河北丰宁抽水蓄能电站下水库进/出水口高边坡支护结构设计研究

刘 蕊，喻 冉，余 健，钱玉英，何 敏

（1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京市 100024；2.河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350）

0 引言

河北丰宁抽水蓄能电站地处河北省承德市丰宁满族自治县境内，电站安装12台单机容量为300WM的混流可逆式水轮发电机，总装机容量为3600MW，分两期开发建设。电站由上水库、一、二期输水系统、一、二期地下厂房、地面开关站及下水库等建筑物组成。上、下水库进/出水口之间的水平距离为3010m，额定水头425m，距高比为7.1。随着现场施工进展，丰宁抽水蓄能电站实际开挖揭露的一、二期工程下水库进/出水口尾水检修闸门井平台以下边坡的地质条件发生了较大变化，一、二期工程下水库进/出水口右侧边坡受冲沟影响，出现了高达15m的土坡；左侧边坡出现NW和NE两组裂隙，走向与边坡夹角较小，边坡产生局部不稳定块体滑动破坏[1]。为确保丰宁抽水蓄能电站高边坡施工期及运行期的本质安全，设计针对实际开挖揭示的地质条件，及时调整支护参数，采取了针对性的边坡加强支护措施。本文以丰宁抽水蓄能电站二期进/出水口高边坡为例，利用Geostudio和理正岩土软件作为主要计算工具，针对下水库二期进/出水口边坡，分析加强支护后的边坡稳定性。

1 工程地质条件

下水库进/出水口布置于滦河左岸，距离下水库大坝约2.4km，地形上为“两沟夹一梁”。下水库进/出水口洞脸开挖边坡总体方位为近SN，基岩主要为强风化、弱风化、微风化中粗粒花岗岩，岩体主要为次块状结构。岩体中主要发育有NE和NW两组裂隙，均为共轭剪切节理，①NE10°～60°SE（NW）∠ 30°～ 80°，走向以 NE30°～ 50°居多，中、陡倾角 ；② NW280°～ 310°NE（SW）∠ 40°～ 70°，走向以NW300°～310°居多，中、陡倾角[2]。岩石物理力学参数建议指标见表1。

表1 下水库进/出水口边坡岩石物理力学指标建议值Table 1 Suggested values of rock physical and mechanical indexes for the inlet/outlet slope of the lower reservoir

2 初期支护设计参数

下水库进/出水口边坡的支护设计遵循“支护与围岩共同作用维持边坡稳定，围岩是承载的主体，支护是加固和稳定围岩的手段。允许围岩有适度变形，通过支护调节，控制围岩不出现有害松动，以最大限度地发挥围岩自承能力，使工程安全、经济和施工方便”的原则，并按照“设计→施工→监测→反馈→调整支护参数”的程序，进行了信息化支护设计的尝试[3]。通过工程类比和计算分析，确定本工程的初期支护方式及局部边坡的加强支护措施。

根据下水库进/出水口布置及地质条件，进/出水口边坡开挖设计原则为：洞脸1047m高程以下按垂直开挖，1047m高程以上按1:0.5坡比开挖，每20m设一级马道，马道宽2m，其中1069m高程为尾水检修闸门井平台，平台宽28m，为永久边坡，最大边坡高约133m。参照《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》《水利水电工程边坡设计规范》推荐的相应支护参数，初步选定了本工程的边坡支护原则为：系统支护为锚喷支护，喷混凝土C20，厚10cm，安装φ8@20×20cm钢筋网，系统锚杆梅花形布置，短锚杆φ22，L=3m，长锚杆φ25，L=4.5m，间排距@1.5m×1.5m。

对初步选定的支护参数，分别进行了极限平衡法和三维有限元的验算。极限平衡法计算出边坡支护的安全系数大于2，满足《水利水电工程边坡设计规范》对边坡设计安全系数的要求。利用三维有限元方法，对采取上述支护参数的边坡稳定和施工力学参数问题进行了计算分析，拟定边坡分期自上而下开挖[4]。在分期开挖、支护情况下边坡围岩应力、位移变化值见表2。

表2 分期开挖、支护下二期工程下水库进/出水口边坡最大主应力、位移Table 2 The maximum principal stress and displacement of the inlet/outlet slope of the lower reservoir under the second stage of excavation and support by stages

