河北豐寧抽水蓄能電站下水庫進/出水口高邊坡支護結構設計研究

劉 蕊，喻 冉，余 健，錢玉英，何 敏

（1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京市 100024；2.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350）

0 引言

河北豐寧抽水蓄能電站地處河北省承德市豐寧滿族自治縣境內，電站安裝12臺單機容量為300WM的混流可逆式水輪發電機，總裝機容量為3600MW，分兩期開發建設。電站由上水庫、一、二期輸水系統、一、二期地下廠房、地面開關站及下水庫等建筑物組成。上、下水庫進/出水口之間的水平距離為3010m，額定水頭425m，距高比為7.1。隨著現場施工進展，豐寧抽水蓄能電站實際開挖揭露的一、二期工程下水庫進/出水口尾水檢修閘門井平臺以下邊坡的地質條件發生了較大變化，一、二期工程下水庫進/出水口右側邊坡受沖溝影響，出現了高達15m的土坡；左側邊坡出現NW和NE兩組裂隙，走向與邊坡夾角較小，邊坡產生局部不穩定塊體滑動破壞[1]。為確保豐寧抽水蓄能電站高邊坡施工期及運行期的本質安全，設計針對實際開挖揭示的地質條件，及時調整支護參數，采取了針對性的邊坡加強支護措施。本文以豐寧抽水蓄能電站二期進/出水口高邊坡為例，利用Geostudio和理正巖土軟件作為主要計算工具，針對下水庫二期進/出水口邊坡，分析加強支護后的邊坡穩定性。

1 工程地質條件

下水庫進/出水口布置于灤河左岸，距離下水庫大壩約2.4km，地形上為“兩溝夾一梁”。下水庫進/出水口洞臉開挖邊坡總體方位為近SN，基巖主要為強風化、弱風化、微風化中粗?；◢弾r，巖體主要為次塊狀結構。巖體中主要發育有NE和NW兩組裂隙，均為共軛剪切節理，①NE10°～60°SE（NW）∠ 30°～ 80°，走向以 NE30°～ 50°居多，中、陡傾角 ；② NW280°～ 310°NE（SW）∠ 40°～ 70°，走向以NW300°～310°居多，中、陡傾角[2]。巖石物理力學參數建議指標見表1。

表1 下水庫進/出水口邊坡巖石物理力學指標建議值Table 1 Suggested values of rock physical and mechanical indexes for the inlet/outlet slope of the lower reservoir

2 初期支護設計參數

下水庫進/出水口邊坡的支護設計遵循“支護與圍巖共同作用維持邊坡穩定，圍巖是承載的主體，支護是加固和穩定圍巖的手段。允許圍巖有適度變形，通過支護調節，控制圍巖不出現有害松動，以最大限度地發揮圍巖自承能力，使工程安全、經濟和施工方便”的原則，并按照“設計→施工→監測→反饋→調整支護參數”的程序，進行了信息化支護設計的嘗試[3]。通過工程類比和計算分析，確定本工程的初期支護方式及局部邊坡的加強支護措施。

根據下水庫進/出水口布置及地質條件，進/出水口邊坡開挖設計原則為：洞臉1047m高程以下按垂直開挖，1047m高程以上按1:0.5坡比開挖，每20m設一級馬道，馬道寬2m，其中1069m高程為尾水檢修閘門井平臺，平臺寬28m，為永久邊坡，最大邊坡高約133m。參照《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》《水利水電工程邊坡設計規范》推薦的相應支護參數，初步選定了本工程的邊坡支護原則為：系統支護為錨噴支護，噴混凝土C20，厚10cm，安裝φ8@20×20cm鋼筋網，系統錨桿梅花形布置，短錨桿φ22，L=3m，長錨桿φ25，L=4.5m，間排距@1.5m×1.5m。

對初步選定的支護參數，分別進行了極限平衡法和三維有限元的驗算。極限平衡法計算出邊坡支護的安全系數大于2，滿足《水利水電工程邊坡設計規范》對邊坡設計安全系數的要求。利用三維有限元方法，對采取上述支護參數的邊坡穩定和施工力學參數問題進行了計算分析，擬定邊坡分期自上而下開挖[4]。在分期開挖、支護情況下邊坡圍巖應力、位移變化值見表2。

表2 分期開挖、支護下二期工程下水庫進/出水口邊坡最大主應力、位移Table 2 The maximum principal stress and displacement of the inlet/outlet slope of the lower reservoir under the second stage of excavation and support by stages

