瓦屋山水電站廠房邊坡變形監(jiān)測及穩(wěn)定性分析

王一飛,陳 新,余 振

(四川大學(xué)水電學(xué)院,成都,610065)

1 工程概況

瓦屋山水電站是四川省周公河干流梯級開發(fā)中的一座承擔(dān)調(diào)峰的混合式開發(fā)的中型水電站,具有多年調(diào)節(jié)性能,水庫總?cè)萘?5.843億 m3。該電站設(shè)計水頭 230m,為 2臺混流式機(jī)組,裝機(jī)容量 2×130MW,機(jī)組額定流量 117.86m3/s,設(shè)計多年平均發(fā)電量為 6.99億 kW·h。其中,枯期(12～4月)發(fā)電量 3.58億 kW·h,占年電量的51.2%。

水電站廠房位于周公河左岸斜坡,主廠房設(shè)計尺寸為長 63.52m、寬 33.82m、高 45.59m,建基高程 781.30m。該段地形較為平緩開闊,地面高程 820m～840m以上為 J3p②層粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖、砂巖及泥灰?guī)r,以下為 J3p①層泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖及泥灰?guī)r薄層,巖體強(qiáng)、弱風(fēng)化帶厚度分別為 3m～10m與 10m～15m,巖層產(chǎn)狀N25°E/SE∠10°。鉆孔及挖 PD14平硐揭示,在高程 815m處分布一層泥化夾層,厚 0.001m～0.005m;巖體中主要發(fā)育有 N30°～59°E/SE或NW∠42°～ 75°及 N60°～ 89°W/SW∠79°～ 83°兩組構(gòu)造裂隙,裂隙間距 1m～2.5m,延伸長度一般2m～3m,最長 7m。在高程 798m以下層面裂隙較為發(fā)育,裂面平直,見有石膏膜充填。鉆孔壓水試驗表明,高程 815m～820m以上巖體 q=5.0Lu～121Lu,屬微至較嚴(yán)重透水;以下 q=0.7Lu～3.7Lu,屬中等至微透水層。

圖 1 瓦屋山廠址邊坡測斜孔布置

為了監(jiān)測邊坡的變形情況,確保樞紐建筑物在施工期和運(yùn)行期的安全,根據(jù)某水電站廠區(qū)的地形、地質(zhì)情況,結(jié)合地質(zhì)鉆孔分布,設(shè)計布置了4個深部位移監(jiān)測孔(編號分別為 IN-P1～I(xiàn)NP4),分別位于廠房的左側(cè)和后邊坡。在監(jiān)測中,以邊坡坡外方向為監(jiān)測主方向(即 A向),順河向為監(jiān)測次方向(即 B向)。本文選取廠房左岸邊坡進(jìn)行分析說明。

2 邊坡穩(wěn)定計算綜合分析

2.1 監(jiān)測成果整理及分析

瓦屋山水電站廠房左側(cè)邊坡為側(cè)向滑動邊坡,邊坡測斜孔(IN-P3孔)施工鉆孔及埋設(shè)工作開始于 2006年10月11日,一個月后投入觀測。分析選取的監(jiān)測時間段為 2006年11月～2008年4月,此時間段邊坡處于開挖支護(hù)后的蠕變期。通過統(tǒng)計分析,得到以下變形規(guī)律:

2.1.1 邊坡的空間變形規(guī)律

邊坡的變形總體上是向坡外變形。

從沿孔深累加位移曲線(圖 3)得到,沿孔深不同高程處均發(fā)生位移,位移呈底部較小中上部較大的規(guī)律。由圖 3可知,位移在孔深 30m和16.5m附近發(fā)生突變。結(jié)合地質(zhì)情況分析可知,在對應(yīng)高程 792.40m與 817.05m處分別有兩條粉砂質(zhì)泥巖夾層,變形發(fā)生在此軟弱結(jié)構(gòu)面附近,其對應(yīng)最大變形值為 1.54mm和 3.07mm。

2.1.2 邊坡的時間變形規(guī)律

孔口位移 -時間曲線(圖 2)顯示,該測斜孔的孔口位移值變形較小,最大孔口位移值為3.85mm。其中,在 07年8月中旬,受降雨影響,測值相比上月孔口位置值增大 1.24mm;08年1月受降雪影響,孔口位移值增大了 1.22mm;其后變形呈收斂趨勢,表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合分析監(jiān)測成果,可以判定目前該孔附近邊坡屬于表層變形,在開挖后及時支護(hù)措施跟進(jìn)下,邊坡未發(fā)生深部變形,并且淺表層變形處于收斂中,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖 2 IN-P3測斜孔“孔口位移 -時間曲線”

