安徽金寨抽水蓄能电站开关站边坡稳定计算与支护设计

孙胜利

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

安徽金寨抽水蓄能电站装机容量1 200 MW，电站枢纽由上水库、下水库、输水系统、地下厂房等建筑物组成，为一等大（1）型工程。上水库大坝、输水系统、地下厂房、开关站、进厂交通洞、下水库大坝及泄洪设施等主要建筑物按1级建筑物设计。开关站边坡为A类枢纽区Ⅰ级边坡。工程区基岩50年超越概率10%的地震动峰值加速度为117 gal，相应地震基本烈度为Ⅶ度。

开关站布置在下库进/出水口下游约400 m处左岸山坡，轴线方向为N46°E，地面高程为265 m，场地尺寸为171 m×35 m（长×宽），布置有GIS室、继保楼及地面出线场。

2 地质条件

站址区地形为沟梁相间地貌，地面高程270～330 m，山脊地形较缓，坡度约10°～15°，两侧山坡较陡，坡度约25°～40°。中间发育宽缓冲沟，长年流水，沟源高程约490 m。冲沟下游段坡度较陡，沟底多为坡洪积漂石夹块石，局部较平缓地带为人工梯田，覆盖层多松散，地形地貌见图1。

地面地质测绘未发现滑坡、泥石流、崩塌等不良物理地质现象，自然边坡基本稳定。

图1开关站地形地貌（曲线区域内为开关站边坡开挖范围）Fig.1 Switchyard topography(region within curve is the excavation range of switchyard slope）

山坡覆盖层普遍发育，为坡积碎石土，层厚1.0～3.5 m，基岩为蚌埠期侵入的角闪岩。

根据钻孔揭示，站址角闪岩风化较为强烈，地表岩石多为全～强风化，全风化层最深达21.80 m。强风化岩层厚1.40～8.74 m，最深达31.10 m。弱风化下限埋深一般25.24～27.64 m，弱风化岩石质量指标RQD为62%～80%，属完整性差～较完整岩体。地下水位埋深一般为1.20～12.10 m，相应高程为254.99～311.40 m。

建议边坡开挖坡比：覆盖层和全风化层1∶1.5～1∶1.75、强风化层1∶1.0～1∶0.75、弱风化层1∶0.75～1∶0.5。每坡高10～15 m设置一级马道，坡顶及两侧设截（排）水沟，坡面采取系统支护措施。

边坡地质平面和主要剖面见图2和图3（地质剖面以5-5为例）。

图2 开关站地质平面图Fig.2 Geology plan of switchyard

图3 5-5地质剖面图Fig.3 Geology profile 5-5

3 边坡稳定计算分析

3.1 计算软件简介

Slide软件是一款基于极限平衡分析方法的二维土质或岩质边坡稳定性分析程序，滑面可以是圆弧或者非圆弧形式，可以简单快速地分析复杂的模型，模拟多种外部荷载、地下水和支护形式。程序计算方法基于竖直条分法极限平衡分析（例如Bishop、Janbu、Spencer等），对给定边坡可指定已知滑面或者自动搜索滑面。

SLOPE/W与Slide软件比较相似，可以分析用户遇到的几乎所有边坡稳定性问题，极限平衡分析方法有Morgenstern-Price、GLE、Spencer、Bishop、Ordinary、Janbu、Sarma等。

3.2 地质参数

各岩土层地质参数见表1。

3.3 设计工况和设计安全系数

根据DL/T 5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》第7.2.6条，开关站边坡设计工况分为持久、短暂和偶然三种工况。根据第5.0.4条，开关站边坡设计安全系数取值如下：持久状况为1.30（正常运用工况）、短暂状况为1.20（含运行期暴雨或久雨等工况）、偶然状况为1.10（地震工况）。