計算結果表明，初期支護措施均較好地發揮了作用，邊坡變形規律正常，下水庫二期進/出水口邊坡錨噴支護方案總體上是合理的。

3 支護設計參數的動態調整

隨著現場施工進展，實際開挖揭露的二期工程下水庫進/出水口尾水檢修平臺以下邊坡的地質條件發生了較大變化，二期工程下水庫進/出水口右側邊坡受沖溝影響，出現了高達15m的土坡；左側邊坡出現NW和NE兩組裂隙，走向與邊坡夾角較小，邊坡沿層面裂隙極易形成單面滑動失穩，或與斷層等結構面構成組合滑動體，邊坡產生局部不穩定塊體滑動破壞。針對以上地質條件，采取了針對性的邊坡加強支護措施，邊坡加強支護的設計原則為：基巖坡主要應解決順坡結構面的局部失穩，土坡主要解決沿基巖面與土坡面的滑動[5]。

（1）土質邊坡加強支護措施。二期工程下水庫進/出水口右側邊坡靠沖溝部位開挖揭示后為土質邊坡，目前采取的加強支護措施為：土坡上游側巖質邊坡采用貼坡支護；土坡范圍采用厚板混凝土+網格梁支護；土坡下游側巖質邊坡采用貼坡護坡。

（2）強風化邊坡加強支護措施。二期工程下水庫進/出水口左側邊坡在清坡過程中，揭示出NW295°NE∠60°和NE30°NW∠70°兩組優勢節理面，表層具有一定厚度的強風化帶，目前邊坡基本由強風化與弱風化巖體組成，邊坡開挖支護施工過程中曾發生塌方[6]。目前采用的加強支護措施為：直立邊坡以上邊坡增加錨筋樁并采用貼坡護坡；直立邊坡采用厚板加強支護，內設暗梁，節點采用預應力錨索。

4 邊坡穩定性復核計算

4.1 右側土質邊坡

該處邊坡初始設計為土質邊坡，由于開挖支護施工過程中發生塌方和坡體開裂現象重新調整了開挖線，并采取加強支護措施。目前邊坡基本由弱風化巖體組成，局部位置存在一定高度的土體，邊坡高度46m左右，主要支護措施包括自進式錨桿、錨筋樁和預應力錨索等。該邊坡主要剖面的地質情況和加強支護措施如圖1和圖2所示。

圖1 下水庫進/出水口右側土質邊坡A1-A1剖面Figure 1 Section A1-A1 of the soil slope on the right side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

圖2 下水庫進/出水口右側土質邊坡B1-B1剖面Figure 2 Section B1-B1 of the soil slope on the right side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

邊坡巖土體的計算參數按飽水情況下取值：土層容重19kN/m3，內摩擦角25°，黏聚力5kPa；弱風化層容重26.2kN/m3，內摩擦角43°，黏聚力1000kPa。邊坡采用主要加強支護措施為在1055m高程以上位置采用貼坡混凝土（部分區域采用網格梁+錨桿+預應力錨索），1055m高程以下采用厚板，暗梁節點處施工預應力錨索（1000kN，20m和37m兩種）和錨筋樁（3根直徑25mm，12m）搭配。邊坡支護措施的間距、長度和傾角均嚴格按圖紙執行，其計算參數為：錨桿直徑25mm自進式，作用可變，荷載范圍0～100kN；錨筋樁3根直徑25mm鋼筋，作用可變，荷載范圍0～350kN；預應力錨索1000kN級別，作用恒定，荷載值1000kN。

（1）不考慮水位驟降工況下的穩定性計算。補強支護后該邊坡的整體穩定性計算結果如圖3所示（由于該邊坡位置無順傾節理裂隙面不利作用，因此失穩模式設定為內部圓弧滑動失穩）。根據計算結果，邊坡采用目前的加強支護方式處理后，邊坡各剖面的整體安全系數均較高，具備足夠的安全儲備，無須進行額外的加固措施。

圖3 下水庫進/出水口右側土質邊坡穩定性計算結果（不考慮水位驟降）Figure 3 The stability calculation result of the soil slope on the right side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（without consider the sudden drop in water level）

（2）考慮水位驟降工況下的穩定性計算?？紤]水位由1061.00m驟降至1042.00m的不利情況，對2個代表性剖面計算結果如圖4所示。根據計算結果，邊坡加強支護后，水位驟降情況下邊坡各剖面的安全系數降低1.1～1.2，但是安全儲備依然足夠，無須 采取額外的補強支護措施。

圖4 下水庫進/出水口右側土質邊坡穩定性計算結果（考慮水位驟降）Figure 4 The stability calculation result of the soil slope on the right side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（consider the sudden drop in water level）

