向家坝水电站右岸开关站边坡稳定分析与加固设计

于磊 孙常玉

摘 要：向家坝水电站右岸开关站布置于110kV变电站与高程380混凝土生产系统Ⅱ区之间，上下边坡均为顺向到斜向倾外结构。根据地质揭露开关站下部地层中发育三个破碎夹泥层。为保证边坡不发生滑移变形，通过边坡稳定分析结果确定边坡支护参数，使边坡稳定达到工程设计要求。边坡支护设计经验可供类似工程参考。

关键词：水电工程；边坡稳定；支护设计；稳定性分析

向家坝水电站右岸开关站位于右岸马延坡中上部，布置于110kv变电站与380混凝土生产系统Ⅱ区之间，上距110kV变电站140～210m，下距380Ⅱ区坡顶开口线25～40m。场平高程509.5m，最大开挖边坡高度约30m。场区内地表分布残坡积物、崩坡积物，由砂质粘土夹碎石和块石组成，揭露厚度2.3～6.4m。下部的基岩地层主要为侏罗系自流井组（J1-2Z）底部的泥质岩石，西北角地基涉及三迭系上统的T34岩组，下伏地层为三迭系上统T33岩组。自流井组（J1-2Z）底部地层岩性为灰色、深灰色泥质粉砂岩夹泥岩和粉砂岩，有破碎夹泥层发育；T34以厚层中细砂岩、细砂岩为主，泥质类软弱岩石极少；T33为中细砂岩、粉细砂岩、粉砂岩夹泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩，含有7层煤，有民间采挖历史。岩层产状：50°～60°/SE∠15°左右。地基的J1-2Z岩体呈强至中等风化，T34呈中等至微风化，强风化深度3～5m，中等风化深度17～25m。

1 边坡稳定性分析

1.1 边坡等级、设计工况与设计标准

根据相关建筑物设计标准和边坡的重要性，按照DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》，右岸开关站边坡按1级边坡设计，地震基本烈度7度，参考国内外类似边坡工程治理的成功经验，确定边坡抗滑稳定安全系数标准如下：

（1）正常状况一：自重+正常地下水位水压力+坡面荷载稳定安全系数≥1.25

（2）非常状况一：自重+暴雨地下水位水压力+坡面荷载稳定安全系数≥1.15

（3）特殊状况一：自重+正常地下水位水压力（考虑排水效果）+坡面荷载+地震荷载稳定安全系数≥1.05

边坡稳定计算荷载：

（1）边坡岩土体自重；（2）坡面荷载：边坡范围内开关站等建筑物荷载；（3）地下水产生的荷载；（4）加固力；（5）地震荷载坝区地震基本烈度为7度，基岩地震加速度为0.10g；（6）施工爆破震动荷载。

1.2 稳定分析方法

针对开关站边坡岩（土）体结构特点，采用spencer法（PCSTABL5M程序）进行稳定性分析。

1.3 稳定分析与结果

1.3.1 典型剖面选取

根据开关站边坡的岩体结构类型及建筑物基础开挖形式，在该段边坡范围内沿边坡潜在主变形方向选取两个典型的计算剖面A-A剖面和B-B剖面（见图1～2）。

1.3.2 稳定计算与结果

（1）剖面A-A

a.A-A剖面开关站后坡局部稳定计算边界条件：前缘为坡顶，底滑动面为破碎夹（泥）层，剪出口为开关站后坡坡脚处，滑动面如图1中的①～②所示。

一期治理后A-A剖面开关站后坡局部稳定计算结果如下：

①正常状况一：计算结果1.556>1.25

②非常状况一：计算结果1.363>1.15

③特殊状况一：计算结果1.074>1.05

从计算结果可以看出：各工况安全系数均满足要求。

b.A-A剖面380Ⅱ区后坡局部稳定计算边界条件：前缘为开关站后坡坡脚处，底滑动面为破碎夹（泥）层，剪出口为380Ⅱ区后坡高程470～482m坡面，滑动面如图1中的②～③所示。

一期治理后A-A剖面380Ⅱ区后坡局部稳定计算结果如下：

①正常状况一：计算结果1.76>1.25

②非常状况一：计算结果1.554>1.15

③特殊状况一：计算结果1.211>1.05

从计算结果可以看出：该剖面各工况的安全系数都能达到设计标准。

c.A-A剖面沿破碎夹（泥）层的整体稳定计算边界条件：前缘为坡顶，底滑动面为破碎夹（泥）层，剪出口为380Ⅱ区后坡高程470～482m坡面，滑动面如图1中的①～③所示。