3.4 计算方法

根据《水电水利工程边坡设计规范》第7.4.4条：对于岩质、土质滑坡体，当滑面近似圆弧形时，推荐采用简化毕肖普法，也可采用詹布法。

故采用Slide和SLOPE/W软件自带的简化毕肖普法（Bishop Simplified）和简化詹布法（Janbu Simplified）两种方法进行计算。

3.5 初始设计

3.5.1 设计坡比

招标阶段开关站边坡设计坡比为：西南侧边坡（5-5剖面）坡比及高度，由下至上分别为1∶0.75（15 m高）、1∶1（10 m高）、1∶1（10 m高）、1∶1.2（10 m高）、1∶1.2（10 m高）、1∶1.2（至开口线）。东北侧边坡（1-1剖面）坡比及高度，由下至上分别为1∶0.75（15 m 高）、1∶1（10 m 高）、1∶1.2（10 m 高）、1∶1.2（10 m高）、1∶1.2（至开口线），马道宽均为3 m。

表1 岩土层地质参数表Table 1 Geology parameters of rock and soil layer

3-3剖面、4-4剖面坡比同5-5剖面，2-2剖面由下至上分别为1∶0.75（15 m高）、1∶1至开口线。

3.5.2 计算模型

选取5个断面（1-1～5-5剖面）进行计算，以5-5剖面为例，计算模型边界范围为涵盖边坡坡顶以外的边界，可满足边坡稳定计算的需要。

边界条件：左右两边界水平方向约束、底部边界固结，由软件自动设置。

地下水位线以上材料采用天然状态参数，地下水位线以下材料采用饱和状态参数。

暴雨工况假定地下水位上升至地表，所有材料均饱和。

荷载基本组合仅考虑自重+地下水压力，暂不考虑加固力。

计算模型见图4。

3.5.3 计算结果

开关站边坡1-1～5-5剖面的持久、短暂与偶然工况安全系数计算结果见表2。

表2 招标阶段开关站边坡1-1～5-5剖面安全系数计算Table 2 Safety factor calculation of switchyard slope profile 1-1～5-5 in bidding stage

3.5.4计算结果分析

由表2看出，除2-2剖面在无支护条件下计算安全系数大于允许安全系数外，其余断面均存在计算安全系数小于允许安全系数的情况，尤其是4-4剖面短暂工况计算安全系数远小于允许安全系数（主要原因是全风化层太厚），需增加支护。

根据GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》表8.2.3-2和条文8.4.2，锚杆（束）的粘结强度按表3取值。

3.6 最终设计

3.6.1 设计坡比

对于4-4地质剖面，全风化厚度最大达到21 m，尽管增加支护可以保证边坡的计算安全系数满足设计要求，依然难以保证施工期的安全稳定，且锚筋桩数量较多，投资较大。技施阶段开关站边坡开挖坡比调整如下：

表3 不同岩性、不同孔径锚杆（束）粘结强度Table 3 Anchor cohesional strength of different lithology and drill diameter

图5 4-4剖面短暂状况安全系数分布图（Slide毕肖普法）Fig.5 Safety factor distribution of profile 4-4 in short-term condition（Bishop of Slide）

西南侧部分边坡（5-5剖面）坡比及高度，由下至上分别为1∶0.75（15 m高）、1∶1.5（10 m高）、1∶1.5（10 m高）、1∶1.5（10 m高）、1∶1.5（至开口线）；东北侧部分边坡（1-1剖面）坡比及高度，由下至上分别为1∶1（15 m高）、1.5（10 m高）、1∶1.5（至开口线）。

3-3、4 -4剖面坡比同5-5剖面；2-2剖面为1∶0.75至开口线。

马道宽均为3 m。

3.6.2 计算结果

计算模型同3.5.2。

开关站边坡1-1～5-5剖面的持久、短暂与偶然工况安全系数计算结果见表4。

3.6.3 计算结果分析

由表4看出，1-1剖面在无支护条件下短暂工况计算安全系数小于允许安全系数，需增加支护。

短暂工况计算安全系数分别为1.286（Slide毕肖普法）和1.323（SLOPE/W毕肖普法），结果满足设计要求。

4 开挖支护设计

根据边坡稳定计算结果，对开关站边坡进行开挖支护设计。

4.1 开挖设计

同3.6.1节坡比。

表4 技施阶段开关站边坡1-1～5-5安全系数计算Table 4 Safety factor calculation of switchyard slope profile 1-1～5-5 in construction stage

