兩河口水電站泄水出口邊坡開挖支護設計研究

張 婭 琴

(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

隨著我國能源基礎建設經濟的發展，水電工程建設規模越來越大，涉及到的邊坡問題越來越突出。在水利水電工程中，對自然邊坡及人工邊坡進行分析研究，評價其穩定性特征，對水電工程本身和修建運營具有重大意義。本文以兩河口水電站泄水出口邊坡為研究對象，從邊坡地質情況和結構類型出發，采用Slide軟件進行計算，分別計算出在正常持久，暴雨短暫及地震偶然條件下的穩定系數，提出了邊坡深層支護參數，評價了泄水出口邊坡在不同工況下的穩定性，為工程設計和施工提供了重要依據。

1 工程概況

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內，為雅礱江水電基地中下游控制性水庫梯級電站。電站采用壩式開發，水庫正常蓄水位2 865 m，水庫總庫容為107.67億m3，調節庫容為65.6億m3，具有多年調節能力。電站裝機容量3 000 MW，樞紐建筑物采用“攔河堆石壩+右岸引水發電系統+左岸泄洪、放空系統+左、右導流洞”的工程樞紐總體布置格局。

1.1 泄水建筑物布置

本工程泄水建筑物均布置于左岸，從山體往岸坡方向依次布置深孔泄洪洞、放空洞、豎井泄洪洞、洞式溢洪道。其中豎井泄洪洞、放空洞、深孔泄洪洞的挑坎出口布置在同一高程，即2 625 m高程，本文所涉及的邊坡范圍從豎井泄洪洞出口洞臉開始，順河向往下游依次為放空洞出口開挖邊坡、深孔泄洪洞出口開挖邊坡，總長度約730 m，邊坡設計開口線最高高程為2 800 m，邊坡最大開挖高度約175 m。邊坡開挖平面布置見圖1。

圖1 兩河口水電站泄水建筑物出口邊坡開挖平面布置

1.2 設計標準

兩河口水電站工程規模為一等大(Ⅰ)型工程，其泄洪消能等永久性主要建筑物為一級建筑物，其出口邊坡等級為一級。抗震設防標準為乙類設防，設計地震動參數采用 50年超越概率5%，基巖水平峰值加速度為181.4 gal。

2 出口邊坡地質條件

2.1 地質地貌

泄水建筑物出口位于雅礱江左岸，該段河流走向為近SN走向。斜坡縱向上總體呈溝梁相間的地貌特征，小沖溝(干溝)發育，溝內植被茂盛，橫向上總體表現為下陡上緩特征，2 660 m高程以上相對緩坡，地形坡度30°～35°，2 660 m高程以下地形坡度40°～50°，局部地形較陡，地形坡度55°～65°。

出口斜坡發育于三疊系上統兩河口組中段第五層(T3lh2(5))地層之中，其巖性主要為粉砂質板巖與絹云板巖不等厚互層。巖層產狀為N75°～85°W/SW∠60°～75°，板理較陡立，其產狀一般為N80°～87°W/NE∠70°～85°。巖層走向總體與雅礱江左岸斜坡呈大角度相交，斜坡為一陡傾橫向層狀巖質邊坡。

出口斜坡巖性主要為砂質板巖、絹云母板巖，絹云母板巖總體上抗風化能力相對較弱。一般在水平方向上，由坡體表部至坡內20～48 m為弱風化巖體，再向里為微新、新鮮巖體。弱卸荷水平深度20～33.5 m。

據地表調查和平硐揭示，巖體內發育Ⅲ級小斷層、節理密集帶、節理裂隙為特征。規模相對較大的斷裂構造主要為順層發育的斷層、層間擠壓錯動帶，主要有f2、f5、f15及f17斷層，其中f2、f5和f17斷層走向與斜坡近于垂直；f15斷層平行岸坡發育，主要發育于深孔泄洪洞出口下游側。本段斜坡主要發育3組裂隙：①N75°～85°W/SW∠60°～75°(層面)，⑥N10°～20°E/NW∠25°～35°，④N10°～20°E/NW(SE)∠65°～80°，⑤N80°～85°W/NE∠70°～85°(板理)局部發育，其中⑥組為順坡向緩傾角裂隙。

2.2 巖石物理力學參數

壩區巖體物理力學參數建議值及壩區巖體結構面力學參數建議值如表1～2所示。

表1 壩區巖體物理力學參數建議值

表2 壩區巖體結構面力學參數建議值

3 邊坡開挖設計

泄水建筑物出口邊坡沿河向溝梁相間，等高線起伏不斷，且位于溢洪道泄洪霧化區，邊坡設計采用 “少開挖、強支護”為原則來進行邊坡開挖布置。同時還有以下考慮：

(1)鑒于多個泄水建筑物出口依次排列布置，布置在上游側的出口其側坡的開挖盡量垂直或陡坡，以便增加下游側靠山體隧洞段的巖體側覆厚度；

(2)結合出口挑坎的結構體型，合理布置開挖輪廓，減少開挖量。

根據總體樞紐布置，深孔泄洪洞、豎井泄洪洞、放空洞出口挑坎及護坦的建基面高程為2 625.0 m，挑坎齒槽建基面高程為2 623.0 m。深孔泄洪洞及放空洞出口挑坎的開挖寬度均為15.0 m，豎井泄洪洞出口挑坎的開挖寬度為17.0 m。

