恰木薩水電站廠房邊坡穩(wěn)定性及治理措施研究

戚海峰

（中國核工業(yè)集團(tuán)新華水力發(fā)電有限公司新疆巴州新華水電開發(fā)有限公司，新疆庫爾勒841000）

0 引言

為了生產(chǎn)清潔能源，滿足建設(shè)地用水需求，我國修建了大量的水電站。為了保證壩體蓄水量，水電站多修建于山區(qū)。山區(qū)水電站廠房區(qū)域高差較大，這將導(dǎo)致水電站區(qū)域會(huì)遇到較為嚴(yán)重的邊坡穩(wěn)定問題。水電站邊坡穩(wěn)定性是影響水電站順利修建的重要因素之一，例如：錦屏水電站高邊坡[1]、楊房溝水電站左岸壩肩邊坡[2]、浩口水電站大壩邊坡[3]、如美水電站邊坡[4]等。影響邊坡穩(wěn)定性的因素較多，主要包括水文、地質(zhì)、工程活動(dòng)等[5-7]。為了保證工程建設(shè)安全和水電站的正常使用，針對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并采取相關(guān)的治理措施是十分必要的。目前，關(guān)于邊坡穩(wěn)定性分析的方法包括數(shù)值模擬分析、物理模型分析等，均取得了較為豐厚的成果[8-10]。

1 工程概況

恰木薩水電站工程主要由攔河引水樞紐、發(fā)電引水系統(tǒng)、壓力前池、壓力管道、電站廠房等組成，屬中型Ⅲ等工程。電站攔河引水樞紐正常引水位為1 550 m，壓力前池正常水位為1 547.33 m，引水系統(tǒng)為引水明渠，全長11.628 km，發(fā)電引水流量為358 m3/s。電站總裝機(jī)容量為203 MW，多年平均年發(fā)電量為6.20 億kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)為3 054 h，其中主電站裝機(jī)容量為200 MW，多年平均年發(fā)電量為5.96億kW·h；生態(tài)電站裝機(jī)容為3 MW，多年平均年發(fā)電量為0.24億kW·h，電站建成后向南疆四地州電網(wǎng)供電，在電力系統(tǒng)基荷運(yùn)行。

2 邊坡破壞堵江可能性分析

臨近河道邊坡破壞后形成的大量堆積體極有可能破壞河道原有流態(tài)，造成堵江現(xiàn)象出現(xiàn)，形成堰塞壩，對下游的安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。邊坡破壞后形成堵江需要滿足堆積體下滑后無法被水流攜帶，從而在河床堆積。滑坡地質(zhì)災(zāi)害形成堵江的最小滑塌土石方量Vmin：

式中：Ldl為堵江壩底寬度，m；Hr為河流深度，m；Br為河水寬度，m；φs為堵江巖土體飽水狀態(tài)的內(nèi)摩擦角。

從式（1）可知，滑坡堵江的最小土石方量與河道寬度和河水深度成正相關(guān)關(guān)系。

若單位時(shí)間內(nèi)滑坡涌入河道的滑體土石方量為Q1，此時(shí)河水?dāng)嗝媪髁繛镼2，若堆積體形成堵江，則需要滿足以下條件：

式中：γw為水的重度，取10 kN/m3；γs為滑體飽和重度，取27 kN/m3；β為河床坡度角，取15°；φm為堆積體與河床摩擦角，取30°。

為了計(jì)算恰木薩水電站廠房邊坡滑塌后的堵江可能性，選用最不利參數(shù)，即河流最小流量下發(fā)生的最大規(guī)模滑坡，此時(shí)，河道流量為41.57 m3/s，單位時(shí)間內(nèi)涌入河道的土石方量應(yīng)大于13.33 m3/s。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，廠房邊坡整體穩(wěn)定性較好，發(fā)生的破壞多為表層土破壞，難以出現(xiàn)大于13.33 m3/s 土石方涌入河水的情況，恰木薩水電站廠房邊坡堵江可能性較小。

3 廠房邊坡穩(wěn)定性及治理措施分析

3.1 邊坡地質(zhì)情況

地面廠房區(qū)地形較平緩，沖溝較發(fā)育。據(jù)鉆孔揭露，0～4.0 m 以含礫（砂）低液限粉土為主，夾薄層含土砂礫石及透鏡體，低液限粉土存在濕陷性、高含鹽、腐蝕性及凍脹性等問題，建議采取相應(yīng)處理措施；4.0～19.0 m 以砂礫石為主，結(jié)構(gòu)密實(shí)，局部夾薄層（0.2～0.4 m）粉土及透鏡體，分布無規(guī)律；19.0～38.0 m 為中更新統(tǒng)沖積砂卵礫石弱膠結(jié)層，膠結(jié)不均一，局部缺細(xì)粒充填，透水性強(qiáng)；38.0 m 以下為下更新統(tǒng)礫巖，膠結(jié)好。中更新統(tǒng)沖積砂卵礫石弱膠結(jié)層須爆破或免爆開挖，下更新統(tǒng)礫巖層須爆破開挖。地下水位埋深39.2 m左右，水面高程1 477.0 m。