一期治理后A-A剖面整体稳定计算结果如下：

①正常状况一：计算结果1.465>1.25

②非常状况一：计算结果1.285>1.15

③特殊状况一：计算结果1.012<1.05

从计算结果可以看出：地震工况为控制工况，地震工况的安全系数不能满足设计标准，需进一步加固支护。

在增加1000kN/m支护力的情况下，重新计算该段边坡的安全系数，计算结果如下：

①正常状况一：计算结果1.553>1.25

②非常状况一：计算结果1.377>1.15

③特殊状况一：计算结果1.064>1.05

从计算结果可以看出：按单宽增加1000kN的支护力时，该剖面各工况的安全系数都能达到设计标准。

d.A-A剖面沿J1-2z与T34的接触面滑动的整体稳定计算边界条件：前缘为坡顶，底滑动面为夹层J1-2z与T34的接触面，剪出口为380Ⅱ区后坡高程450～470m坡面，滑动面如图1中的④～⑤所示。

一期治理后A-A剖面沿J1-2z与T34的接触面滑动的整体稳定计算结果如下。层面岩土体力学参数取低值（？准=220，C=0.1MPa）。

①正常状况一：计算结果2.682>1.25

②非常状况一：计算结果2.146>1.15

③特殊状况一：计算结果1.819>1.05

从计算结果可以看出：在层面岩土体力学参数取低值的情况下，各工况的安全系数均能满足设计标准。

（2）剖面B-B

a.B-B剖面沿破碎夹（泥）层整体滑动的稳定计算边界条件：前缘为110kV变电站外侧抗滑桩的外侧，底滑动面为破碎夹（泥）层，剪出口为380Ⅱ区后坡高程456～470m坡面，滑动面如图2中的①～②～③所示。

一期治理后B-B剖面沿破碎夹（泥）层整体滑动的计算结果如下：

①正常状况一：计算结果1.767>1.25

②非常状况一：计算结果1.508>1.15

③特殊状况一：计算结果1.124>1.05

从计算结果可以看出：该剖面各工况的安全系数都能达到设计标准。

b.B-B剖面沿J1-2z与T34的接触面的整体滑动的稳定计算边界条件：前缘为110kV变电站外侧抗滑桩的外侧，底滑动面为J1-2z与T34的接触面，剪出口为380Ⅱ区后坡高程456～470m坡面坡脚处，滑动面如图2中的④～⑤所示。

一期治理后B-B剖面沿J1-2z与T34的接触面滑动的整体稳定计算结果如下。层面岩土体力学参数取低值（？准=220，C=0.1MPa）。

①正常状况一：计算结果2.72>1.25

②非常状况一：计算结果2.29>1.15

③特殊状况一：计算结果1.857>1.05

从计算结果可以看出：在层面岩土体力学参数取低值的情况下，各工况的安全系数均能满足设计标准。

2 加固支护设计

2.1 一期支护

开关站后坡：开挖开口线外布置2排钢管桩，间排距1m，桩长7～18m。高程520m马道布置2排钢管桩，间排距1m，桩长18～30m。

380Ⅱ区后坡：

南侧段边坡（A剖面）：坡顶布设1排钢筋桩，间距2m，桩长15m；？荦493～501m马道布设1排钢筋桩，间距2m，桩长15m；？荦482m马道布设1排钢筋桩，间距2m，桩长15m；？荦470m马道布设1排钢筋桩，间距2m，桩长16m；？荦463m马道布设1排钢筋桩，间距2m，桩长10m。

北侧段边坡（B剖面）：坡顶布设1排钢筋桩，间距2m，桩长12m；？荦502m马道布设1排钢筋桩，间距2m，桩长22m；？荦482m马道布设1排钢筋桩，间距2m，桩长15m；？荦470m马道布设1排钢筋桩，间距2m，桩长25m。

2.2 二期支护设计

根据稳定分析结果，开关站边坡在一期支护的基础上增加了二期支护。

开关站后边坡：结合一期治理高程520m的2排钢管桩，在钢管桩中设置3？准32的钢筋束；共368束；在高程522m布置一排1500kN预应力锚索，间距5m，锚索长45m，共15束。

开关站下边坡：在高程470m、484m和489m各布置一排1500kN预应力锚索，间距5m，锚索长45m，共64束。

3 结束语

从上述开关站边坡的稳定分析成果及加固设计支护参数的确定可以得出如下结论：

（1）开关站边坡最危险的潜在滑动面受破碎夹（泥）层控制；沿J1-2z与T34的接触面的稳定性满足设计设计标准。

（2）地震工况是开关站边坡的控制工况

目前向家坝右岸地下电站已经完工并投入使用，四台机组已全部投产发电。右岸开关站边坡监测数据月变化量平稳，无异常，边坡处于相对平稳状态，未反映出边坡产生滑移变形的迹象。边坡支护设计经验可供类似工程参考。

作者简介：于磊（1983，9-），男，湖南省长沙市（籍贯），现职称：工程师，学历：本科，研究方向：水工结构设计。