牙根二級(jí)水電站1#松動(dòng)拉裂體治理方案研究

商開衛(wèi)， 馬 耀

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072)

1 工程概述

牙根二級(jí)水電站位于四川省甘孜藏族自治州雅江縣境內(nèi)，為雅礱江兩河口～卡拉河段梯級(jí)開發(fā)的第三級(jí)。水庫正常蓄水位高程2560m，大壩為混凝土重力壩，最大壩高130m，設(shè)計(jì)水頭77 m，引用流量1465m3/s，總裝機(jī)容量為990MW，多年平均年發(fā)電量為45．09億kW·h。

牙根二級(jí)水電站壩前右岸存在的1#松動(dòng)拉裂體距大壩軸線約870m(松動(dòng)拉裂體與壩軸線的位置關(guān)系見圖1)，沿河流方向延伸約710m，方量約800萬m3，分布在高程2460～2710m之間，其地表后緣高程自上游至下游呈弧形變化。該松動(dòng)拉裂體呈現(xiàn)出顯著的強(qiáng)卸荷特征，巖體內(nèi)各方向結(jié)構(gòu)面均松弛張開，不僅順河向中、緩傾角結(jié)構(gòu)面普遍松動(dòng)拉裂，而且橫河向結(jié)構(gòu)面也明顯松動(dòng)拉裂;巖體內(nèi)可見新生呈鋸齒狀或不規(guī)則狀拉裂撕裂現(xiàn)象。

圖1 1#松動(dòng)拉裂體與壩軸線相對(duì)位置關(guān)系圖

由于1#松動(dòng)拉裂體距離壩軸線較近，體型巨大且安全裕度不大，若該松動(dòng)拉裂體發(fā)生失穩(wěn)破壞，將會(huì)對(duì)大壩的正常運(yùn)行產(chǎn)生重大影響，因此，必須采取系統(tǒng)的邊坡加固措施來保證該拉裂體的穩(wěn)定。

近年來，混凝土置換洞在很多大型邊坡治理工程中被多次采用，如錦屏I級(jí)、大崗山等水電站的壩肩邊坡均采用這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理并取得了良好的治理效果。由于1#松動(dòng)拉裂體為強(qiáng)卸荷巖體、埋藏較深且體型巨大，單純采用削坡減載或錨索支護(hù)的邊坡處理措施既不經(jīng)濟(jì)，也給現(xiàn)場的施工增加了難度。通過借鑒混凝土置換洞在上述工程中取得的成功經(jīng)驗(yàn)，筆者借助三維剛體極限平衡方法，詳細(xì)對(duì)比了混凝土置換洞、削坡減載、錨索支護(hù)三種不同治理措施對(duì)該松動(dòng)拉裂體的治理效果，最終研究出一套以混凝土置換洞為主，以削坡減載和錨索支護(hù)為輔的綜合治理措施。該方案既減少了工程投資，又降低了邊坡治理的施工難度。

2 天然邊坡的穩(wěn)定性分析

圖2 1#松動(dòng)拉裂體在邊坡上的位置示意圖

筆者采用三維邊坡穩(wěn)定分析可視化軟件Slope3D［1］，并采用 Spencer方法分析了 1#松動(dòng)拉裂體天然邊坡的穩(wěn)定性。1#松動(dòng)拉裂體的空間位置和滑裂面的空間展布圖形見圖2、3。其計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果見表1、2。

圖3 1#松動(dòng)拉裂體滑裂面構(gòu)成示意圖

表1 計(jì)算參數(shù)表

表2 1#松動(dòng)拉裂體安全系數(shù)表

表2的計(jì)算成果表明:蓄水后，1#松動(dòng)拉裂體的安全系數(shù)均低于規(guī)范所允許的最小安全系數(shù)，因此，為了保證電站的安全運(yùn)行，需對(duì)松動(dòng)拉裂體采取必要的治理措施。

3 治理措施的擬定

為驗(yàn)證混凝土置換洞、削坡減載、錨索支護(hù)三種加固方式對(duì)1#松動(dòng)拉裂體的加固效果，以便為加固處理方案的比選提供依據(jù)，擬定了以下四種方案:

