深圳抽水蓄能电站上游调压井高边坡优化探讨

陈坤城,钟德培,宋春华

(广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510635)



深圳抽水蓄能电站上游调压井高边坡优化探讨

陈坤城,钟德培,宋春华

(广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510635)

针对原边坡设计方案存在的不足,结合边坡钻孔地质资料,通过对边坡进行稳定性分析计算,得出了优化后的边坡设计方案,实践结果表明,优化后的方案在环境保护、施工难度及工程投资等方面都优于原设计方案,该设计成果对其他类似工程的边坡设计具有一定的参考价值。

边坡；稳定；优化

抽水蓄能电站上游调压井设置在水电站厂房上游压力水道上,其自由水面可反射水击波,起到限制水击波进入压力引水道,以满足机组调节保证的技术要求,同时可改善机组在负荷变化时的运行条件及供电质量,是引水系统工程的永久性主要建筑物,由于调压井水面与进厂房机组压力水道是连通的,因此，上游调压井边坡的稳定安全直接关系压力水道及厂房机组的安全。深圳抽水蓄能电站上游调压井原方案布置在引水隧洞洞线北侧,边坡开挖高度高、征地范围大,对植被的破坏范围广,有必要从环境保护及永久征地的角度出发,优化边坡设计,减少工程投资。

1 工程简介[1]

深圳抽水蓄能电站上游调压井位于大顶～鹅公髻分水岭北东侧的山坡上,地形较完整,植被茂盛。未发现滑坡、崩塌等不良地质现象,在自然条件下山坡山体稳定性好。上游调压井边坡包括井口以上四周开挖边坡,属A类Ⅰ级边坡。

据钻孔资料显示,岩性主要为燕山三期中粗粒黑云母花岗岩,局部穿插细粒花岗岩脉,在花岗岩中,常见有长英质角岩捕掳体。地表大部分为第四系坡积层、全风化带所覆盖,其下强风化带为强透水层,弱风化带中下部、微风化带岩石为相对隔水层,岩石透水性较低,上游调压井处未发现较大规模的断层。

2 上游调压井高边坡设计

2.1 优化前边坡设计方案及存在的不足

优化前设计边坡强风化层岩体开挖边坡采用1∶0.8,全风化土边坡采用1∶1.2。边坡最大高度约40.0 m,设3级宽2 m的马道,两级马道高差为10.0 m。岩石边坡采用护坡混凝土与系统锚杆相结合的支护形式加固,土质边坡采用厚250 mm护坡混凝土和系统土钉锚杆的支护形式加固。同时为防止坡面被雨水冲刷,在边坡顶部一定距离设有截水沟,三级马道内侧均设有排水沟,优化前边坡设计方案平面布置见图1。经过高边坡抗滑稳定安全性分析计算,优化前边坡设计方案存在以下不足：

图1 优化前上游调压井边坡平面布置示意

1) 从施工难度角度考虑,优化前边坡地质钻孔表明坡积层及全风化土层覆盖厚,即使强风化层岩体开挖边坡采用1∶0.8,全风化土边坡采用1∶1.2,在无支护条件下边坡仍无法自稳。为确保设计边坡的稳定性,需施加很大的锚固力,但随之带来锚固工程量巨大、锚固施工难、锚固工期长等诸多问题。

2) 从环境保护、水土保持和征地角度考虑,优化前边坡设计方案由于开挖面积较大,造成原有山体植被严重破坏、水土流失范围及永久征用占用林地面积过大等问题。

3) 从工程投资角度,施工难度的加大,工期的增长,环保、水保措施加强,永久征地范围广等原因,将直接加大边坡工程的投资。

因此,考虑到以上存在的不足,结合现有调压井边坡的地形地质条件,有必要进一步对原有边坡设计方案进行优化。

2.2 高边坡优化基本思路及优化后边坡设计方案

针对以上不足,探讨高边坡优化的可能性,提出以下基本思路：

1) 以工程场区的实际地形条件为出发点,考虑通过调整边坡位置来降低边坡开挖高度的可能性。

2) 在位置可调的前提下,考虑通过补充地质钻孔来查明调整后边坡的地层分界线,进一步定位确定边坡调整后的准确位置。

3) 再通过选取控制断面进行建模计算,从得出的计算结果，分析进一步优化边坡开挖坡比的可能性。

遵循以上边坡优化的基本思路,结合深蓄上游调压井上室边坡的地质地形条件对上室边坡进一步优化设计：

①根据工程场区实际地形条件,将上游调压井沿引水隧洞中心线对称布置,从而降低调压井边坡的开挖高度；

②通过补充5个地质钻孔,分析钻孔柱状图,查明了调压井及边坡优化后位置的地质情况,地层分界线揭示调压井继续向上游微调一定距离,坡积层及全风化层变薄,强风化层变浅,有利于边坡稳定；