4.2 左側土質邊坡

該處邊坡為土質邊坡，邊坡由外向內由土層、強風化巖層和弱風化巖層三種材料組成，土層厚度約6～8m，采用的主要支護措施為系統錨噴支護。該邊坡主要剖面的地質情況和加強支護措施如圖5和圖6所示。

圖5 下水庫進/出水口左側土質邊坡A2-A2剖面Figure 5 Section A2-A2 of the soil slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

圖6 下水庫進/出水口左側土質邊坡B2-B2剖面Figure 6 Section B2-B2 of the soil slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

邊坡巖土體的計算參數按飽水情況下取值：土層容重19kN/m3，內摩擦角25°，黏聚力5kPa；強風化層容重21.5kN/m3，內摩擦角24°，黏聚力400kPa；弱風化層容重26.2kN/m3，內摩擦角43°，黏聚力1000kPa。為保障工程安全，內比附近的邊坡支護工程措施，增加布置間排距3m的混凝土網格梁，并在網格梁節點處設置由3根直徑25mm鋼筋構成的錨筋樁，長度12m，錨筋樁的計算參數為3根直徑25mm鋼筋，作用可變，荷載范圍0～350kN。

（1）不考慮水位驟降工況下的穩定性計算。加強支護之后該邊坡的整體穩定性計算結果如圖7所示。通過計算結果可以看出，當在已施工的系統錨噴工程基礎上（錨桿長度按6.5m考慮），增加布置間排距3m的12m錨筋樁后，邊坡代表性剖面在不考慮水位驟降條件下的穩定性計算結果均較高，具有很好的安全儲備。

圖7 下水庫進/出水口左側土質邊坡穩定性計算結果（不考慮水位驟降）Figure 7 The stability calculation result of the soil slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（without consider the sudden drop in water level）

（2）考慮水位驟降工況下的穩定性計算?？紤]水位由1061.00m驟降至1042.00m的不利情況，對2個代表性剖面，按照系統錨桿長度6.5m并增設錨筋樁加強支護的工程措施，穩定性分析結果如圖8所示。通過計算結果可以看出，當在已施工的系統錨噴工程基礎上（錨桿長度按6.5m考慮），增加布置間排距3m的12m錨筋樁后，邊坡代表性剖面在考慮水位驟降條件下的穩定性計算結果仍然較高，邊坡整體有足夠的安全儲備。

圖8 下水庫進/出水口左側土質邊坡穩定性計算結果（考慮水位驟降）Figure 8 The stability calculation result of the soil slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（consider the sudden drop in water level）

4.3 B2-B2剖面開挖線上方考慮水位驟降情況下的穩定性

下水庫進/出水口左側土質邊坡B2-B2剖面開挖坡頂高程為1052.74m，其上方為自然邊坡，在設計時對該位置未進行任何支護處理。由于處于水位升降帶范圍內，對于該自然邊坡需進行穩定性分析以保證安全。通過設定滑動面搜索范圍和半徑，對B2-B2剖面開挖坡頂上方的自然邊坡進行穩定性計算，如圖9（a）所示，其在水位驟降情況下安全系數為0.988，處于極限平衡狀態。為保證工程安全，建議對B2-B2剖面開挖坡頂上方的自然邊坡，按原設計的系統錨噴支護工程的間排距向上增設2排錨桿，其在水位驟降工況下的計算模型和穩定性分析結果如圖9（b）所示，其穩定性計算結果為1.334，基本滿足安全儲備要求，可以保障工程安全。

圖9 下水庫進/出水口左側土質邊坡B2-B2剖面上方自然邊坡穩定性分析結果Figure 9 The stability analysis result of the natural slope above the B2-B2 section of the soil slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

4.4 左側強風化層邊坡

該處邊坡根據地層揭露情況為巖質邊坡，表層具有一定厚度的強風化帶，開挖支護施工過程中B3-B3曾經發生塌方，因此重新調整了開挖線并采取加強支護措施，目前邊坡基本由強風化與弱風化巖體組成，邊坡高度44m左右，主要支護措施包括自進式錨桿、錨筋樁和預應力錨索等。該邊坡主要剖面的地質情況和加強支護措施如圖10和圖11所示。

圖10 下水庫進/出水口左側強風化層邊坡A3-A3Figure 10 Strongly weathered slope A3-A3 on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

圖11 下水庫進/出水口左側強風化層邊坡B3-B3Figure 11 Strongly weathered slope B3-B3 on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

