莫莫克水利枢纽联合进水口开挖边坡治理设计

王 磊

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

该水库是天山山脉南麓提孜那甫河流域上的控制性工程，起着龙头水库的重要作用，主要承担防洪、灌溉兼顾发电的工程任务。总库容为0.927亿m3，工程由挡水坝、溢洪道、泄洪冲沙洞、发电引水系统及电站厂房等组成。大坝为沥青混凝土心墙坝，最大坝高75.0m。根据SL 252—2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》的规定，确定其工程等别为Ⅲ等工程，工程规模为中型。

发电引水系统及泄洪冲沙洞联合进水口位于水库右岸Ⅱ、Ⅳ级阶地，岸坡走向总体为41°。上表层分布厚度为15～30m的第四系上更新统风积低液限粉土，结构松散，强度较低，坡度为15°～32°。高程在1950m以上的坡度较缓，为12°～15°。中部为厚45～50m的坡洪积砾质土，岸坡走向为39°，高程在1940m以下的坡度逐渐变陡，为32°～39°，结构较密，其下为厚5～8m的阶地砂砾石层，结构密实。山体下伏西域组砾岩，岩层产状为310°NE∠25°，以泥钙质胶结为主，岩体巨厚，层面不明显，断裂及风化、构造裂隙不发育。坡面岩块及碎石土常有零星崩塌、坠落现象发生。

由于联合进水口位置深入山体，挖方量较多，整体坡高120～150m，且属于土岩结合边坡类型，稳定性较差，地理位置临近闸井，破坏后果严重，须对此位置的边坡进行专门分析。综合确定此段边坡的安全等级为三级，与相临建筑物级别保持一致[1-2]。

1 计算说明

上部覆盖层边坡中，低液限粉土层与砾质土层较厚，砂卵砾石层仅厚5～8m，考虑将砂卵砾石与砾质土做同坡处理。由于粉土物理力学性质较差，为保证边坡稳定与安全，考虑上层粉土边坡比应大于或等于下层砾质土坡比，避免出现危及边坡安全与稳定的临空面。由于边坡整体较高，为便于施工和后期巡视维护，考虑边坡每10m设置一处马道，宽2m。

未开挖边坡天然状态下稳定性较好。但在持续性降雨或暴雨情况下，边坡土体饱和，造成覆盖层散粒体抗剪强度降低，低液限粉土出现塑性变形，从而产生蠕动变形，致使土体孔隙水压力上升，触发土体饱和区的整体滑动或者边坡沉陷，属于较危工况[3-4]。

边坡下伏西域组砾岩，天然状态岩体整体性和坚硬度都比较高，但岩石组分遇水易软化、泥化形成软弱夹层，且易受雨水冲刷、风力侵蚀从而导致强度降低，抗侵蚀、抗冲刷能力较差，使其具有不同于一般土质边坡、岩质边坡的独特破坏模式与变形失稳机制。根据坝址区上下游库岸自然边坡的现场调查情况和西域砾岩复杂特殊的物理力学性质，得出西域砾岩边坡的变形破坏模式以拉裂-错落式坍落为主。坡脚处岩体受流水冲刷作用，上部西域砾岩处于临空状态，随着淘蚀深度与宽度的不断增加，处于淘蚀洞上方的岩体出现坍塌，并形成竖向的拉裂缝，随着竖向拉裂缝发育贯通，坡体发生整体式坍落[5-8]。

根据附近水文气象站从1953年至今近70年的水文资料，拟定场区5年一遇的暴雨持续时间为24h。坝址区覆盖层堆积土渗透实验表明，降雨入渗深度[9]为粉土0.2m、砾质土1.7m。覆盖层堆积边坡降雨工况稳定计算分析时取降雨入渗深度内为饱和容重，降雨入渗深度外为天然容重。

拟建工程区场地50年超越概率10%地震动峰值水平加速度为0.237g，对应地震基本烈度为Ⅷ度，工程抗震设防烈度为8度，相应边坡工程有关抗震按8度考虑，属于危险工况。

根据水文地质条件，该坡段地下水位埋深大，边坡无稳定外来补给水体，覆盖层透水性较好，西域砾岩内节理、裂隙不发育，不利于地表水、地下水循环转移。在工程正常使用运行时，岩质边坡常处于运行水位下。该部分应该以临水边坡来考虑，基本工况为正常运行时各种水位及其经常性降落。