计算结果表明，初期支护措施均较好地发挥了作用，边坡变形规律正常，下水库二期进/出水口边坡锚喷支护方案总体上是合理的。

3 支护设计参数的动态调整

随着现场施工进展，实际开挖揭露的二期工程下水库进/出水口尾水检修平台以下边坡的地质条件发生了较大变化，二期工程下水库进/出水口右侧边坡受冲沟影响，出现了高达15m的土坡；左侧边坡出现NW和NE两组裂隙，走向与边坡夹角较小，边坡沿层面裂隙极易形成单面滑动失稳，或与断层等结构面构成组合滑动体，边坡产生局部不稳定块体滑动破坏。针对以上地质条件，采取了针对性的边坡加强支护措施，边坡加强支护的设计原则为：基岩坡主要应解决顺坡结构面的局部失稳，土坡主要解决沿基岩面与土坡面的滑动[5]。

（1）土质边坡加强支护措施。二期工程下水库进/出水口右侧边坡靠冲沟部位开挖揭示后为土质边坡，目前采取的加强支护措施为：土坡上游侧岩质边坡采用贴坡支护；土坡范围采用厚板混凝土+网格梁支护；土坡下游侧岩质边坡采用贴坡护坡。

（2）强风化边坡加强支护措施。二期工程下水库进/出水口左侧边坡在清坡过程中，揭示出NW295°NE∠60°和NE30°NW∠70°两组优势节理面，表层具有一定厚度的强风化带，目前边坡基本由强风化与弱风化岩体组成，边坡开挖支护施工过程中曾发生塌方[6]。目前采用的加强支护措施为：直立边坡以上边坡增加锚筋桩并采用贴坡护坡；直立边坡采用厚板加强支护，内设暗梁，节点采用预应力锚索。

4 边坡稳定性复核计算

4.1 右侧土质边坡

该处边坡初始设计为土质边坡，由于开挖支护施工过程中发生塌方和坡体开裂现象重新调整了开挖线，并采取加强支护措施。目前边坡基本由弱风化岩体组成，局部位置存在一定高度的土体，边坡高度46m左右，主要支护措施包括自进式锚杆、锚筋桩和预应力锚索等。该边坡主要剖面的地质情况和加强支护措施如图1和图2所示。

图1 下水库进/出水口右侧土质边坡A1-A1剖面Figure 1 Section A1-A1 of the soil slope on the right side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

图2 下水库进/出水口右侧土质边坡B1-B1剖面Figure 2 Section B1-B1 of the soil slope on the right side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

边坡岩土体的计算参数按饱水情况下取值：土层容重19kN/m3，内摩擦角25°，黏聚力5kPa；弱风化层容重26.2kN/m3，内摩擦角43°，黏聚力1000kPa。边坡采用主要加强支护措施为在1055m高程以上位置采用贴坡混凝土（部分区域采用网格梁+锚杆+预应力锚索），1055m高程以下采用厚板，暗梁节点处施工预应力锚索（1000kN，20m和37m两种）和锚筋桩（3根直径25mm，12m）搭配。边坡支护措施的间距、长度和倾角均严格按图纸执行，其计算参数为：锚杆直径25mm自进式，作用可变，荷载范围0～100kN；锚筋桩3根直径25mm钢筋，作用可变，荷载范围0～350kN；预应力锚索1000kN级别，作用恒定，荷载值1000kN。

（1）不考虑水位骤降工况下的稳定性计算。补强支护后该边坡的整体稳定性计算结果如图3所示（由于该边坡位置无顺倾节理裂隙面不利作用，因此失稳模式设定为内部圆弧滑动失稳）。根据计算结果，边坡采用目前的加强支护方式处理后，边坡各剖面的整体安全系数均较高，具备足够的安全储备，无须进行额外的加固措施。

图3 下水库进/出水口右侧土质边坡稳定性计算结果（不考虑水位骤降）Figure 3 The stability calculation result of the soil slope on the right side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（without consider the sudden drop in water level）

（2）考虑水位骤降工况下的稳定性计算。考虑水位由1061.00m骤降至1042.00m的不利情况，对2个代表性剖面计算结果如图4所示。根据计算结果，边坡加强支护后，水位骤降情况下边坡各剖面的安全系数降低1.1～1.2，但是安全储备依然足够，无须 采取额外的补强支护措施。

图4 下水库进/出水口右侧土质边坡稳定性计算结果（考虑水位骤降）Figure 4 The stability calculation result of the soil slope on the right side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（consider the sudden drop in water level）