方案一:混凝土置換洞+預(yù)應(yīng)力錨索加固措施方案二:混凝土置換洞+削坡減載加固措施方案三:預(yù)應(yīng)力錨索+削坡減載加固措施

方案四:混凝土置換洞+預(yù)應(yīng)力錨索+削坡減載加固措施。

該方案的典型剖面見圖4，混凝土置換洞加固立視圖見圖5。

基于以上四種方案，松動(dòng)拉裂體在各種計(jì)算工況下的邊坡安全系數(shù)見表3。

圖4 典型剖面圖

圖5 混凝土置換洞立視圖

表3 1#松動(dòng)拉裂體安全系數(shù)表

計(jì)算結(jié)果表明:采用方案三，松動(dòng)拉裂體在蓄水狀況下的持久工況、地震工況安全系數(shù)均低于規(guī)范所允許的最小安全系數(shù)，說明僅采用錨索加固和削坡減載的處理方式不能保證松動(dòng)拉裂體在電站正常運(yùn)行期的安全需要。

此外，通過比較方案一、方案二、方案三與方案四的加固效果可以得出:采取削坡減載的方案，松動(dòng)拉裂體的安全系數(shù)提高約0．17;采取錨索支護(hù)的方案，其安全系數(shù)提高約0．03;采取混凝土置換洞的方案，其安全系數(shù)提高0．78。說明采用混凝土置換洞的加固效果最好，采用削坡減載和錨索支護(hù)的加固措施對(duì)該松動(dòng)拉裂體的加固效果則相對(duì)較差。

4 最終治理措施的確定

對(duì)比四種初擬治理措施的加固效果，采用方案四的加固效果最好，但其安全系數(shù)裕度較大。為降低工程投資，在保證邊坡安全系數(shù)滿足規(guī)范要求的前提下，在方案四的基礎(chǔ)上確定了該松動(dòng)拉裂體最終的治理方案，方案的制定堅(jiān)持以下原則:

(1)深層加固采用混凝土置換洞的加固方案，以保證拉裂體的整體穩(wěn)定。

(2)淺表層加固采用削坡減載和錨索支護(hù)的加固方案，以保證拉裂體的局部穩(wěn)定。

(3)對(duì)混凝土置換洞的位置和長度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

(4)盡量減少對(duì)松動(dòng)拉裂體的石方開挖，以清除表面覆蓋層為主。

(5)對(duì)錨索的長度以及噸位進(jìn)行了調(diào)整，使錨索在施工可行的條件下全部穿過滑帶，以充分發(fā)揮錨索的加固作用。

最終確定的治理方案的典型剖面見圖6，混凝土置換洞加固立視圖見圖7。采用該方案松動(dòng)拉裂體的安全系數(shù)見表4。

圖6 最終治理方案典型剖面圖

表4 1#松動(dòng)拉裂體穩(wěn)定性系數(shù)表

圖7 最終治理方案混凝土置換洞立視圖

計(jì)算結(jié)果表明:相對(duì)于治理前天然邊坡的穩(wěn)定性，采取該治理方案后，拉裂體的穩(wěn)定性系數(shù)有明顯地提高，在天然狀況下，正常工況和地震工況提高約0．38，暴雨工況提高約0．34;在蓄水狀況下，拉裂體的穩(wěn)定性系數(shù)提高約0．27。相比于初擬的方案四，采用該治理方案，松動(dòng)體的安全系數(shù)裕度明顯降低，但在各計(jì)算工況下，其安全系數(shù)均能滿足施工期和運(yùn)行期的穩(wěn)定性要求。

相比于方案四，該治理方案的土石方開挖量顯著減少，其中土石方明挖量減少48%(石方明挖量減少90%);由于對(duì)混凝土置換洞的位置和長度進(jìn)行了調(diào)整，取消了高高程的混凝土置換洞，從而使得洞室的石方開挖量減少26%。

5 結(jié)語

1#松動(dòng)拉裂體“高陡低緩”的走勢賦予了混凝土置換洞在該拉裂體治理過程中的顯著優(yōu)勢。以混凝土置換洞、削坡加載和錨索支護(hù)的聯(lián)合治理措施可以有效地提高拉裂體深層和淺表層的抗滑穩(wěn)定性。同時(shí)，在滿足規(guī)范允許的范圍內(nèi)，對(duì)加固方案進(jìn)行了必要的優(yōu)化，可以顯著降低工程的投資。另外，采用該綜合治理方案，可以大量減少削坡工程量，降低人工開挖邊坡可能帶來的附加穩(wěn)定性問題，為施工布置提供了有利條件。

［1］ 姜清輝，王笑海，豐定祥，馮樹仁．三維邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析系統(tǒng)軟件SLOPE3D的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(7):1021-1025．

［2］ 水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范，DL/T5353-2006［S］．