联合进水口边坡的计算工况和规范[10]允许安全系数见表1。

表1 联合进水口边坡计算工况和规范允许安全系数

2 边坡稳定性计算

从已有的地质资料分析，边坡中不存在导致大规模块体失稳的不利结构面组合，因此，边坡的破坏方式主要为强风化岩体崩落、坠石以及坡顶第四系覆盖层出现的圆弧滑移破坏。根据工程地质调查和相应规范，在边坡稳定计算中，对于断层破碎带、强风化带按均质体考虑，采用圆弧滑动法计算，按不同破坏模式搜索最危险滑动面。根据岩土体物理力学试验成果，结合相应地区类似地质条件边坡物理力学特性，综合确定联合进水口开挖边坡设计参数建议值，见表2。

表2 联合进水口开挖边坡设计参数建议值

根据地质建议边坡开挖值，参考相应地区类似地质条件的枢纽工程，岩质边坡的开挖。考虑本边坡工程的施工、运行、维护等，综合考虑岩质边坡开挖坡度为1∶0.75，边坡每隔10m设一处马道，宽2m，计算的安全系数见表3。采用联合进水口工程西域砾岩边坡的极限平衡法计算如图1所示。

表3 西域砾岩开挖边坡计算安全系数

图1 联合进水口工程西域砾岩边坡的极限平衡法计算简图

参考近似水利工程中的边坡设计，覆盖层边坡开挖坡度初拟3个方案，详见表4。采用二维极限平衡法计算各方案的暴雨和地震工况，如图2所示。根据计算结果选取的合适方案为覆盖层整体开挖坡度1∶2。

表4 覆盖层边坡不同方案坡比和计算安全系数

图2 联合进水口工程覆盖层边坡的极限平衡法计算滑弧示意简图

3 有限元计算分析

为充分了解莫莫克枢纽工程边坡变形及稳定性情况，对联合进水口右岸工程边坡建立模型进行分析。数值模型东西向为x轴，指向东为正；以南北向为y轴，指向北为正；竖直方向为z轴，指向上为正，模型底部高程为1780m。三维模型尺寸为650m×950m×300m，数值模型包含的节点总数为20082，四面体单元总数为104679。

数值计算中材料本构模型均采用弹塑性模型，强度准则为摩尔库伦屈服准则。模型四周法向约束，底部固定约束，约束条件如图3所示[11-12]。

图3 模型约束条件及网格划分

在初始应力条件下，边坡最大、最小主应力云如图4—5所示。由此可以看出，在自重作用下，边坡体内部应力大小由表层向深部逐渐增大，且应力值基本为负值，表明边坡体整体处于受压应力状态，符合边坡实际应力分布规律。

图4 最大主应力分布

图5 最小主应力分布

边坡开挖过程中整体x、y、z向和典型剖面总位移分布如图6—8所示，由图中信息可知：①前三步开挖，主要为覆土开挖，边坡位移主要集中在边坡开挖底部和人工边坡中部位置；②后三步开挖，主要为西域砾岩开挖，边坡最大位移集中在覆盖层人工边坡中部；③典型剖面x向(东西向)最大位移为2.36cm，主要表现为先增大后减小，其主要原因为覆盖层开挖，开挖底部可能出现较大回弹变形并在后续开挖过程中被挖除；④典型剖面y向(南北向)最大位移为4.45cm，主要表现逐渐增大后趋于稳定；⑤典型剖面z向(东西向)最大位移为10.96cm，主要表现为先增大后减小。

图6 联合进水口工程开挖边坡的x方向沉降位移有限元分析

图7 联合进水口工程开挖边坡的y方向沉降位移有限元分析

图8 联合进水口工程开挖边坡的z方向沉降位移有限元分析

边坡开挖过程中塑性区分布如图9所示，由图中信息可知：①开挖过程中边坡整体塑性区分布范围较小，现有加固措施能够较好控制塑性区范围；②塑性区主要在开挖边坡高高程开口线附近和自然边坡顶部零星分布，没有形成大面积贯通塑性区，边坡整体稳定性良好。