4.2 左侧土质边坡

该处边坡为土质边坡，边坡由外向内由土层、强风化岩层和弱风化岩层三种材料组成，土层厚度约6～8m，采用的主要支护措施为系统锚喷支护。该边坡主要剖面的地质情况和加强支护措施如图5和图6所示。

图5 下水库进/出水口左侧土质边坡A2-A2剖面Figure 5 Section A2-A2 of the soil slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

图6 下水库进/出水口左侧土质边坡B2-B2剖面Figure 6 Section B2-B2 of the soil slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

边坡岩土体的计算参数按饱水情况下取值：土层容重19kN/m3，内摩擦角25°，黏聚力5kPa；强风化层容重21.5kN/m3，内摩擦角24°，黏聚力400kPa；弱风化层容重26.2kN/m3，内摩擦角43°，黏聚力1000kPa。为保障工程安全，内比附近的边坡支护工程措施，增加布置间排距3m的混凝土网格梁，并在网格梁节点处设置由3根直径25mm钢筋构成的锚筋桩，长度12m，锚筋桩的计算参数为3根直径25mm钢筋，作用可变，荷载范围0～350kN。

（1）不考虑水位骤降工况下的稳定性计算。加强支护之后该边坡的整体稳定性计算结果如图7所示。通过计算结果可以看出，当在已施工的系统锚喷工程基础上（锚杆长度按6.5m考虑），增加布置间排距3m的12m锚筋桩后，边坡代表性剖面在不考虑水位骤降条件下的稳定性计算结果均较高，具有很好的安全储备。

图7 下水库进/出水口左侧土质边坡稳定性计算结果（不考虑水位骤降）Figure 7 The stability calculation result of the soil slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（without consider the sudden drop in water level）

（2）考虑水位骤降工况下的稳定性计算。考虑水位由1061.00m骤降至1042.00m的不利情况，对2个代表性剖面，按照系统锚杆长度6.5m并增设锚筋桩加强支护的工程措施，稳定性分析结果如图8所示。通过计算结果可以看出，当在已施工的系统锚喷工程基础上（锚杆长度按6.5m考虑），增加布置间排距3m的12m锚筋桩后，边坡代表性剖面在考虑水位骤降条件下的稳定性计算结果仍然较高，边坡整体有足够的安全储备。

图8 下水库进/出水口左侧土质边坡稳定性计算结果（考虑水位骤降）Figure 8 The stability calculation result of the soil slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（consider the sudden drop in water level）

4.3 B2-B2剖面开挖线上方考虑水位骤降情况下的稳定性

下水库进/出水口左侧土质边坡B2-B2剖面开挖坡顶高程为1052.74m，其上方为自然边坡，在设计时对该位置未进行任何支护处理。由于处于水位升降带范围内，对于该自然边坡需进行稳定性分析以保证安全。通过设定滑动面搜索范围和半径，对B2-B2剖面开挖坡顶上方的自然边坡进行稳定性计算，如图9（a）所示，其在水位骤降情况下安全系数为0.988，处于极限平衡状态。为保证工程安全，建议对B2-B2剖面开挖坡顶上方的自然边坡，按原设计的系统锚喷支护工程的间排距向上增设2排锚杆，其在水位骤降工况下的计算模型和稳定性分析结果如图9（b）所示，其稳定性计算结果为1.334，基本满足安全储备要求，可以保障工程安全。

图9 下水库进/出水口左侧土质边坡B2-B2剖面上方自然边坡稳定性分析结果Figure 9 The stability analysis result of the natural slope above the B2-B2 section of the soil slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

4.4 左侧强风化层边坡

该处边坡根据地层揭露情况为岩质边坡，表层具有一定厚度的强风化带，开挖支护施工过程中B3-B3曾经发生塌方，因此重新调整了开挖线并采取加强支护措施，目前边坡基本由强风化与弱风化岩体组成，边坡高度44m左右，主要支护措施包括自进式锚杆、锚筋桩和预应力锚索等。该边坡主要剖面的地质情况和加强支护措施如图10和图11所示。

图10 下水库进/出水口左侧强风化层边坡A3-A3Figure 10 Strongly weathered slope A3-A3 on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

图11 下水库进/出水口左侧强风化层边坡B3-B3Figure 11 Strongly weathered slope B3-B3 on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

