两河口水电站开关站边坡稳定特性及深层支护措施研究

吕文龙，廖成刚，侯东奇，杨　英

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都　610072)



两河口水电站开关站边坡稳定特性及深层支护措施研究

吕文龙，廖成刚，侯东奇，杨英

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都610072)

开关站边坡是两河口水电站重要的工程边坡，边坡节理、裂隙发育，存在断层等软弱结构面，岩体卸荷深度较大，地质条件复杂。基于极限平衡理论，采用SLIDE边坡计算软件，对两河口开关站边坡稳定特性及深层支护措施进行研究，为实际工程的设计和施工提供依据。

开关站边坡；极限平衡理论；SLIDE；稳定分析；深层支护措施

0　前　　言

两河口水电站位于雅砻江干流与支流鲜水河的汇合口下游约2 km河段，是雅砻江中下游流域的控制性水库电站工程。电站采用坝式开发，坝高295 m，水库正常蓄水位2 865 m，电站装机容量3 000 MW，多年平均年发电量110亿kW·h。地面开关站位于右岸进水口和右坝肩之间的高程2 875 m平台，边坡最大开挖高度约160 m，地质条件复杂，稳定问题突出[1]。结合两河口水电站地质资料，采用加拿大 RocScience 公司开发的SLIDE边坡计算软件，选取典型剖面，建立开关站边坡的计算模型，研究边坡的稳定特性；对比分析不同深层支护措施下边坡的稳定安全系数，选取合适的支护措施，指导工程设计和施工。

1　边坡工程地质概况

地面开关站布置于右岸高程2 875.00 m平台上，位于右坝顶平台上游侧、进水口边坡下游侧。边坡设计开挖纵向长度约173 m，最大开挖高度约160 m，每25 m高度布置一层宽度3 m的马道，其中高程2 875～2 900 m、2 900～2 925 m设计开挖坡比为1∶0.5，高程2 925 m马道以上设计开挖坡比为1∶0.75[2]。

开关站边坡总体走向为S10°W，地形坡度45°～50°；基岩大多裸露，出露三叠系下统两河口组中段T3lh2(2)-①、T3lh2(2)-②、T3lh2(3)地层，岩性为变质粉砂岩、粉砂质板岩，岩层产状为N60°～75°W/SW∠60°～75°，与河流近正交。地质构造以发育一套层面裂隙为主的节理裂隙系统，小断层以顺层挤压带为主，多为Ⅳ级结构面，f18-5、f16-3等NNW向顺坡中缓倾角小断层局部发育；浅表部裂隙极为发育，构成局部的顺坡板裂状结构；无强风化带发育，弱上风化岩体水平深度15～25 m，弱下风化岩体水平深度15～85 m。岩体卸荷主要沿已有构造结构面继承式进行，强卸荷带水平深度一般达25～42 m，弱卸荷水平深度一般为25～99 m。开关站边坡平面布置见图1，典型地质剖面见图2。

2　计算模型

2.1计算方法及原理

SLIDE软件使用垂直条块极限平衡分析方法来分析滑动面的稳定性，可分析指定滑面，也可使用自动搜索方法来搜寻给定边坡的临界滑动面，该软件集成了 Bishop、Spencer 和其他一些方法，在岩土工程领域应用广泛[3]。

边坡稳定分析的极限平衡方法是土力学中的一个经典领域，该方法以M-C抗剪强度理论为基础，将滑坡体划分成若干垂直条块，建立作用在垂直条块上的力的平衡方程式，求解安全系数[4]。该方法采用摩尔库仑屈服准则，安全系数的定义为沿滑动面的抗剪强度与滑动面上实际剪力的比值，安全系数K用公式表示如下：

图1　开关站边坡平面布置示意

图2　开关站边坡典型地质剖面示意

2.2模型概化及边界条件

对开关站边坡选取A-A、B-B、C-C、D-D、E-E 5个典型剖面，分别建立模型进行计算。计算模型高程范围为2 750～3 150 m，按岩体质量确定介质类别，将Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ1、Ⅴ1类岩体、断层建立实体模型，未考虑构造应力。模型底部(Z=2 750 m)设为固定约束边界，两边侧向设为单向边界，山坡表面为自由表面。开关站边坡典型剖面计算模型见图3。

图3　开关站边坡典型剖面计算模型

根据两河口水电站地质资料，对岩体参数进行敏感性分析与反演，确定计算模型的岩体及结构面力学参数，具体见表1。

表1　开关站边坡岩体及结构面力学参数

2.3计算工况及安全标准

计算主要考虑天然工况、暴雨工况和地震工况等三种不同工况下的边坡稳定安全系数。暴雨工况按0.1倍的孔压系数考虑；两河口水电站地震基本烈度为Ⅶ度，地震工况地震水平峰值加速度取137.2gal。

开关站边坡属1级工程边坡，根据SL386-2007《水利水电工程边坡设计规范》规定[5]，采用极限平衡方法计算的边坡抗滑稳定安全系数标准见表2。

表2　开关站边坡抗滑稳定安全系数标准

3　边坡破坏模式分析

开关站边坡主要以Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅴ1类岩体为主，局部有f4、f12、f16-3、f18-5等几条断层穿过。由于开关站边坡的设计开挖坡比大于岩体的稳定坡比及受断层的影响，边坡主要的滑移破坏模式有两种：一种是沿Ⅴ1岩体内危险滑面发生的滑动破坏;另一种是以断层等软弱结构面为底滑面的楔形滑移拉裂[6]。5个典型剖面中，除C-C剖面无断层底滑面外，其余4个典型剖面均存在以断层为底滑面发生滑动破坏的可能。

