垣曲抽水蓄能電站引水調(diào)壓井邊坡穩(wěn)定分析

房恩澤,張 騰

(中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司,長春 130021)

1 工程概況

垣曲抽水蓄能電站位于山西運城市垣曲縣境內(nèi),工程樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)及地下廠房和開關(guān)站等組成。垣曲抽水蓄能電站為Ⅰ等、大(1)型工程,主要水工建筑物為1級建筑物,次要建筑物為3級建筑物,輸水系統(tǒng)建筑物級別為1級[1]。

垣曲抽水蓄能電站裝機4×300 MW,額定水頭 457 m,上下水庫進/出水口水平距離約3 060 m,距高比為6.71。輸水系統(tǒng)布置在嶺溝和麻溝之間的山體內(nèi),總體走向由NW247°～NW194°～NW219°～NW236°。輸水系統(tǒng)(沿#1機)總長3467.53m。其中引水系統(tǒng)長2357.72m,尾水系統(tǒng)長1109.81m。

樞紐共布置兩套獨立的輸水系統(tǒng),每套輸水系統(tǒng)由引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)兩部分組成,引水、尾水系統(tǒng)均采用一洞兩機的布置形式。引水系統(tǒng)由上水庫進/出水口及上水庫事故閘門井、引水隧洞、引水調(diào)壓室、壓力管道、高壓引水岔管及高壓引水支管等建筑物構(gòu)成;尾水系統(tǒng)由尾水支管、尾水事故閘門室、尾水岔管、尾水隧洞、尾水調(diào)壓室、尾水檢修閘門井及下水庫進/出水口等建筑物組成。

抽水蓄能電站調(diào)壓室的作用,主要是滿足系統(tǒng)的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和電站的快速響應(yīng)功能。抽水蓄能電站在系統(tǒng)中主要承擔調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用等任務(wù)。電站跟蹤負荷能力強,事故響應(yīng)速度快,工況轉(zhuǎn)換頻繁。當電站運行工況、出力或入力發(fā)生變化時,會引起輸水管道內(nèi)的流量和機組轉(zhuǎn)速的變化。當流量和轉(zhuǎn)速變化頻繁或在短時間內(nèi)發(fā)生時,管道末端流速和壓力隨之急劇變化,在管道內(nèi)發(fā)生水擊現(xiàn)象。調(diào)壓室一方面防止水擊壓力傳入輸水隧洞,另一方面改善機組運行條件,前一種作用主要針對輸水系統(tǒng)發(fā)生的大波動過渡過程,后一種針對負荷小幅變化時輸水系統(tǒng)發(fā)生的小波動及水力干擾過渡過程。引水調(diào)壓井是垣曲抽水蓄能電站中重要的配套部位,其邊坡穩(wěn)定對工程建設(shè)、安全有重大影響。

2 邊坡地形地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

1號、2號引水調(diào)壓井均位于虎爬山南側(cè)山梁,地形坡度一般30°,梁頂寬度25～45m,其中1號引水調(diào)壓井地面高程970～1023m,2號引水調(diào)壓井地面高程850～1044m。

2.2 地層巖性

1)1號引水調(diào)壓井:覆蓋層厚度5～8m,基巖為云夢山組一段弱風化石英砂巖、長石砂巖等。NE向緩傾角層理發(fā)育,F30斷層距離調(diào)壓井最近約120m;主要發(fā)育NE、NW向陡傾角2組節(jié)理。地下水位埋深約150m;巖體多屬弱透水,局部屬中等透水。

2)2號引水調(diào)壓井:覆蓋層厚度3～6m,基巖為云夢山組一段弱風化石英砂巖、長石砂巖等。NE向緩傾角層理發(fā)育,F30斷層距離調(diào)壓井最近約160m;主要發(fā)育NE、NW向陡傾角2組節(jié)理。地下水位埋深約150m;巖體多屬弱透水,局部屬中等透水。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

砂巖層理發(fā)育,產(chǎn)狀:走向N30°～31°E,傾向SE,傾角27°～30°,局部33°～37°;F30斷層距離調(diào)壓井最近約160m;主要發(fā)育三組節(jié)理:

1)J1 :走向N30°E,傾向NW,傾角75°。

2)J2:走向 N40°E,傾向SE,傾角75°。

3)J3:走向N30°W,傾向NE,傾角75°。

2.4 抗震設(shè)防烈度

根據(jù)《山西省垣曲抽水蓄能電站工程場地地震安全性評價報告》,垣曲抽水蓄能電站工程場地50a超越概率10%的地震動峰值加速度為93gal,相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。

