团坡水电站坝址右岸边坡稳定性分析及支护处理

戴年粉

(中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵阳 550081)

1 工程概况

团坡水电站位于贵州省惠水县境内蒙江干流上游河段涟江梯级第三级，为引水式电站，以发电为主。枢纽建筑物由混凝土重力坝、坝顶自由溢洪道及左岸泄洪兼冲沙洞、右岸引水系统及地面厂房等组成。电站总装机容量80MW，坝址控制流域面积2010km2，坝址多年平均流量38.3m3/s，多年平均径流量12.1亿m3。工程于2005年5月开工建设，2009年3月投产发电。

2 右岸坝肩边坡地形地质特点

坝址河谷断面呈窄“U”形，灰岩峡谷地形，右岸边坡为陡壁，河床至坡顶高差约150m，自然边坡坡角约74°。根据交通洞揭露地质情况统计，坝址区河谷卸荷裂隙主要集中发育于850m高程以上的弱风化岩体内，水平发育宽度在5～15m，并有上宽下窄之规律，裂隙发育方向主要为顺河向或以小角度与河谷相交，多张开，充填灰岩碎石及少量黏土，局部形成危岩体。右坝肩边坡进行845m高程以下开挖时，0+60～0+70桩号845～865m高程段发生局部坍塌，坍塌方量约350m3。右坝肩地层为三叠系下统马平群(C3mp)浅灰色厚层块状灰岩。坝肩一组卸荷裂隙发育，长10～30m，宽0.5～2cm，坡顶局部张开3～5cm，间距0.3～5m不等，裂隙连通率为60% ～85%，右坝肩卸荷带厚度在5～15m。坍塌后局部形成悬空，悬空区往山体内亦可见多条裂隙发育。坝肩卸荷岩体对下方建筑物安全影响较大，需进行处理。

根据揭示的地质情况，考虑清除强卸荷区岩体，对弱卸荷区岩体加强锚固处理，确保锚固段进入非卸荷区，并按以下参数复核边坡稳定性。

裂隙 (泥夹岩屑型):f'=0.30，c'=0.005MPa，强卸荷区裂隙连通率85%，弱卸荷区裂隙连通率65%。卸荷区岩体:γ=26.8kN/m3，f'=0.6，c'=0.32MPa。

3 边坡稳定分析

3.1 计算方法

计算采用刚体极限平衡法和能量法 (岩质边坡稳定程序)。

该工程大坝为三等工程3级建筑物，大坝边坡按2级边坡设计。根据规范，水工建筑物边坡最小抗滑稳定安全系数如下:

a.1级边坡基本组合时为1.3～1.25，特殊组合时为1.2～1.15。

b.2级边坡基本组合时为1.25～1.15，特殊组合时为1.15～1.05。

c.3级边坡基本组合时为1.15～1.05，特殊组合时为1.1～1.05。

3.2 边坡处理范围

大坝右坝肩受卸荷裂隙影响，边坡处理范围为:坝纵0+039.00～坝纵0+067.314，高程在780～930m之间。

3.3 分析方法

边坡的稳定分析主要有以下方法:

a.定性分析评价。根据地形、地质条件及工程状况，对边坡稳定作定性分析评价。

b.图解分析。对于岩质边坡，根据坡面形态、岩质、结构面、裂隙面等几何参数、物理力学参数，以图解 (如赤平投影图)进行分析。

c.工程类比法。主要用于边坡开挖坡度的分析。

d.数值计算分析。根据坡体及边界的几何参数、物理力学参数，采用刚体极限平衡法或能量法对边坡进行数值计算分析，以安全系数值对边坡稳定作定量分析评价。

刚体极限平衡计算假定和方法众多，本文采用的计算方法为单一滑面的滑坡稳定分析方法。安全系数K的计算公式为

能量法的原理是:将某一边坡的塑性区离散为一系列具有倾斜界面的条块，如图1所示。每一条块都视为刚体，其变形速率为V，与该楔体底线夹角为φe，该楔体与右边相邻块体的相对速度为Vj，此相对速度与该两块体交界面的夹角为φej。内能耗散发生于该条块的底面和条块间的界面，在条块内为零。若滑坡体被分成n个条块，则有n－1个界面。功能平衡表达式如下:

上式左边的第一和第二项分别为沿条间界面底滑面的内能耗散，下标e表示相应的强度参数，其中隐含了安全系数。第k个界面右边条块的速度都可以表示成第一个条块的速度V1的函数:

其中

式中上标l和r代表界面左和右的物理量，j代表界面上的物理量。θl、θr和θj分别代表左边条块、右边条块和条块界面速度与x轴的夹角，均定义为从x正方向开始反时针旋转为正，计算从第一个界面开始，到分割第k和第k+1个块体的界面终止。第k个界面右边条块的速度可以表示成第一个条块的速度V1的函数:

其中

图1 能量法计算简图

滑裂面上的内能耗散由下式确定:

可得计算安全系数的计算公式如下:

上式中仅包含一个未知量，即隐含于ce和tanφe中的安全系数，可通过迭代求解。

上述各种方法在边坡 (滑坡)稳定分析中，不是单一的采用和简单的分析评价，往往是同时采用多种方法来综合分析评价边坡的稳定性。

3.4 稳定计算

3.4.1 物理力学参数

物理力学参数建议值见表1。

表1 物理力学参数建议值

3.4.2 边坡稳定分析剖面

边坡稳定分析剖面见图2。

边坡稳定分析采用刚体平衡法和能量法 (中国水利水电科学研究院编制的岩质边坡稳定分析程序EMU)两种方法进行计算。

3.4.3 荷载组合

由于该工程坝址位置地下水位在780m高程以下，并且整个边坡的计算考虑排水孔的排水措施，故边坡的计算仅考虑岩体自重情况下的稳定。

3.4.4 计算工况

a.采用刚体极限平衡法计算时 (采用原大坝开挖边界线)，考虑以下三种工况:

工况1:1号、2号块体作为整体的稳定情况;

图2 坝纵0+039、0+054及0+061剖面开挖及支护

工况2:挖除1号块体，2号块体的稳定情况;

工况3:1号块体的稳定情况。

b.采用EMU能量法计算时考虑以下两种工况:

工况1:挖除1号块体的情况，但采用原大坝开挖边界线;

工况2:挖除1号块体的情况，采用调整后的开挖边界线。

分别计算坝纵0+039.00、坝纵0+054.00和坝纵0+061.00三个剖面，采用刚体极限平衡法计算的上述3种工况下的安全系数，见表2。

表2 刚体极限平衡法计算边坡安全系数平均值

利用能量法 (岩质边坡稳定分析程序EMU)计算所得的三个剖面两种开挖方案的安全系数见表3。

表3 EMU程序计算第2种工况安全系数平均值

根据边坡稳定计算的结果可以看出:

a.采用刚体极限平衡法计算时:a根据表2，工况3即强卸荷区稳定性很差，不能满足要求;b根据表2，工况1即强卸荷区不挖除的情况，稳定性差，不能满足要求;c根据表2，工况2即挖除强卸荷区的情况，稳定性比其他工况有所提高，但也不能满足要求。

上述计算表明:强卸荷区已处于不稳定状态，稳定性较差;经比较应全部清除;边坡在下部切角的情况下，即使挖除上部强卸荷区，稳定性仍然较差，需采取工程加固措施。

b.采用EMU能量法计算时:a对于原开挖方案，边坡在下部切角的情况下，即使挖除上部强卸荷区，稳定性仍然较差，需采取工程加固措施;结果与采用刚体极限平衡法计算时工况2相当;b下部边坡调整开挖方案后，稳定能满足要求。

4 处理措施

右岸边坡上部多挖不锚。下部支护方式措施如下:

a.790～820m高程之间，增设长锚杆，布置L=9m、3.5m×3.5m锚杆。

b.其余部位按原设计挂网喷锚支护方案不变，取消排水孔布置。

c.强卸荷区开挖后不进行挂网喷锚支护，但考虑爆破影响，结合工程具体情况，应增设随机锚杆和局部喷混凝土支护。

通过此次对大坝开挖边界的调整，虽然825m高程以上的边坡开挖量增加了1.2万m3，但是在825～772m高程的边坡开挖量却减少了1.4万m3，且取消了825m高程以上的边坡支护工程量 (锚杆量、挂网钢筋量、喷混凝土量及排水孔)，只增设随机锚杆，减小了施工难度。

5 结 语

该工程已投产运行4年，根据运管单位对边坡的观测，截至目前未发现边坡有异常情况，边坡变形已趋于稳定，因此该工程边坡处理方案是合理的。