边坡岩土体的计算参数按饱水情况下取值：强风化层容重21.5kN/m3，内摩擦角24°，黏聚力400kPa；弱风化层容重26.2kN/m3，内摩擦角43°，黏聚力1000kPa，裂隙面内摩擦角21.8°，黏聚力10kPa。边坡采用的主要支护措施为锚筋桩（3根直径25mm，12m）和长锚杆（直径32mm，9m）交替梅花形布置，对于曾经发生过垮塌的部位设置预应力锚索加强支护。边坡支护措施的间距、长度和倾角均严格按图纸执行，其计算参数为：锚杆直径32mm自进式，作用可变，荷载范围0～120kN；锚筋桩3根直径25mm钢筋，作用可变，荷载范围0～350kN；预应力锚索1000kN级别，作用恒定，荷载值1000kN。

（1）不考虑水位骤降工况下的稳定性计算。根据对该位置的补强支护情况，针对该位置边坡两处代表性剖面稳定性计算结果如图12所示（图中一般考虑1049.00m平台沿裂隙面倾角向下剪出、1069.00m平台与1024m坡脚之间沿裂隙面倾角剪出两种情况，如果两条裂隙距离较大，额外考虑在预设裂隙中间剪出的情况）。根据计算结果，边坡采用目前的加强支护方式处理后，边坡整体安全系数均具备足够的安全储备，无须进行额外的加固措施。

图12 下水库进/出水口左侧强风化层边坡稳定性计算结果（不考虑水位骤降）Figure 12 The stability calculation results of the strong weathered layer slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（without consider the sudden drop in water level）

（2）考虑水位骤降工况下的稳定性计算。考虑水位由1061.00m骤降至1042.00m的不利情况，对两个代表性剖面稳定性计算结果如图13所示。根据计算结果，边坡加强支护后，水位骤降情况下边坡沿岩层裂隙节理面滑动的最不利方式均与不考虑水位骤降情况下一致，均为1069.00m平台整体沿岩层节理面向下滑动，安全系数降低0.2～0.4，但是最小安全系数仍达1.5以上，安全储备足够。

图13 下水库进/出水口左侧强风化层边坡稳定性计算结果（考虑水位骤降）Figure 13 The stability calculation results of the strong weathered layer slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（consider the sudden drop in water level）

5 边坡监测数据分析

根据现场揭露的地质情况和边坡支护措施，二期工程下水库进/出水口边坡布置了6个监测剖面，布置了多点位移计、锚杆应力和锚索测力计等监测设备。

（1）边坡位移监测。截止到目前观测到的多点位移计最大累计变形值为86.71mm（M7-1-4，下水库一期进/出水口右侧边坡1034m高程），本周观测值较上周减少0.02mm。下水库进/出水口其他多点位移计位移变化范围为-0.36～1.31mm，变化量较小。

（2）锚杆应力监测。根据锚杆应力计观测成果显示：本周观测到的锚杆应力计最大应力值为178.30MPa（测点Rm2-5，高程1044m）较上周减少1.58MPa。下水库进/出水口其他锚杆应力计应力值变化量范围-8.63～19.82MPa，变化量较小。

（3）锚固力监测。下水库进/出水口边坡其他部位测力计荷载值变化范围为-8.27～14.77kN，荷载较为稳定。

6 结束语

（1）丰宁抽水蓄能电站下水库进/出水口边坡首先通过理论计算，在开挖前初步确定了边坡的锚喷支护参数，在施工过程中，根据揭露的实际地质条件、监测资料、施工状态及开挖跟踪反分析和围岩稳定分析结果，对下水库边坡尝试了信息化支护设计[7]。通过综合分析，对边坡部分区域的支护参数进行了调整，较好地符合了本工程地质构造的特点，各实测点的围岩变形均小于参考控制标准，边坡稳定的各项指标正常，说明支护参数是科学合理的。

（2）丰宁抽水蓄能电站下水库进/出水口边坡在开挖过程中出现不同程度的塌方、掉块等地质缺陷，为确保高边坡施工期及运行期的本质安全，针对实际开挖揭示的地质条件，及时调整支护参数，采取了针对性的边坡加强支护措施，并利用Geostudio和理正岩土软件对加强支护后的高边坡稳定性进行了计算分析，优化和完善了合理的边坡支护参数[8]，在确保施工安全的前提下有效降低了建设成本，使工程安全经济，其成果对工程应用及类似边坡的防护措施有指导和借鉴意义。