开关站边坡各典型剖面在天然工况下两种滑移破坏模式边坡稳定安全系数见表3,E-E剖面两种滑移破坏模式下稳定计算简图见图4、5。

表3　各典型剖面天然工况下两种滑移破坏模式边坡稳定安全系数

从开关站边坡4个典型剖面天然工况下两种滑移破坏模式的稳定安全系数对比分析可以看出，以断层为底滑面的滑动破坏模式稳定安全系数均大于沿Ⅴ1类岩体内危险滑面滑动破坏模式的稳定安全系数，以第一种滑动破坏模式作为边坡稳定设计的控制失稳模式比较合理。

图4E-E剖面滑动破坏模式一稳定计算简图图5E-E剖面滑动破坏模式二稳定计算简图

4　边坡深层支护措施研究

4.1深层支护措施对比分析

前面的计算结果表明，开关站边坡在未采取支护措施的情况下，5个典型剖面天然工况下的边坡稳定安全系数均不满足规范要求。计算以B-B剖面为例，对开关站边坡的深层支护措施进行对比分析，计算结果见表4。

开关站边坡在天然工况下B-B剖面深层支护措施对比分析的结果表明：锚索锚固角对边坡的稳定安全系数影响较小，锚固角越大，施工难度越大；锚索设计长度达到一定值时，边坡的稳定安全系数基本不变，设计时保证锚索伸入Ⅳ类岩体10～15 m的情况下即可满足支护要求；锚索布置的间排距和设计吨位对边坡的稳定安全系数影响较大，应在保证安全的前提下考虑经济性和可行性。

表4　天然工况下B-B剖面不同支护措施边坡稳定安全系数对比分析

综合边坡深层支护措施对比分析的结果，选取开关站边坡的深层支护措施：高程2 925 m马道以下边坡选用锚索设计吨位200 t，长30 m，锚固角-15°，间排距5 m×5 m布置；高程2 925～2 975 m边坡选用锚索200 t，长40 m，锚固角-15°，间排距5 m×5 m布置；高程2 975 m以上边坡选用锚索200 t，长50 m，锚固角-15°，间排距4 m×4 m布置。

4.2稳定计算

根据选取的深层支护措施，对开关站边坡支护前后分别进行稳定计算，计算成果见表5，典型剖面B-B支护后三种工况下稳定计算简图见图6～8。

表5　开关站边坡支护前后稳定安全系数

开关站边坡支护前后分别进行稳定计算结果表明：开关站边坡支护前，边坡稳定安全系数不满足规范要求，考虑选取的深层支护措施后，边坡稳定安全系数满足规范要求，验证了深层支护措施的合理性。

5　结　论

(1)开关站边坡破坏模式分析结果表明：以断层为底滑面的滑动破坏模式稳定安全系数均大于沿Ⅴ1类岩体内危险滑面滑动破坏模式的稳定安全系数，以沿Ⅴ1类岩体内危险滑面滑动的破坏模式作为边坡稳定设计的控制失稳模式较为合理；

(2)根据开关站边坡深层支护措施对比分析结果，选取开关站边坡的深层支护措施：高程2 925 m马道以下边坡选用锚索设计吨位200 t，长30 m，锚固角-15°，间排距5 m×5 m布置；高程2 925～ 2 975 m边坡选用锚索200 t，长40 m，锚固角-15°，间排距5 m×5 m布置；高程2 975 m以上边坡选用锚索200 t，长50 m，锚固角-15°，间排距4 m×4 m布置；

(3)通过对开关站边坡支护前后稳定计算分析，开关站边坡支护前，边坡稳定安全系数不满足规范要求；考虑选取的深层支护措施后，边坡稳定安全系数满足规范要求，验证了深层支护措施的合理性。

[1]黄润秋.中国西南岩石高边坡的主要特征及其演化[J]. 地球科学进展, 2005,20(3):292-297.

图6B-B剖面天然工况稳定计算简图图7B-B剖面暴雨工况稳定计算简图图8 B-B剖面地震工况稳定计算简图

[2]中国电建集团成都勘测设计研究院.四川省雅砻江两河口水电站可行性研究报告[R].成都:2013(1).

[3]朱泽勋,吴 莉.基于SLIDE的某尾矿库边坡稳定性分析[J].采矿技术, 2011,11(6):49-50,128.

[4]宋胜武,冯学敏,向柏宇,邢万波,曾勇.西南水电高陡岩石边坡工程关键技术研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(1):1-21.

[5]SL386-2007《水利水电工程边坡设计规范》[S].中国水利水电出版社:2007.

[6]祝怀田,沈军辉,李泽泽等.两河口水电站引水进口边坡变形稳定性分析[J]. 地质灾害与环境保护, 2008,19(4):96-100.

2015-10-15

吕文龙(1987-)，男,河南杞县人,工程师，从事水工结构及岩土工程等方面的设计研究工作。

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1003-9805(2016)03-0024-05