图6 1-1剖面短暂工况计算模型Fig.6 Calculation model of profile1-1 in short-term condition

4.2 支护设计

第一级（由下至上，下同）边坡采用挂网喷0.1 m厚C30混凝土+系统锚杆+0.5 m厚钢筋混凝土贴坡支护，第一级以上边坡采用钢筋混凝土框格梁+锚杆（锚索）支护。

东北侧边坡（1-1剖面）共设两级马道，马道宽均为3 m。第一级边坡采用25普通砂浆系统锚杆支护，长6 m，间排距2 m×2 m；第二级边坡采用25普通砂浆系统锚杆支护，长6 m，间排距3 m×3 m；第三级边坡采用325锚筋桩支护，长9 m，间排距3 m×3 m。

西南侧边坡（5-5剖面）共设四级马道，马道宽均为3 m。第一级边坡采用25普通砂浆系统锚杆支护，长6 m，间排距2 m×2 m；第二级边坡采用25普通砂浆系统锚杆（长6 m）和系统压力分散型预应力锚索（长25 m，设计张拉力值1 000 kN）支护，间排距均为3 m×3 m；第三、四级边坡采用25普通砂浆系统锚杆支护，长6 m，间排距3 m×3 m；第五级边坡采用325锚筋桩支护，长9 m，间排距3 m×3 m。

4.3 截排水设计

截水沟为钢筋混凝土截水沟，布置在边坡开口线外约10 m左右，梯形断面，净宽1.1 m，最小净高0.8 m，斜坡坡比为1∶0.5，厚度0.3 m。为有效截排冲沟洪水（见图1，重现期50年洪水2.13 m3/s），截水沟与冲沟交汇处设消力池，净长5.4 m、净宽3.2 m、净高2 m、厚0.3 m。

边坡设系统排水孔，土质边坡设φ100排水孔，长5 m，内插PVC排水花管（DN90，长5 m）；岩质边坡设φ50排水孔，长5 m，内插PVC排水花管（DN40，长2 m），间排距均为3 m×3 m。坡面框格梁设导流坎，马道设横向排水沟与截水沟相连或至坡外冲沟，排水孔出水和坡面雨水经由框格梁导流坎、马道排水沟排向坡外。要求截、排水沟出口处坡面坡度大于10%时设置跌水，跌坎宽度控制在0.25～0.4 m，高度控制在0.3 m以内。

4.4 坡面防护

被动防护网布置在距截水沟外侧约2 m左右，高3 m，能量等级为250 kJ。

4.5 监测设计

为监测边坡变形和支护结构受力，沿1-1、3-3和5-5剖面共设置3个监测断面。

沿边坡开口线和1-1、5-5剖面共设置10个表面位移测点，5-5剖面锚索部位设置1套四点式变位计、2个地下水位孔，两点、三点式锚杆应力计共设置9套，锚索测力计共设置3套。

边坡开挖支护典型断面见图7。

5 结语

安徽金寨抽水蓄能电站开关站边坡较高，为Ⅰ级边坡，直接影响到开关站GIS室、继保楼和出线架的安全。主要结论如下：

（1）边坡地形、地质条件复杂，边坡开挖、支护从可研到技施历时两年半之久，期间对边坡的位置、开挖坡比、支护型式进行了大量的方案调整。

（2）Slide和SLOPE/W两种软件的计算结果非常接近，有时甚至完全一样，表明两种软件的计算原理是相同的，为边坡的开挖、支护提供了重要的理论依据。

（3）对边坡稳定的几个基本问题，如有效应力法和总应力法、暴雨工况的假定等并未展开讨论，实际上这些基本问题将直接影响计算结果，进而影响到边坡的开挖、支护设计。

（4）边坡开挖坡比、支护设计还有进一步优化的空间。

目前边坡已基本开挖完成，各项监测资料正常，根据监测资料对日后类似工程边坡的开挖、支护进行优化调整，可提高边坡稳定计算和支护设计的水平。

图7 5-5剖面开挖支护图Fig.7 Excavation and support of profile 5-5

[1]安徽金寨抽水蓄能电站可行性研究报告第六篇工程布置及建筑物[R].杭州:中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,2013.

[2]安徽金寨抽水蓄能电站招标设计报告第三篇工程地质[R].杭州:中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,2014.

[3]GB 50330-2013,建筑边坡工程技术规范[S].

[4]DL/T 5353-2006,水电水利工程边坡设计规范[S].

[5]NB 35047-2015,水电工程水工建筑物抗震设计规范[S].