深孔泄洪洞出口側邊坡區域Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類巖石分別按1:0.3、1:0.5、1:0.75的坡比開挖，局部Ⅲ類地段有垂直坡開挖；考慮到邊坡整個開口線布局，局部Ⅴ類地段有1:0.4的坡比開挖。

放空洞和豎井泄洪洞出口側邊坡區域Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類巖石分別按垂直坡1:0.3，1:0.5的坡比開挖，局部Ⅴ類地段按1:0.4的坡比開挖。

開挖邊坡按25 m高差設置一條3.0 m寬的馬道。邊坡最大開挖高度約175 m，在放空洞出口側邊坡。邊坡開挖參數在可研設計階段有優化調整，其施工階段開挖參數見表3。

表3 邊坡開挖參數對比

4 開挖邊坡穩定分析

4.1 計算分析標準

泄洪放空建筑物出口邊坡根據荷載效應組合或運行工況，采用極限平衡法的下限解法進行邊坡穩定分析，邊坡安全系數如表4所示。

表4 邊坡抗滑穩定安全系數

4.2 失穩模式分析

由于該斜坡具有緩傾坡外、陡傾坡外裂隙比較發育的結構特征，斜坡結構面不利組合(以NNE向⑥組緩傾坡外裂隙為底滑面，④組陡傾坡外或陡傾坡內結構面為后緣拉裂面，①⑤組巖層面或板理為側向割裂面)，加之該區巖性主要為較軟弱的板巖，構成斜坡局部變形破壞的基礎。

根據開挖邊坡各斷面地質圖，分析可能的失穩滑裂面，對各個滑裂面所組成的塊體進行抗滑穩定計算，假定失穩模式如下。

失穩模式一：切割Ⅴ1類巖體的近似圓弧滑動(見圖2)。

圖2 模式一 圖3 模式二

失穩模式二：選取第④組裂隙為后緣面，以弱風化線為底滑移面的滑動(見圖3)。

失穩模式三：選取第④組裂隙為后緣面，以強卸荷線為底滑移面的滑動(見圖4)。

失穩模式四：選取第④組裂隙為后緣面，以第⑥組裂隙為底滑移面的滑動(見圖5)。

圖4模式三 圖5 模式四

失穩模式五：選取第⑤組裂隙為后緣面，以強卸荷線為底滑移面的滑動(見圖6)。

圖6 模式五

4.3 計算分析

計算分析中邊坡開挖橫剖面在順河向的間距約30 m，其中對洞臉內、外側的轉角坡、開挖控制剖面等特殊位置進行剖面加密；針對各剖面可能出現的不同失穩模式組合，分別考慮正常持久、暴雨短暫、地震偶然這三種工況，計算荷載主要考慮失穩滑體自重、支護提供的錨固力、水荷載、地震荷載，其中暴雨工況的孔隙水壓力系數取為0.1。

計算采用Slide分析軟件，下面列出兩個典型剖面計算分析成果：

(1)放空洞出口內側坡CK21剖面，計算控制工況為暴雨工況，在失穩模式一和失穩模式三需要增加支護力。CK21剖面計算模型及剖面失穩模式如圖7～9所示，計算成果見表5。

表5 計算成果

圖7 CK21剖面計算模型(單位：m)

圖8 CK21剖面失穩模式一計算示意

本計算剖面開展四種失穩模式的計算，其中模式二和模式四各工況下未支護的計算結果滿足規范值，模式一和模式三的暴雨短暫工況時，需在不同高程需增加支護錨固力，結合考慮兩種失穩模式支護錨固力的計算成果，在2 715.00 m高程以上布置20排P=1 500 kN的錨索，間距4 m。

圖9 CK21剖面失穩模式三計算示意

(2)泄洪洞出口轉角坡CK20剖面，計算控制工況為暴雨工況，在失穩模式一需要增加支護力。CK20剖面計算模型及剖面失穩模式如圖10～11所示，計算成果見表6。

圖10 CK20剖面計算模型(單位:m)

圖11 CK20剖面失穩模式一計算

表6 計算成果

本計算剖面開展兩種失穩模式的計算，其中模式五各工況下未支護的計算結果滿足規范值，模式一的暴雨短暫工況時，需在2 700.00 m高程以上布置10排P=1 500 kN錨索，間距4 m。

(3)針對不同的計算剖面可能發生的失穩模式組合，根據相應的計算分析成果，劃分多個支護區域，作為邊坡深層支護的設計依據。

5 邊坡支護設計

根據分析計算結果，邊坡支護采取“全面淺層支護、局部深層支護，開口馬道鎖口支護”等原則，同時邊坡設置坡面排水和淺層排水孔相結合的措施。具體支護參數如下：

淺層支護。根據清坡范圍，開挖揭示的圍巖類別及性狀，霧化雨強范圍等因素，對邊坡表面采取深度為4.5～9 m的錨桿進行支護，間排距1.5～2 m，巖石邊坡表面噴混凝土保護，覆蓋層或較破碎的邊坡表面設置框格梁，霧化雨強范圍大于50 mm的邊坡范圍，設置貼坡混凝土保護坡面。