上水庫庫岸和下水庫兩岸壩肩邊坡工程抗震設(shè)防類別為甲類,設(shè)計地震加速度代表值取100a超越概率2%,相應(yīng)的地震動峰值加速度187gal,其他主要建筑物邊坡工程抗震設(shè)防類別為乙類,設(shè)計地震加速度代表值取50a超越概率5%,相應(yīng)的地震動峰值加速度120gal。

引水調(diào)壓室邊坡為永久性主要建筑物邊坡,邊坡工程抗震設(shè)防類別為乙類,設(shè)計地震加速度代表值取50年超越概率5%,相應(yīng)的地震動峰值加速度120gal。

3 邊坡穩(wěn)定計算

3.1 邊坡分析

調(diào)壓井邊坡為層狀斜向邊坡,屬中高邊坡,一般開挖高度20～30m,最大開挖坡高約42m,坡積碎石土、全風化層坡比為1∶1.5,強風化開挖坡比為1∶1,弱風化開挖坡比為1∶0.75。覆蓋層厚度5～8m,強風化層一般2～10m,下部為弱風化巖體,主要為互層狀結(jié)構(gòu)。

J1與洞臉邊坡大角度相交,且為陡傾角節(jié)理,對邊坡穩(wěn)定影響不大,J2與洞臉邊坡小角度相交,且傾向坡外,但J2為陡傾角節(jié)理,對邊坡整體穩(wěn)定影響不大,局部可能有少量不穩(wěn)定塊體,通過削坡與支護措施可保持穩(wěn)定。

該區(qū)域砂巖發(fā)育,層理走向與邊坡小角度相交,因此砂巖層理對邊坡穩(wěn)定不利,J1與邊坡小角度相交,但傾向山里,因此對邊坡穩(wěn)定無影響,J2與邊坡小角度相交,且傾向坡外,對邊坡穩(wěn)定不利,J3走向基本垂直于邊坡,且為陡傾角節(jié)理,對邊坡穩(wěn)定無影響,J2為陡傾角節(jié)理,因此其與砂巖組合將產(chǎn)生不穩(wěn)定滑塊,因此需對引水調(diào)壓井邊坡進行穩(wěn)定計算[2]。

3.2 計算方法

根據(jù)根據(jù)NB / T 10512-2021《水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,邊坡穩(wěn)定分析的基本方法應(yīng)采用極限平衡分析方法,并采用單一安全系數(shù)法進行評價。對于Ⅰ級、Ⅱ級的高邊坡、特高邊坡及超高邊坡,宜采取 2 種或 2種以上的計算分析方法。

垣曲抽水蓄能電站引水調(diào)壓井邊坡穩(wěn)定采用極限平衡分析方法,由于該邊坡為Ⅰ級,采用兩種方法計算,同時考慮該邊坡非常重要,因此采用極限平衡法的下限解法進行抗滑穩(wěn)定計算,分別采用摩根斯坦-普萊斯法及畢肖普法計算,邊坡抗震穩(wěn)定計算可采用擬靜力法,計算程序采用加拿大 GEO-SLOPE 公司 GeoStudio 系列軟件。

GeoStudio系列軟件是一套專業(yè)、高效而且功能強大的適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計算的仿真軟件,可供巖土、水利、地質(zhì)工程等專業(yè)從事工程設(shè)計和數(shù)值計算。SLOPE/W模塊是計算巖土邊坡安全系數(shù)的主流軟件。它能同時用8種方法分析計算簡單或復(fù)雜的邊坡穩(wěn)定問題,用于對簡單或者復(fù)雜滑移面的形狀改變,孔隙水壓力狀況,土體性質(zhì),不同加載方式等巖土工作問題進行分析。SLOPE/W 模塊使用極限平衡原理對不同土體類型、復(fù)雜地層和滑移面形狀邊坡的孔隙水壓力分布情況進行建模分析。

3.2 計算工況

根據(jù)NB / T 10512-2021《水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,并結(jié)合引水調(diào)壓井邊坡邊坡的特點,綜合考慮,計算選取3個相對不利工況進行穩(wěn)定復(fù)核計算:

1)工況1:正常運行工況(持久狀況)。

2)工況2:施工期+遇暴雨(短暫工況)。

3)工況3:正常運行工況+地震(偶然狀況)。

3.3 計算參數(shù)