图9 联合进水口工程开挖边坡的塑性区分布

4 边坡治理设计

联合进水口底部开挖砾岩属软岩，容易受降水和雨雾影响从而产生软化及表层剥落，本身抗冲刷能力较差，且近直立的阶坎上一般存在小卸荷体，从河流两岸目前存在的冲蚀和塌岸现象来看，蓄水后正常蓄水位高程附近的岸坡岩体往往会首先遭受水流淘蚀，上部岩体在自重作用下易产生小规模塌岸，形成库岸再造。

坡脚处的岩土体易受流水冲刷作用使抗剪强度大大降低而被带走，导致上部的西域砾岩处于临空状态，并在自重作用下处于受拉状态；随着掏蚀深度与宽度的不断加深，处于掏蚀洞上方的西域砾岩开始出现坍塌而形成自然平衡拱，并形成向上的裂缝；同时坡顶处的岩体在自重引起的弯矩作用下出现竖向拉裂缝，最终拉裂缝贯通，坡体发生整体式塌落。

右岸高度不大，多位于正常蓄水位以下，天然状态下未发现有卸荷岩体，边坡整体稳定。由于开挖边坡较高，一旦失稳破坏，将产生难以想象的后果，对水库的正常运行造成巨大威胁。西域砾岩边坡变形破坏演进如图10所示。因此，采取适当的加固增稳措施，在更大程度上确保水库进水口整体和局部边坡的稳定性尤为必要。

图10 西域砾岩边坡变形破坏演进图

为防止流水和波浪淘刷，水下岩石开挖边坡采用C25钢筋砼板衬砌，砼板厚20cm。水上岩石开挖边坡采用挂钢筋网+喷锚支护处理。边坡喷护范围内布设管径为100mm的PE排水管，间距为5m，梅花形布置，入岩4.9m，出露0.1m，外倾角为5°，与锚杆错开。

岩质边坡采用系统砂浆锚杆防护，锚杆直径为Φ25，长9m，深入基岩8.9m，外露0.1m，间、排距均为2m，梅花形布置，垂直坡面射入。

上部低液限粉土在天然状态下稳定性较好，但在含水条件下具有变形较大、强度大幅下降的特点，应注意防范该处开挖边坡在暴雨、暴雪和泄水雨雾等条件下产生的沉降、蠕变、泥石流和浅表层滑动等地质灾害。

上部覆盖层开挖坡比为1∶2.0，为防止降水对开挖坡面表层的侵蚀，坡面嵌入布置混凝土网格梁，混凝土网格梁护坡间设置预制混凝土板，防止降雨及融雪渗入土体。覆盖层下部两级边坡设置间、排距为4m×3m，长12.0m的土锚钉，深入土体11.9m，出露0.1m，下倾角为15°，梅花形布置。为防止支护作业时的预成孔塌孔，土钉主体结构采用钢管。

边坡每级马道靠近坡脚处布置梯形排水沟，用于收集边坡坡面汇水。覆盖层开挖边坡顶部1m外布置梯形排水渠收集坡顶汇水和排水沟汇水，排水沟、排水渠联合形成完整的排水体系。

5 结语

(1)对联合进水口上部的湿陷性黄土覆盖层进行了边坡稳定判别，提出土质边坡的暴雨工况计算应按照最大降雨入渗深度进行考虑。

对联合进水口上部深厚覆盖层的开挖边坡比进行多方案的计算，根据多种方案的计算结果提出安全的开挖坡比。

(2)对联合进水口下部的西域砾岩边坡进行了边坡稳定分析，根据现场实地勘测河流库岸边坡，对其失稳模式进行判别，提出了岩质边坡的支护方案，对类似工程提供了指导和经验。

等厚泥质岩石边坡除了采用圆弧滑动的极限平衡法进行分析，还应进行现场勘测和岩石物理力学参数分析、电镜组分分析等多种方法综合确定边坡的破坏模式和类别。

(3)经过有限元计算分析，开挖过程中边坡整体塑性区分布范围较小，现有加固措施能够较好控制塑性区范围；整体而言，边坡变形符合一般规律，塑性区分布范围有限且没有形成贯通塑性区，边坡整体稳定性良好。