深層支護。主要在不穩定的滑移模式的范圍內布置錨索，錨索長度交錯布置。

鎖口支護。開口線的鎖口支護采用兩排錨桿束，間排距2 m。馬道鎖口支護采用一排錨桿束，間距2 m。

危巖體清理。針對危巖體的位置和性狀，采取清除或加固的處理原則，同時在邊坡開口線外一定距離設置一道4 m高柔性防護網，防止孤塊碎石崩落損害下方建筑物。

霧化區防護區支護。考慮溢洪道泄洪水舌區域邊坡霧化情況，深孔泄洪洞出口內側坡、洞臉坡及隧洞出口段外側坡，2 700.00 m高程以下布置C25貼坡混凝土，厚0.8 m；放空洞出口內側坡、洞臉坡及隧洞出口段外側坡2 650.00 m高程以下布置C25貼坡混凝土，厚0.8 m；豎井泄洪洞出口內側坡考慮受溢洪道泄洪出口水翅濺水影響2 700.00 m高程以下布置C25貼坡混凝土，厚0.8 m。

對穿錨索區支護。因放空洞出口挑坎內側坡段的山體內布置有泄洪洞洞身段，為盡量少地削減泄洪洞洞身段山體側覆厚度，此段出口邊坡采用直坡和1:0.3的坡比開挖，隧洞的側覆厚度最薄處僅有15 m，因此在此段增加對穿錨索支護，垂直向錨索采用3排垂直間距4 m，順河向沿泄洪洞底坡坡度布置，水平間距4 m。邊坡側采用混凝土錨頭，隧洞內側采用鋼錨頭，錨索噸位采用1 000 kN。

邊坡排水設計。整個坡面設置排水孔，孔深5 m，間排距3 m。開口線外側設置排水溝0.6 m×0.6 m，各級馬道內側設置截水溝0.3 m×0.3 m，將坡面的水截住后匯入側坡排水溝排入下游。

6 監測跟蹤

左岸泄水建筑物出口邊坡開挖2014年底開始施工，2018年底開挖支護基本完成。該區域邊坡共布設4個監測斷面，監測斷面位置充分考慮結構計算成果進行布設，能夠達到對左岸泄水建筑物進出口邊坡全面監控目的。監測項目主要包括：表面變形觀測、內部變形觀測邊坡、支護應力監測。

各外觀測點實測上下游(X)方向累積位移在-18.5～10.0 mm之間；左右岸(Y)方向累積位移在-11.3～26.8 mm之間，累積沉降(Z)變形在-25.6～30.4 mm范圍內，各向位移隨時間呈水平走勢，月變化較小。總體來看，泄洪放空洞出口邊坡外觀各向累積位移走勢平緩。

各多點位移計監測成果看，1至3監測斷面各測點實測邊坡位移量在-2.38～1.55 mm之間，累積位移量較小。其中4-4斷面2 763.00 m、2 727.00 m高程的多點位移計M4XC-03、M4XC-07孔口累積位移分別為15.47 mm、21.95 mm，位移變化較小，主要為淺表層變形(變形深度0～5 m范圍內)，變形主要發生在開挖前期，在邊坡基本開挖完成后，該部位變形逐漸趨于平緩收斂。邊坡2017年8月起增補的多點位移計全部安裝完成，投入正常觀測，目前累計變形量在-0.06～1.45 mm之間，變形量較小。

錨索錨固力測值在1 000 kN和1 500 kN設計荷載附近(774.34～1 735.50 kN之間)，錨固力損失率在-2.58%～20.54%之間，錨索支護荷載鎖定后呈損失狀態，(較鎖定值均有所減小)，且逐漸趨于平穩。其中錨固力損失率最大20.54%，發生在2 737 m高程處的PRXC-52，錨固力當前測值793.37 kN，目前該部位錨索錨固力走勢趨緩。總體來看，大多數錨索錨固力損失率基本都在10%以內，錨固力走勢平緩。

目前未見新的地質異常情況，地表巡視檢查也未發現異常。淺表部變形較明顯的兩個測點變形亦無變化。總體來看，邊坡目前基本趨于穩定。

7 結 語

兩河口工程泄洪水頭高，流量大且河谷窄。泄洪放空建筑物出口邊坡受泄洪霧化影響大，為保證泄水建筑物的安全，對出口邊坡的開挖支護研究和優化設計至關重要。在可研設計階段出口邊坡開挖高度較高，工程量較大，開挖范圍較廣。開挖施工中，為減少邊坡開挖爆破對生態環境的影響，降低或避免環保風險，結合泄洪放空建筑物出口挑坎結構設計調整，對邊坡開挖開展了大量的優化設計調整工作，將可開挖高度從250 m降低至175 m，有效控制了邊坡開挖高度，節約了工程投資。同時，在開挖過程中和開挖完成后的監測數據表明，邊坡安全可靠，為電站的安全運行提供了保證。