邊坡巖土體的計算參數按飽水情況下取值：強風化層容重21.5kN/m3，內摩擦角24°，黏聚力400kPa；弱風化層容重26.2kN/m3，內摩擦角43°，黏聚力1000kPa，裂隙面內摩擦角21.8°，黏聚力10kPa。邊坡采用的主要支護措施為錨筋樁（3根直徑25mm，12m）和長錨桿（直徑32mm，9m）交替梅花形布置，對于曾經發生過垮塌的部位設置預應力錨索加強支護。邊坡支護措施的間距、長度和傾角均嚴格按圖紙執行，其計算參數為：錨桿直徑32mm自進式，作用可變，荷載范圍0～120kN；錨筋樁3根直徑25mm鋼筋，作用可變，荷載范圍0～350kN；預應力錨索1000kN級別，作用恒定，荷載值1000kN。

（1）不考慮水位驟降工況下的穩定性計算。根據對該位置的補強支護情況，針對該位置邊坡兩處代表性剖面穩定性計算結果如圖12所示（圖中一般考慮1049.00m平臺沿裂隙面傾角向下剪出、1069.00m平臺與1024m坡腳之間沿裂隙面傾角剪出兩種情況，如果兩條裂隙距離較大，額外考慮在預設裂隙中間剪出的情況）。根據計算結果，邊坡采用目前的加強支護方式處理后，邊坡整體安全系數均具備足夠的安全儲備，無須進行額外的加固措施。

圖12 下水庫進/出水口左側強風化層邊坡穩定性計算結果（不考慮水位驟降）Figure 12 The stability calculation results of the strong weathered layer slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（without consider the sudden drop in water level）

（2）考慮水位驟降工況下的穩定性計算。考慮水位由1061.00m驟降至1042.00m的不利情況，對兩個代表性剖面穩定性計算結果如圖13所示。根據計算結果，邊坡加強支護后，水位驟降情況下邊坡沿巖層裂隙節理面滑動的最不利方式均與不考慮水位驟降情況下一致，均為1069.00m平臺整體沿巖層節理面向下滑動，安全系數降低0.2～0.4，但是最小安全系數仍達1.5以上，安全儲備足夠。

圖13 下水庫進/出水口左側強風化層邊坡穩定性計算結果（考慮水位驟降）Figure 13 The stability calculation results of the strong weathered layer slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（consider the sudden drop in water level）

5 邊坡監測數據分析

根據現場揭露的地質情況和邊坡支護措施，二期工程下水庫進/出水口邊坡布置了6個監測剖面，布置了多點位移計、錨桿應力和錨索測力計等監測設備。

（1）邊坡位移監測。截止到目前觀測到的多點位移計最大累計變形值為86.71mm（M7-1-4，下水庫一期進/出水口右側邊坡1034m高程），本周觀測值較上周減少0.02mm。下水庫進/出水口其他多點位移計位移變化范圍為-0.36～1.31mm，變化量較小。

（2）錨桿應力監測。根據錨桿應力計觀測成果顯示：本周觀測到的錨桿應力計最大應力值為178.30MPa（測點Rm2-5，高程1044m）較上周減少1.58MPa。下水庫進/出水口其他錨桿應力計應力值變化量范圍-8.63～19.82MPa，變化量較小。

（3）錨固力監測。下水庫進/出水口邊坡其他部位測力計荷載值變化范圍為-8.27～14.77kN，荷載較為穩定。

6 結束語

（1）豐寧抽水蓄能電站下水庫進/出水口邊坡首先通過理論計算，在開挖前初步確定了邊坡的錨噴支護參數，在施工過程中，根據揭露的實際地質條件、監測資料、施工狀態及開挖跟蹤反分析和圍巖穩定分析結果，對下水庫邊坡嘗試了信息化支護設計[7]。通過綜合分析，對邊坡部分區域的支護參數進行了調整，較好地符合了本工程地質構造的特點，各實測點的圍巖變形均小于參考控制標準，邊坡穩定的各項指標正常，說明支護參數是科學合理的。

（2）豐寧抽水蓄能電站下水庫進/出水口邊坡在開挖過程中出現不同程度的塌方、掉塊等地質缺陷，為確保高邊坡施工期及運行期的本質安全，針對實際開挖揭示的地質條件，及時調整支護參數，采取了針對性的邊坡加強支護措施，并利用Geostudio和理正巖土軟件對加強支護后的高邊坡穩定性進行了計算分析，優化和完善了合理的邊坡支護參數[8]，在確保施工安全的前提下有效降低了建設成本，使工程安全經濟，其成果對工程應用及類似邊坡的防護措施有指導和借鑒意義。