输水隧洞进水口边坡局部稳定性分析与加固方案优化

于海龙

（鞍山水文局海城水文站，辽宁 海城 114200）

1 工程地质条件

胜利水电站位于新宾县胜利村境内的苏子河上，是辽宁省规划的苏子河梯级开发中的最后一级[1]。胜利水电站是一座以发电为主，兼具防洪、养殖等综合效益的大型水利枢纽工程。该工程设计库容为6.98亿m3，工程等别为Ⅳ等[2]。电站的进水口布置在左岸坝前，为岸塔式进水口。

胜利水电站坝址位于苏子河上游的峡谷段内，河道呈弯曲的“S”型，总体为右凸岸，坡度为40°～45°，有残存的Ⅲ级基座阶地，高程为 320.00 m～341.20 m，河床覆盖层厚5 m～16 m。坝址上下游为主要为远古界下寒武纪地层，出露岩层以结晶片岩为主，具有相对完整的下盘，岩层产状比较稳定。钻孔和探洞显示，坝址区岩体风化深度不大。上游白云母石英片岩组，下游板岩、千枚岩组，风化较均匀；中部绿泥钠长片岩组，风化不均匀。根据埋藏条件，有裂隙潜水和局部裂隙承压水两种类型。均由大气降水补给，向河床排泄。

2 进水口边坡可能块体组合及失稳判断

胜利水电站为为岸塔式进水口，布置在左岸坝前，长30.2 m，宽65.3 m，高55.1 m。进水口位置自然边坡较陡，大部分地段均有基岩裸露，在部分缓坡部位分布有厚度不均的堆积物，岩体为白云母石英片岩和夹云母片岩组，其中含有炭质条带和石英脉，层间错动带发育明显。其中，有3组节理组合切割不利于开挖边坡的稳定，根据探洞探查结果，上述节理的平均切割间距为1.5～2 m，多为细小闭合性节理，少数有充泥现象，但是延伸不长。受上述内发育结构面的切割，有多组结构面构成楔形体，对边坡稳定造成不利影响。其中主要的不定位结构面有片理PL，J1，J2，J3。根据DL/T5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》的边坡稳定性分析原则，结合前期地质调查资料，认为进水口边坡并没有软弱结构面，但是呈随机分布的裂隙组合，可以形成潜在的不稳定块体，对边坡稳定造成不利影响。

由于边坡的不稳定性贯穿边坡施工的全过程，其稳定性评价亦是开挖方式和加固措施选择的重要依据[3]。通过分析，认为可能对边坡开挖和加固施工造成明显不利影响的块体如表1所示。在开挖过程中必须及时跟进支护，同时要密切注意裂隙J3的加固处理，在上游边坡开挖时需要注意对片理PL的加固处理。

3 块体局部稳定性分析

3.1 计算参数

在此次计算过程中需要考虑爆破震动对岩体参数的软化效应，不考虑边坡结构面的抗剪强度系数，也就是结构面的凝聚力，因而计算结果与不考虑施工扰动有一定的降低，结果本身偏安全，具体的计算参数如表2所示。

表1 边坡可能不稳定块体表

3.2 计算结果

根据上节的失稳模式判断结果，利用楔体稳定性分析程序对半定位和随机块体稳定性进行分析[6]，则可形成楔体空间视图如图1～4所示。

图1 JSS1楔体空间视图

图2 JSS3楔体空间视图

表2 结构面地质建议指标

通过综合分析计算，设计部门给出的结构面系数并没有考虑结构面的联通与充填率造成的影响，计算结果比较粗糙，不利于稳定性的判断[4]。因此，对设计院提出的数据进行调整。显然，不同岩层结构面的参数是不同的，在考虑结构面的联通与充填率影响的情况下，选用下述公式进行计算[5]：

式中：f为实际抗剪强度；fr为设计院提供的抗剪强度；fn为设计院提供的无充填结构面抗剪强度；fd为设计院提供的完全填充结构面抗剪强度；ϕ为层面贯通率；γ层面填充率。

采用上述计算公式，可以获得如表3所示的边坡结构面参数。

表3 结构面地质参数优化结果

图3 JZS2楔体空间视图

图4 JZS3楔体空间视图

图5 JZS4楔体空间视图

图6 JZS5楔体空间视图

4 加固方案设计与优化

4.1 加固方案设计

由于进水口边坡处于整体稳定状态，根据DL/T5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》的规定，对局部不稳定的块体结构采取锚杆支护的加固方案[7]。结合工程地质环境特征，拟定如下加固方案：采用15 t锚杆进行加固，并按照岩体类型进行分高程、分区域以及不同的锚固深度设计[8]。具体设计方案如表4所示。

4.2 加固方案的优化设计

上节加固方案下边坡块体加固后的安全系数计算结果如表5所示。由计算结果可知，边坡上的各随机块体开挖后都不稳定，但是加固后具有较高的安全系数，不存在滑动的可能性。

但是，计算结果也显示，加固后各随机块体的局部安全系数仍然较低，需要进一步优化支护方案。因此，将上述方案中的部分锚杆由15 t改为18 t，得到如表6所示的优化方案。

加固方案优化设计下边坡块体加固后的安全系数计算结果如表7所示。由计算结果可知，边坡上的各随机块体加固后具有较高的安全系数，并且分布比较均匀，基本满足DL/T5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》。由于上述计算使用的抗剪强度参数在计算方式上已经预留了较大的安全储备，因而个别块体的安全系数略低于规范要求是可以接受的。因此，优化后的支护方案不仅安全可靠，而且具有较好的经济性，建议在实际施工中采用。

表4 加固方案具体设计参数

表5 随机楔体安全系数计算结果

表6 边坡支护方案优化设计

表7 随机楔体安全系数计算结果

5 结论

以胜利水电站进水口边坡为例，对边坡稳定性及支护方案优化展开研究，并获得如下结论：

1）进水口边坡的JSS1，JSS3，JZS2，JZS3，JZS4，JZS5安全系数较低，属于不稳定块体，在边坡开挖过程中需要进行加固处理。

2）考虑连通率和充填率的基础上进行块体局部稳定分析计算参数优化，并依据计算结果提出相应的加固方案。

3）鉴于原始加固方案下各随机块体的局部安全系数仍然较低，因此将方案中的部分锚杆由15 t改为18 t，优化后的加固方案不仅安全可靠，而且具有较好的经济性，建议在实际施工中采用。