恰木萨水电站厂房边坡稳定性及治理措施研究

戚海峰

（中国核工业集团新华水力发电有限公司新疆巴州新华水电开发有限公司，新疆库尔勒841000）

0 引言

为了生产清洁能源，满足建设地用水需求，我国修建了大量的水电站。为了保证坝体蓄水量，水电站多修建于山区。山区水电站厂房区域高差较大，这将导致水电站区域会遇到较为严重的边坡稳定问题。水电站边坡稳定性是影响水电站顺利修建的重要因素之一，例如：锦屏水电站高边坡[1]、杨房沟水电站左岸坝肩边坡[2]、浩口水电站大坝边坡[3]、如美水电站边坡[4]等。影响边坡稳定性的因素较多，主要包括水文、地质、工程活动等[5-7]。为了保证工程建设安全和水电站的正常使用，针对边坡进行稳定性分析，并采取相关的治理措施是十分必要的。目前，关于边坡稳定性分析的方法包括数值模拟分析、物理模型分析等，均取得了较为丰厚的成果[8-10]。

1 工程概况

恰木萨水电站工程主要由拦河引水枢纽、发电引水系统、压力前池、压力管道、电站厂房等组成，属中型Ⅲ等工程。电站拦河引水枢纽正常引水位为1 550 m，压力前池正常水位为1 547.33 m，引水系统为引水明渠，全长11.628 km，发电引水流量为358 m3/s。电站总装机容量为203 MW，多年平均年发电量为6.20 亿kW·h，装机年利用小时数为3 054 h，其中主电站装机容量为200 MW，多年平均年发电量为5.96亿kW·h；生态电站装机容为3 MW，多年平均年发电量为0.24亿kW·h，电站建成后向南疆四地州电网供电，在电力系统基荷运行。

2 边坡破坏堵江可能性分析

临近河道边坡破坏后形成的大量堆积体极有可能破坏河道原有流态，造成堵江现象出现，形成堰塞坝，对下游的安全产生严重威胁。边坡破坏后形成堵江需要满足堆积体下滑后无法被水流携带，从而在河床堆积。滑坡地质灾害形成堵江的最小滑塌土石方量Vmin：

式中：Ldl为堵江坝底宽度，m；Hr为河流深度，m；Br为河水宽度，m；φs为堵江岩土体饱水状态的内摩擦角。

从式（1）可知，滑坡堵江的最小土石方量与河道宽度和河水深度成正相关关系。

若单位时间内滑坡涌入河道的滑体土石方量为Q1，此时河水断面流量为Q2，若堆积体形成堵江，则需要满足以下条件：

式中：γw为水的重度，取10 kN/m3；γs为滑体饱和重度，取27 kN/m3；β为河床坡度角，取15°；φm为堆积体与河床摩擦角，取30°。

为了计算恰木萨水电站厂房边坡滑塌后的堵江可能性，选用最不利参数，即河流最小流量下发生的最大规模滑坡，此时，河道流量为41.57 m3/s，单位时间内涌入河道的土石方量应大于13.33 m3/s。根据现场调查，厂房边坡整体稳定性较好，发生的破坏多为表层土破坏，难以出现大于13.33 m3/s 土石方涌入河水的情况，恰木萨水电站厂房边坡堵江可能性较小。

3 厂房边坡稳定性及治理措施分析

3.1 边坡地质情况

地面厂房区地形较平缓，冲沟较发育。据钻孔揭露，0～4.0 m 以含砾（砂）低液限粉土为主，夹薄层含土砂砾石及透镜体，低液限粉土存在湿陷性、高含盐、腐蚀性及冻胀性等问题，建议采取相应处理措施；4.0～19.0 m 以砂砾石为主，结构密实，局部夹薄层（0.2～0.4 m）粉土及透镜体，分布无规律；19.0～38.0 m 为中更新统冲积砂卵砾石弱胶结层，胶结不均一，局部缺细粒充填，透水性强；38.0 m 以下为下更新统砾岩，胶结好。中更新统冲积砂卵砾石弱胶结层须爆破或免爆开挖，下更新统砾岩层须爆破开挖。地下水位埋深39.2 m左右，水面高程1 477.0 m。

3.2 厂房边坡治理措施

根据现有的地质资料及厂区边坡地形、地质及施工条件，进行开挖边坡设计。厂房开挖形成最大永久边坡高约30.0 m，最大临时边坡高约25.4 m。根据边坡的实际情况，临时开挖边坡按照1∶0.5 的坡比放坡支护，永久开挖边坡按照1∶1.5 的坡比放坡。厂房边坡每10.0 m 设一宽2.0 m 的马道，最高永久边坡共2 级马道。尾水渠过水断面至第一级马道以下断面均以1∶2 坡比开挖，以上开挖边坡为1∶1.5。尾水渠每10.0 m 设一宽2.0 m 的马道，最高永久边坡共分2 级马道，随着地形变化，向下游方向马道逐渐减少。

3.3 边坡稳定性分析

FLAC 是常用的岩土工程有限元数值模拟软件，其模型建立较为简便，利用有限差分法计算边坡变形和应力结果准确，根据边坡建立FLAC 数值模拟模型对治理后的边坡稳定性进行分析。

3.3.1 临时边坡

临时边坡开挖后的数值模拟位移云图见图1。从图1 可知，按照 1∶0.5 的坡比开挖后，最大变形位移为18 mm，最大变形位置位于坡顶，临时边坡处于基本稳定的状态，但随着长时间的降水、风化等因素的影响，岩土体力学参数折减，临时边坡存在失稳的可能。因此，在施工过程中，临时性边坡开挖后应当快速进行下部工程的施工，完成后应尽快回填，避免边坡失稳造成不利影响。

图1 临时边坡位移云图

3.3.2 永久边坡

永久边坡治理后的数值模拟云图见图2，从图2 可知，采用1∶1.5 的坡比放坡后，边坡的最大变形位移为15.8 mm，发生在边坡的坡顶部位。采用1∶1.5 的坡比治理后，厂房边坡处于稳定状态，永久边坡支护在坡面采用网喷护面，防止了边坡岩土体力学参数的劣化，从而有效保证边坡在长期使用过程中处于稳定状态。

图2 永久边坡位移云图

3.3.3 尾水渠边坡

尾水渠边坡采用不同的坡比进行放坡，过水断面至第一级马道以下断面均以1∶2 坡比开挖，过水断面以上开挖边坡为1∶1.5。为了满足尾水渠过水需求，采用1∶2 的坡比可以保证过水断面面积。通过数值模拟分析，尾水渠边坡位移云图见图3。从图3 可知，采用较小的坡度可以更好地保证边坡的稳定性，数值模拟结果显示最大位移量为13.2 mm，与永久边坡一样，尾水渠边坡也采用了网喷护面，避免了水流直接影响岩土体强度造成边坡稳定性下降。

图3 尾水渠边坡位移云图

4 结语

结合恰木萨水电站厂房边坡工程，通过采用不同坡比放坡的方式对临时边坡、永久边坡、尾水渠边坡进行分析，综合考虑经济、安全等因素，确定临时边坡坡比为1∶0.5，永久边坡坡比为1∶1.5，尾水渠边坡坡比为1∶2 和1∶1.5，其中尾水渠上、下级采用不同的坡比可以保证过水流量，通过数值模拟分析，采用放坡支护可以保证厂房边坡的稳定。