水利樞紐工程結(jié)合進水口軟巖高邊坡穩(wěn)定設計探析

馮裕疆

(新疆三河建設工程有限責任公司，新疆 阿克蘇 843000)

1 工程概況

本次研究的水利樞紐具有季調(diào)節(jié)的作用，是主要以防洪和灌溉以及發(fā)電為主的水利工程。本水庫所在的地區(qū)，地震活動十分頻繁，強度為VI級，且該水庫所在的流域中含有大量的泥沙。水庫大壩主要是混凝土面板砂礫石壩，水庫右岸為溢洪道，在左岸設置聯(lián)合進水口，見圖1。進水口主要設立在以下3個位置，分別是1#洞和2#洞及發(fā)電洞，1#洞進水口底板的高程為1 696 m、2#洞進水口底板高程為1 715 m、發(fā)電洞進水口底板高程為1 725 m。3個進水口共用同一條引渠而構(gòu)成聯(lián)合進水口，其長、底寬分別為407.0和13.5 m。引渠段永久邊坡高度最高達110 m左右，在進水塔左側(cè)邊坡，開挖最大高度約在113 m，以1#洞進水塔后的邊坡最高，高度在100 m左右。水庫所在區(qū)域巖性主要處在新第三系之上，多為砂巖和泥巖以及砂礫巖，并以交互層狀的形式體現(xiàn)。該地層的巖性十分弱且強度較低，抗沖蝕以及抗風化的能力較低，透水性也較差，主要屬于微弱透水巖層或相對不透水巖層，并且該泥巖十分容易軟化和崩解。

圖1 進水口的平面圖Fig.1 Plan of intake

2 進水口的高邊坡設計分析

2.1 整體分析

根據(jù)相關的規(guī)范標準，確定進水口邊坡為二級。進水口邊坡巖層主要處在新第三系之上，多為砂巖和泥巖以及砂礫巖。通過對水庫的詳細觀察分析表明，卸荷崩塌破壞主要以漸進式崩塌為主。邊坡在長時間水中浸泡作用下，泥巖特別容易軟化和崩解，并且整體強度會有所下降，高陡的岸坡受到水淘侵蝕后造成嚴重的坍岸現(xiàn)象，并最終形成岸坡的再造，再經(jīng)過多次的坍塌之后會形成十分穩(wěn)定的岸坡。通過相應的分析表明，此工程多以卸荷塊體的崩塌而對高陡邊坡產(chǎn)生一定的破壞作用，而本工程的進水口邊坡多傾向于河流的上游方向，傾角一般保持在30°～60°之間，在引渠段左岸邊坡進行開挖時，主要為切層開挖。此區(qū)域內(nèi)的軟巖巖質(zhì)邊坡，整體結(jié)構(gòu)面處于不發(fā)育狀態(tài)，但巖石具備較高的完整性，不會造成在結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動破壞的條件。在此區(qū)域依據(jù)相對穩(wěn)定的坡比進行挖掘，邊坡不會出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。

從地形方面分析，在進水口左側(cè)邊坡區(qū)域內(nèi)，位于開口線1 800 m高程的位置是Ⅳ級基座的階地，并且該階地面的寬度較寬，如果運用較大的坡比進行挖掘則不會引起邊坡高度發(fā)生突變的情況。而針對0.8～1.2 MPa的極軟巖邊坡應當以“強開挖、弱支護”的原則進行設計和施工。所以，在開挖之后應當對邊坡表面進行有效防護。另外，需要注意防護一定要及時，避免因未能及時防護而導致巖體出現(xiàn)卸載和風化以及波浪淘刷等因素引起邊坡出現(xiàn)掉塊、滑動的情況。設計應當運用邊挖邊利用混凝土進行防護，以此對巖面形成保護層，避免開挖后巖石在較長時間內(nèi)完全暴露在外，然后再利用錨桿掛網(wǎng)噴錨進行岸坡的支護防護，進一步有效控制邊坡出現(xiàn)的掉塊以及滑動的情況。

2.2 實際設計

在設計過程中，首先要考慮閘井寬度、沖沙漏斗以及水流所產(chǎn)生的影響，所以在1 725 m高程位置下方的巖石區(qū)域，開挖時邊坡比取1∶1.15，然后在間隔10 m設立一道一級馬道，寬度為2 m，另外確定進口引渠土質(zhì)的邊坡比為1∶3。本工程的泄洪洞在導流期還被當作導流洞使用，在較低水位正常運行時，進口引渠水流速度高于正常流速時，針對邊坡應當提高防護，過水面需要使用混凝土襯砌板鋪設而起到防護作用，然后利用錨桿把襯砌板和巖石進一步連接在一起。在1 725 m高程位置之上的巖石，在開挖時單級邊坡坡比應當為1∶1，并間隔10 m設立一道一級馬道，寬度為2 m。另外，進水口后方的邊坡在混凝土回填的高程下方，在施工期間，基巖處于干燥的狀態(tài)；而在運行期，混凝土在回填后沒有臨空面。通過相應的計算表明，運用直立式的開挖可以保障邊坡的穩(wěn)定性。

在施工過程中，針對巖石邊坡的施工全部要求采用邊挖邊支護的施工方法，避免開挖面暴露在外的時間過長，開挖后應當立刻使用C20混凝土進行噴灑，且厚度要求不得低于50 mm，然后再進行掛網(wǎng)噴錨的防護措施。在施工時應降低對巖石造成干擾，進行開挖時應當運用最直接的形式進行施工，以此降低鉆爆的工程量。另外，鉆爆法施工時，應當在實施前確定相應的參數(shù)，并開展爆破實驗，確保施工時不會產(chǎn)生新的爆破裂隙，并且對原有的裂隙不會產(chǎn)生影響。考慮到邊坡基本長時間在水中浸泡，為了避免內(nèi)水外滲的情況 ，應當只考慮在1 770 m之上到巖石的開挖面這一范圍設立排水管。與此同時，提高對高邊坡的實際監(jiān)測，除了設計對表面進行監(jiān)測外，還應當對巖石內(nèi)部進行監(jiān)測。