穩(wěn)定分析采用的巖土體與結(jié)構(gòu)面物理力學參數(shù)見表1。

表1 邊坡巖體的物理力學參數(shù)表

3.4 邊坡穩(wěn)定計算

引水調(diào)壓井有2個,分別為#1引水調(diào)壓井,#2引水調(diào)壓井,挑選 2 個典型剖面,即最大坡高邊坡,坡高分別為42m,35m。采用 GeoStudio 軟件SLOPE/W 模塊進行分析計算,#1引水調(diào)壓井,#2引水調(diào)壓井地下水埋藏較深,在邊坡坡腳之下,因此持久狀況和偶然狀況不考慮地下水對邊坡的影響,僅在施工期考慮地下水對邊坡影響,施工期邊坡截排水措施未完全建立,存在排水不及時情況,邊坡遇暴雨時,邊坡受雨水影響,因此施工期遇暴雨工況應(yīng)考慮地下水對邊坡影響。

計算結(jié)果如表2顯示,#1引水調(diào)壓井、#2引水調(diào)壓井邊坡摩根斯坦-普萊斯法及畢肖普法方法均大于規(guī)范要求的安全系數(shù),#1引水調(diào)壓井、#2引水調(diào)壓井邊坡開挖邊坡整體穩(wěn)定,開挖坡比設(shè)計合理,滿足引水調(diào)壓井安全使用要求[3]。

表2 引水調(diào)壓井邊坡開挖穩(wěn)定分析成果表

分析計算結(jié)果,#1引水調(diào)壓井、#2引水調(diào)壓井邊坡在持久狀況下安全系數(shù)較高,施工期+遇暴雨(短暫工況),正常運行工況+地震(偶然狀況)兩種工況安全系數(shù)與之相比較低,這表明,暴雨及地震荷載對邊坡安全系數(shù)影響較大,因此應(yīng)做好邊坡截排水工程措施,并加強支護以保證邊坡安全。

根據(jù)樞紐區(qū)邊坡工程分析成果:地震作用(偶然設(shè)計工況)下樞紐區(qū)自然邊坡和開挖后工程邊坡的穩(wěn)定性均較好,能夠滿足規(guī)范設(shè)計要求。根據(jù)邊坡分析成果和認識,并參考國內(nèi)邊坡工程的抗震實踐經(jīng)驗,對樞紐區(qū)邊坡采取以下綜合工程措施:

1)坡面砂漿錨桿:考慮到邊坡開挖后將導(dǎo)致巖體的卸荷松弛和風化加劇,為提高坡面巖體的完整性,在開挖坡面布置系統(tǒng)或隨機砂漿錨桿,系統(tǒng)錨桿選用Φ25,L=4.5m和Φ28、L=6.0m,間距2×2m;隨機錨桿選用Φ25,L=6.0m和Φ28、L=9.0m;錨桿垂直坡面梅花形布置。必要時可采用自進式錨桿代替砂漿錨桿,系統(tǒng)錨桿與掛網(wǎng)鋼筋焊接成整體。

2)坡面防護:巖質(zhì)邊坡噴C25 混凝土厚15cm,局部考慮掛Φ8@20×20cm鋼筋網(wǎng)。土質(zhì)邊坡采用水土保持植物措施防護。

3)坡面排水:整個開挖坡面布置系統(tǒng)排水孔,分為淺排水孔和深排水孔兩種類型:淺排水孔孔徑φ65mm,間距4×4m,孔深5m;每級邊坡坡面靠近馬道處(馬道以上1.5m)設(shè)一排深排水孔φ90mm,間距4m,孔深10m,兩種排水孔均仰傾角5°～10°布置,排水孔視邊坡巖體質(zhì)量是否設(shè)濾管。在各級馬道設(shè)置排水溝,并設(shè)置跌水槽連接。

4 結(jié) 語

1)采用GeoStudio軟件進行邊坡穩(wěn)定計算,對垣曲抽水蓄能電站引水調(diào)壓室邊坡進行各個工況計算,計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求,開挖邊坡整體穩(wěn)定,開挖坡比設(shè)計合理。

2)地震荷載作用于邊坡時,可能會引起邊坡表面滑動,參考國內(nèi)邊坡工程的抗震實踐經(jīng)驗,引水調(diào)壓井邊坡采取坡面支護措施,以加強表面防護,保證坡面的穩(wěn)定。

3)垣曲地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,邊坡穩(wěn)定影響因素較多,根據(jù)計算結(jié)果顯示,暴雨等工況下,邊坡安全系數(shù)較低,邊坡穩(wěn)定分析中的水位降落工況,較為復(fù)雜,因此應(yīng)及時做好邊坡截排水措施,并注重邊坡表面水土流失防護,并及時監(jiān)測邊坡排水情況,這樣才能更全面地分析該地區(qū)邊坡穩(wěn)定情況。

4)邊坡穩(wěn)定計算參數(shù)對結(jié)果影響較大,施工階段宜通過現(xiàn)場試驗確定參數(shù)合理性,根據(jù)現(xiàn)場試驗參數(shù)成果調(diào)整前期開挖邊坡及支護形式。