③在拟定的新位置基础上,通过边坡稳定计算进一步优化开挖坡比,将强风化层岩体开挖边坡及全风化土开挖边坡优化为1∶0.75,进一步降低边坡的开挖高度。

优化后边坡设计方案的平面布置见图2。

3 上游调压井边坡稳定计算

3.1 计算断面的选取

综合考虑边坡高度、风化深度、开挖后边坡布置等因素,取最高边坡作为控制断面计算上游调压井上室开挖的边坡稳定。图3为优化前边坡稳定计算控制断面,图4为优化后边坡稳定计算控制断面图。

图2 优化后上游调压井边坡平面布置示意

图3 优化前边坡稳定计算控制断面示意(单位：高程 m，尺寸 mm)

图4 优化后边坡稳定计算控制断面示意(单位：高程 m，尺寸 mm)

3.2 计算参数

上游调压井上室边坡计算采用的各岩、土层的物理力学参数见表2、表3。

表2 上游调压井上室边坡各岩、土层的物理力学参数(计算采用总应力法)

表3 上游调压井上室边坡各岩、土层的物理力学参数表(计算采用有效应力法)

3.3 计算工况及计算成果

根据《水电水利工程边坡设计规范》DL/T 5353—2006,上游调压井上室边坡属A类Ⅰ级边坡,边坡设计安全系数拟取上限值。边坡荷载主要包括岩土体自重、地下水作用、加固力。工程场地的地震基本烈度为7°,需考虑地震工况。计算工况、荷载组合及计算结果见表4和表5。偶然状况下边坡稳定计算成果图,见图5和图6。

表4 优化前边坡稳定计算工况及成果

表5 优化后边坡稳定计算工况及成果

图5 优化前偶然状况边坡稳定计算成果示意

图6 优化后偶然状况边坡稳定计算成果示意

表4中的边坡稳定安全系数计算值为考虑加固力后的计算结果,其中第一级边坡施加80 kPa的均布荷载、第二级边坡施加200～100 kPa的梯形均布荷载、第三级边坡施加150～60 kPa的梯形均布荷载、第四级边坡施加20 kPa的均布荷载,计算安全系数满足要求。荷载换算后优化前边坡方案的锚杆支护参数见图3。

表5中的边坡稳定安全系数计算值也为考虑加固力后的计算结果,其中第一级和第二级边坡均施加60 kPa的均布荷载,计算安全系数满足要求。荷载换算后优化后边坡方案的锚杆支护参数见图4。

3.4 优化前后工程投资比较

表6为优化前、后边坡设计方案工程量及投资比较,从表6可知优化后边坡设计方案节省工程投资236.59万元。

表6 工程量及投资比较

4 结语

本文结合深圳抽水蓄能电站上游调压井上室边坡的设计实践,探讨了高边坡优化设计的基本思路,并将其应用于深蓄上游调压井上室边坡的优化设计中。结果表明,优化后的边坡技术可行、安全稳定、经济合理,直接节省工程投资236.59万元,对同类高边坡的优化设计有一定的借鉴意义。

[1] 广东省水利电力勘测设计研究院.广东省深圳抽水蓄能电站可行性研究报告[R].广州：广东省水利电力勘测设计研究院,2009．

(本文责任编辑 王瑞兰)

Optimization of the Headrace Surge Chamber High Slope in Shenzhen Pumped Storage Power Station

CHEN Kuncheng, ZHONG Depei, SONG Chunhua

(Guangdong Hydropower Planning and Design Institute, Guangzhou 510635, Guangdong)

Aiming at the existent insufficiency of original design scheme, combined with geological borehole data, through the stability analysis of slope, the optimized design scheme has been reached. The result shows that the optimized design scheme is superior to the original design scheme in the environment protection, the difficulty of construction and the investment of project. The design results have certain reference value for slope design to other similar projects.

slope；stability；optimization

2016-03-08;

2016-03-24

陈坤城(1984)，男，硕士，工程师，主要从事水工结构设计工作。

TU457；TV743

B

1008-0112(2016)02-0022-04