圖 3 IN-P3測斜孔主滑動方向沿孔深累加位移典型線

2.2 極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定

2.2.1 極限平衡法計算原理

極限平衡法計算簡圖如圖 4所示,根據(jù)極限平衡原理,通用的安全系數(shù)計算公式為:

式中,k為安全系數(shù);R為平行于結(jié)構(gòu)面方向的抗滑力,根據(jù) Mohr-Coulomb原理得出:

式中,L為結(jié)構(gòu)面長度;c為結(jié)構(gòu)面凝聚力;φ為結(jié)構(gòu)面摩擦角;N為潛在結(jié)構(gòu)面上的正壓力;T為潛在結(jié)構(gòu)面處的切向力。若只考慮重力和水壓力作用,則 N和 T分別由下式確定:

式中,N1為重力在結(jié)構(gòu)面上的法向分力,N1=Wcosα;T1為重力在結(jié)構(gòu)面上的切向分力,T1=Wsinα;W為滑塊重力,W=∑Aiγi;Ai為第i巖層總面積;γi為第 i巖層密度;α為結(jié)構(gòu)面傾角;Np為外荷載在結(jié)構(gòu)面上的法向分力,Np=-pxsinα+Pycosα;Tp為外荷載在結(jié)構(gòu)面上的切向分力,Tp=Pxcosα+Pysinα;Px為水平方向外荷載;Py為豎直方向外荷載。

圖 4 極限平衡法計算簡圖

若考慮地震力作用下得出:

式中,Ne為地震力在結(jié)構(gòu)面上的法向分力,Ne=Esinα;Te為地震力在結(jié)構(gòu)面上的切向分力,Te=Ecosα;E為水平地震作用力:

其中,Kh為水平地震系數(shù);C為地震作用綜合系數(shù);γE為抗震重要性系數(shù)。

2.2.2 計算參數(shù)及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的確定

瓦屋山水電站裝機(jī) 24萬 kW,根據(jù)《水利水電樞紐工程等級劃分設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,工程等級為Ⅲ級,且廠房離河床較遠(yuǎn),因此,計算中的廠房屬于 4級建筑物。

極限平衡法計算邊坡穩(wěn)定所需參數(shù)包括:容重 γ、凝聚力 c、內(nèi)摩擦角 φ,計算參數(shù)的取值見表1。

表 1 瓦屋山水電站廠房左岸邊坡巖體參數(shù)

2.2.3 計算荷載組合

滑坡變形的主要動力是滑體自重,同時有其他因素產(chǎn)生的附加力,如地表荷載、水作用力、地震力等。本工程邊坡由于不屬庫區(qū)邊坡,因此基本組合中不考慮岸坡外水壓力作用。本地區(qū)地震設(shè)計烈度為Ⅶ度,按照《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》DL5073-2000應(yīng)計入水平向地震作用。水平向設(shè)計地震加速度代表值 ah=0.1g,地震作用的效應(yīng)折減系數(shù) ξ=0.25。

故水平地震系數(shù)為:

抗震重要性系數(shù)取 1.10。

本文按下列兩種設(shè)計工況進(jìn)行邊坡穩(wěn)定驗算,即:①永久設(shè)計工況:主要為邊坡正常運(yùn)用工況,此時應(yīng)采用基本組合;②偶然設(shè)計工況:主要為遭遇地震、水庫緊急放空等情況,此時應(yīng)采用偶然組合。

2.2.4 計算分析

本文考慮了邊坡在兩種工況下的整體穩(wěn)定計算,結(jié)果如表 2所示。

表 2 廠房左側(cè)邊坡穩(wěn)定計算安全系數(shù)

3 結(jié)論

由《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T5353-2006)可知,瓦屋山廠房左側(cè)邊坡屬Ⅲ級邊坡,計算安全系數(shù)取值為:永久設(shè)計工況,≥1.15～1.05;偶然設(shè)計狀況,≥1.00。計算結(jié)果表明,該邊坡的安全系數(shù)已達(dá)到規(guī)范的要求,綜合監(jiān)測成果分析,可以判斷出該邊坡為穩(wěn)定邊坡,可不采取錨索支護(hù),僅布置系統(tǒng)錨桿及噴混凝土支護(hù)。該結(jié)論與實際邊坡支護(hù)情況相符合。

〔1〕二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司.巖土工程安全監(jiān)測手冊[K].北京:中國水利水電出版社,1999.

〔2〕李 迪,楊智生,朱紅五.隔河巖電站廠房高邊坡監(jiān)測變形穩(wěn)定性分析[J].長江科學(xué)院院報,1994,11(3):64～71.

〔3〕劉立平,姜德義,鄭碩才等.邊坡穩(wěn)定性分析方法的最新進(jìn)展[J].重慶大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2000,23(3):115～118.

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