2.3 回填進水塔群

設計使用混凝土主要考慮到邊坡自身的穩(wěn)定性，在對邊坡進行混凝土回填時，如果回填的高程較高時，邊坡在回填以上的位置高度則會越小。另外，混凝土還具有壓坡腳的功能，有利于邊坡的穩(wěn)定性，所以當混凝土回填的高程較高時，邊坡則具有較高的穩(wěn)定性。與進水塔所處的地震現(xiàn)象的穩(wěn)定性相結(jié)合，混凝土進行回填的高程逐步下降后，進一步降低了其自身的自重以及發(fā)生地震時的慣性，最終可提升進水塔群的抗滑系統(tǒng)。通過詳細的計算后表明，確定混凝土的回填高程為1 745 m，此時的邊坡以及進水塔群最為穩(wěn)定。

2.4 邊坡錨索措施分析

巖石飽和抗壓強度在0.8～1.2 MPa之間，壓力表明單根的錨索，其錨固力不可以太大。對進水口邊坡進行開挖時，應當注重考慮運用水下穩(wěn)定坡的形式進行施工，依據(jù)邊坡破壞現(xiàn)狀進行分析表明不會產(chǎn)生較大的滑動。由于對邊坡造成的破壞多以邊坡表面的剝落和掉塊以及滑動為主,因此只用普通的掛網(wǎng)噴錨支護即可。

3 進水口邊坡設計計算分析

依據(jù)水利水電工程邊坡設計規(guī)范：針對巖質(zhì)的以塊體及層狀結(jié)構(gòu)的邊坡應當運用不平衡推力傳遞法以及薩爾瑪法計算抗滑的穩(wěn)定性。針對本工程則使用薩爾瑪法對邊坡的穩(wěn)定性進行相應的計算，計算使用EMU軟件，并分成以下5種工況：工況一為開挖施工期；工況二為竣工期，邊坡和建筑物以及回填混凝土全部結(jié)束施工；工況三為運行期，水位在1 770 m穩(wěn)定滲流期；工況四為水位降落，蓄水位降低至1 740 m的死水位；工況五為地震工況。

極限平衡法主要利用多滑移模式來進行詳細的搜索和計算，通過優(yōu)化后的方法來對最小安全系數(shù)以及臨界滑裂面進行相應搜索，進而計算得出進水口邊坡的穩(wěn)定成果，具體內(nèi)容見表1。并依據(jù)計算的成果得出到引渠左邊坡在不同的工況下抗滑的最小安全系數(shù)，具體見圖2。由此表明，安全系數(shù)最小值所相對應的滑移表現(xiàn)為從邊坡的頂部向底部進行深層的滑動。

表1 邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算Tab.1 Calculation of safety factor of anti sliding stability of slope

圖2 最小安全系數(shù)對應的滑移Fig.2 Slip corresponding to minimum safety factor

邊坡中的正面坡在低水位時產(chǎn)生地震的工況安全系數(shù)最小，在進行計算過程中使用的浸潤線設定為水位在下降狀態(tài)，但沒有形成較為穩(wěn)定的滲流工況。在現(xiàn)實中，地震的發(fā)生大多主要為偶然性的現(xiàn)象，并且出現(xiàn)和水位降低的工況完全重合的機率相對較低，并且此種情況為水庫運行最具有危險性的工況。在計算時未把塔體自身的作用時長計入計算中，因此最終計算出的安全系數(shù)小于1。但依據(jù)現(xiàn)實的狀況來講，考慮到部分回填后的混凝土和進水塔等產(chǎn)生的抗力，在進行計算過程中對正面坡增加3 000 kN的水平向抗力，最后計算得到最小的安全系數(shù)為1.08，具體見圖3。即正面坡的水位下降至死水位時，在沒有形成滲流時而發(fā)生了地震的情況，邊坡穩(wěn)定性同樣可以達到相關的標準要求。

圖3 正面坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Fig.3 Safety factor of anti sliding stability of front slope

通過對上述計算結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)，邊坡在正常期內(nèi)的安全系數(shù)遠遠超過竣工期，主要原因可能是由于水的作用，水的水平方向所產(chǎn)生的壓力直接作用在邊坡之上，由此降低或避免邊坡逐步往臨空面發(fā)生變形的情況；再有就是可能受到水的自重作用而產(chǎn)生了與壓坡腳相同的作用。同理，當水位高時所產(chǎn)生的水的壓力以及自重就越大，十分有利于邊坡的穩(wěn)定性，因此無水狀態(tài)比有水狀態(tài)、低水位比高水位時邊坡的穩(wěn)定系數(shù)比較小，因此低水位和地震比高水位和地震的工況的危險程度更高。

4 結(jié) 語

本工程通過正常的建設施工，進水口已經(jīng)完成施工，當前的狀態(tài)十分良好。通過本次對邊坡的設計研究表明，利用極限平衡法針對邊坡的穩(wěn)定性進行相應工況校驗的復核與計算。實際計算的結(jié)果顯示，當前的設計方案可以達到對邊坡穩(wěn)定性的標準要求，在水庫的水位下降的工況下，水位的下降速度較慢時最有利于邊坡的穩(wěn)定性。因此，針對水位下降頻繁和下降幅度較高的水庫項目，在正常的運行過程中確保減緩水位的下降速度，可以確保邊坡的穩(wěn)定性以及安全性。