3.2 廠房邊坡治理措施

根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)資料及廠區(qū)邊坡地形、地質(zhì)及施工條件，進(jìn)行開挖邊坡設(shè)計(jì)。廠房開挖形成最大永久邊坡高約30.0 m，最大臨時(shí)邊坡高約25.4 m。根據(jù)邊坡的實(shí)際情況，臨時(shí)開挖邊坡按照1∶0.5 的坡比放坡支護(hù)，永久開挖邊坡按照1∶1.5 的坡比放坡。廠房邊坡每10.0 m 設(shè)一寬2.0 m 的馬道，最高永久邊坡共2 級馬道。尾水渠過水?dāng)嗝嬷恋谝患夞R道以下斷面均以1∶2 坡比開挖，以上開挖邊坡為1∶1.5。尾水渠每10.0 m 設(shè)一寬2.0 m 的馬道，最高永久邊坡共分2 級馬道，隨著地形變化，向下游方向馬道逐漸減少。

3.3 邊坡穩(wěn)定性分析

FLAC 是常用的巖土工程有限元數(shù)值模擬軟件，其模型建立較為簡便，利用有限差分法計(jì)算邊坡變形和應(yīng)力結(jié)果準(zhǔn)確，根據(jù)邊坡建立FLAC 數(shù)值模擬模型對治理后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.3.1 臨時(shí)邊坡

臨時(shí)邊坡開挖后的數(shù)值模擬位移云圖見圖1。從圖1 可知，按照 1∶0.5 的坡比開挖后，最大變形位移為18 mm，最大變形位置位于坡頂，臨時(shí)邊坡處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)，但隨著長時(shí)間的降水、風(fēng)化等因素的影響，巖土體力學(xué)參數(shù)折減，臨時(shí)邊坡存在失穩(wěn)的可能。因此，在施工過程中，臨時(shí)性邊坡開挖后應(yīng)當(dāng)快速進(jìn)行下部工程的施工，完成后應(yīng)盡快回填，避免邊坡失穩(wěn)造成不利影響。

圖1 臨時(shí)邊坡位移云圖

3.3.2 永久邊坡

永久邊坡治理后的數(shù)值模擬云圖見圖2，從圖2 可知，采用1∶1.5 的坡比放坡后，邊坡的最大變形位移為15.8 mm，發(fā)生在邊坡的坡頂部位。采用1∶1.5 的坡比治理后，廠房邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，永久邊坡支護(hù)在坡面采用網(wǎng)噴護(hù)面，防止了邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)的劣化，從而有效保證邊坡在長期使用過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 永久邊坡位移云圖

3.3.3 尾水渠邊坡

尾水渠邊坡采用不同的坡比進(jìn)行放坡，過水?dāng)嗝嬷恋谝患夞R道以下斷面均以1∶2 坡比開挖，過水?dāng)嗝嬉陨祥_挖邊坡為1∶1.5。為了滿足尾水渠過水需求，采用1∶2 的坡比可以保證過水?dāng)嗝婷娣e。通過數(shù)值模擬分析，尾水渠邊坡位移云圖見圖3。從圖3 可知，采用較小的坡度可以更好地保證邊坡的穩(wěn)定性，數(shù)值模擬結(jié)果顯示最大位移量為13.2 mm，與永久邊坡一樣，尾水渠邊坡也采用了網(wǎng)噴護(hù)面，避免了水流直接影響巖土體強(qiáng)度造成邊坡穩(wěn)定性下降。

圖3 尾水渠邊坡位移云圖

4 結(jié)語

結(jié)合恰木薩水電站廠房邊坡工程，通過采用不同坡比放坡的方式對臨時(shí)邊坡、永久邊坡、尾水渠邊坡進(jìn)行分析，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全等因素，確定臨時(shí)邊坡坡比為1∶0.5，永久邊坡坡比為1∶1.5，尾水渠邊坡坡比為1∶2 和1∶1.5，其中尾水渠上、下級采用不同的坡比可以保證過水流量，通過數(shù)值模擬分析，采用放坡支護(hù)可以保證廠房邊坡的穩(wěn)定。