3作為后緣切割面，可構(gòu)成隨機單面滑移塊體。節(jié)理J1與J3組合(或隨機發(fā)育的小斷層)，可構(gòu)成隨機楔形滑移塊體。隨機組合塊體規(guī)模較小，不利條件下可能滑移、崩塌失穩(wěn)，應注意施工期安全，建議開挖邊坡作系統(tǒng)支護處理。

開挖形成的Ⅳ類巖體邊坡，巖體卸荷松弛，由于開挖坡度較陡，坡體穩(wěn)定性較差，在開口線附近需先進行支護處理，以確保開口線以外邊坡穩(wěn)定，開挖形成的工程邊坡需作及時有效處理。

3.3 計算參數(shù)選取

地震工況以50年為基準期，超越概率5%的概率水準，相應的地震動峰值加速度為205 gal。

巖體及斷層的力學參數(shù)見表3～4；另外，結(jié)合地質(zhì)本階段提供的節(jié)理裂隙連通率，對J1、J2、J3和J4組節(jié)理裂隙的力學參數(shù)進行了加權(quán)平均，計算主要選取的參數(shù)見表5。

3.4 整體抗滑穩(wěn)定性分析計算

根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T5353-2006)，邊坡的安全系數(shù)以極限平衡法中的下限解法進行控制，采用Bishop simplified和Janbu simplified方法進行計算，計算軟件采用Rocscience Slide。

由于開關(guān)站及右岸纜機平臺邊坡(EL 3 000.00 m以上部分)無特定的斷層結(jié)構(gòu)面作為滑移面，因此邊坡的底滑面是通過程序進行圓弧收索。各工況下計算滑弧示意見圖6，計算成果見表6。

表3 巖體的力學參數(shù)

表4 巖體結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)

表5 節(jié)理裂隙的力學參數(shù)

圖6 開關(guān)站邊坡計算滑弧示意圖(底滑面為程序自動搜索)

表6 開關(guān)站及右岸纜機平臺邊坡穩(wěn)定計算成果(支護前)

根據(jù)表6計算結(jié)果可以看出，邊坡支護前在各工況下，其安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3.5 塊體穩(wěn)定性分析計算

根據(jù)地質(zhì)提供資料，共對6組影響邊坡穩(wěn)定性的滑塊進行了穩(wěn)定性計算，計算采用Rocscience Swedge程序。

開關(guān)站及纜機平臺邊坡塊體穩(wěn)定性計算結(jié)果如表7所示。從表7可以看出，開關(guān)站邊坡組合2(RK2)支護前局部塊體穩(wěn)定系數(shù)部分工況不滿足規(guī)范要求，該組合計算模型見圖7。

由表7可以看出，部分塊體在無支護措施的情況下，偶然工況的穩(wěn)定性系數(shù)不滿足規(guī)范的要求，需要對邊坡施加錨索支護。初擬對邊坡施加1 500 kN、L=25 m及2 000 kN、L=30 m@5 m的預應力錨索，對組合2(RK2)進行塊體穩(wěn)定性復核，錨索支護后的該組合各工況穩(wěn)定系數(shù)見表8。由表8可見施加錨索支護后，塊體穩(wěn)定性系數(shù)均滿足要求。

4 邊坡支護設(shè)計

根據(jù)開關(guān)站邊坡穩(wěn)定性計算成果可知，開關(guān)站開挖后邊坡整體穩(wěn)定分析均滿足規(guī)范要求，但塊體穩(wěn)定在部分工況下不能滿足規(guī)范要求；且由于邊坡巖體風化、卸荷強烈，本階段開關(guān)站邊坡勘探工作有限，從壩區(qū)工程地質(zhì)條件分析，總體上，本工程地質(zhì)構(gòu)造復雜，開關(guān)站邊坡依然存在潛在的不確定地質(zhì)構(gòu)造，以及隨機不穩(wěn)定塊體組合，同時考慮到開關(guān)站邊坡作為永久建筑物邊坡，下游部位開關(guān)站平臺布置有大量的機電設(shè)備，為了保證運行期開關(guān)站建筑物與設(shè)備及運行人員的安全，對邊坡采用以下支護措施(開關(guān)站正、側(cè)邊坡支護示意見圖8～9)：

表7 開關(guān)站邊坡塊體分析計算結(jié)果(支護前)

表8 開關(guān)站邊坡塊體分析計算結(jié)果(支護后)

圖7 組合2(PK2)計算模型示意

(1)在3 030.00 m、3 060.00 m和3 090.00 m三個高程處布置三級馬道。

(3)對開關(guān)站邊坡進行系統(tǒng)噴錨支護，主要采取掛網(wǎng)噴混凝土進行支護，并布置系統(tǒng)錨桿。

(4)于高程3 000.00～3 030.00 m之間邊坡布置兩排2 000 kN，L為30 m錨索，水平間距8 m；其余部位邊坡間隔布置1 500 kN、L=25 m及2 000 kN、L=30 m錨索，其中上游側(cè)邊坡間排距為6 m、下游側(cè)邊坡間排距為5 m。

(5)對邊坡局部不穩(wěn)定塊體采用隨機錨索進行支護，支護錨索為1 000 kN、L為20 m或2 000 kN、40 m。

(6)在距邊坡開口線靠山內(nèi)側(cè)設(shè)置0.5m×0.5 m的截水溝，在各級馬道設(shè)置0.3 m×0.3 m的截水溝；在坡面設(shè)置排水孔，排水孔直徑Φ50、L=5 m，間排距5 m；同時在開口線及各級馬道處設(shè)置一排排水孔，排水孔直徑Φ100、L為10 m，間距8 m。

圖8 開關(guān)站正邊坡支護示意

圖9 開關(guān)站側(cè)邊坡支護示意

(7)在邊坡開口線靠山內(nèi)側(cè)設(shè)置一道5 m高的SNS柔性支護網(wǎng)。

5 結(jié) 語

葉巴灘水電站地面開關(guān)站邊坡規(guī)模大，地質(zhì)條件相對復雜，斷層裂隙的組合較多。本工程通過先對邊坡的滑動模式進行分析，篩選出可能形成的塊體及滑動模式，確定潛在不穩(wěn)定塊體組合，通過整體抗滑穩(wěn)定性與塊體穩(wěn)定性分析計算，同時結(jié)合工程現(xiàn)場實際地質(zhì)情況，并參考類似工程，對開關(guān)站邊坡提出了支護方案。

邊坡工程是系統(tǒng)工程，施工前的計算分析通常是基于前期勘探揭示的地質(zhì)情況進行的，施工期應根據(jù)實際揭示的地質(zhì)條件，對大型邊坡進行監(jiān)測、監(jiān)控設(shè)備布置，并結(jié)合監(jiān)測信息、施工組織方案等多方面的情況，對邊坡支護方案進行動態(tài)調(diào)整和完善。