某水電站消能塘高邊坡支護方案及效應(yīng)分析

洪 琛

(遼寧省湯河水庫管理局，遼寧 遼陽 111000)

某水電站消能塘高邊坡支護方案及效應(yīng)分析

洪 琛

(遼寧省湯河水庫管理局，遼寧 遼陽 111000)

為了解錨固支護方案在層狀巖體高邊坡治理中的應(yīng)用效果，本文以某水電站消能塘高邊坡為例，對預(yù)應(yīng)力錨索和邊坡錨固支護方案進行了設(shè)計，并對錨固支護后的位移場、剪應(yīng)變和應(yīng)力場進行了分析和評價，為該水電站消能塘邊坡的安全運行提供保障，為類似高邊坡的治理提供借鑒。

層狀巖體；高邊坡；支護方案；效應(yīng)

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，我國也興建了一大批水利水電、交通、市政等基礎(chǔ)設(shè)施工程。在工程修建的過程中，常常會遇到邊坡變形等引起的滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害[1-2]。尤其是在水電站的建設(shè)過程中，由于水電站常處于山區(qū)，地層巖性、巖體節(jié)理以及裂隙褶皺、斷層等地質(zhì)構(gòu)造往往很復(fù)雜，邊坡受開挖等人為因素和降雨等自然因素共同影響，極易發(fā)生變形破壞，對工程的建設(shè)和安全運行造成嚴重的危害[3]。在國內(nèi)外都有水電站庫區(qū)及近壩區(qū)發(fā)生滑坡的實例，如意大利瓦依昂水庫滑坡，龍羊峽水電站右岸滑坡，隔河巖水電站導(dǎo)流洞巖體失穩(wěn)，五強溪水電站左岸巖坡失穩(wěn)等。因此，對邊坡的支護設(shè)計就成為了水電站安全建設(shè)和運行的關(guān)鍵所在。本文以某水電站消能塘高邊坡為例，對預(yù)應(yīng)力錨索和邊坡錨固支護方案進行了設(shè)計，并對錨固支護后的位移場、剪應(yīng)變和應(yīng)力場進行了分析和評價，為本水電站消能塘邊坡的安全運行提供保障，為類似高邊坡的治理提供借鑒。

1 工程概況及消能塘高邊坡工程地質(zhì)條件

某水電站位于遼寧省遼陽市，大壩為混凝土重力壩，壩長532 m，壩高50.3 m，水庫總庫容約為7.9億m3，灌溉面積11萬hm2，年發(fā)電量8000萬kW，是一座以防洪為主，兼具灌溉、供水、發(fā)電和旅游為一體的綜合水利樞紐。壩址區(qū)呈“U”型谷，寬450～800 m。壩址區(qū)地形地貌屬低山丘陵地貌單元，壩址區(qū)河流向自西向東，兩岸沖溝和階地發(fā)育，見圖1。壩址區(qū)及庫區(qū)出露的地層巖性有：中元古界變質(zhì)礫巖、石英片巖、石英巖等；古生界奧陶系石英巖、礫巖等；古生界志留系石英砂巖、石英巖等；古生界石炭系灰?guī)r、白云巖、砂巖等；中生界侏羅系礫巖、砂巖、頁巖等；中生界白堊系細砂巖、礫巖、泥巖等；新生界古近系泥巖、灰?guī)r夾泥巖等；第四系下更新統(tǒng)膠結(jié)、半膠結(jié)礫巖、砂礫巖等；第四系中更新統(tǒng)灰褐色礫石層及黃土狀亞砂土；第四系上更新統(tǒng)灰色礫石、灰黃色亞砂土；第四系全新統(tǒng)砂礫石和泥混合物。此外工程區(qū)還出露有中元古代早期花崗閃長巖、晚元古代早期片麻狀花崗巖和晚古生代中粗?；◢弾r。壩址區(qū)以斷裂和褶皺為主，方向為北北西向，局部呈北東向。庫區(qū)、壩址區(qū)及其下游主要物理地質(zhì)現(xiàn)象有泥石流、巖體風化卸荷、崩塌及巖溶。壩址區(qū)地下水類型主要是基巖裂隙水和第四系松散堆積層孔隙水，對混凝土無腐蝕性。壩址區(qū)地震動峰值加速度0.2 g，地震基本烈度為Ⅷ度。

圖1 消能塘高邊坡位置示意圖

2 邊坡支護設(shè)計及效應(yīng)分析

2.1 支護設(shè)計

根據(jù)消能塘高邊坡上布置的10個平硐所取得的地質(zhì)資料，該邊坡采用支護方法進行治理。針對邊坡開挖后可能發(fā)生的變形和破壞的特點，對該邊坡層狀巖體采用錨固支護，能提高巖體的整體性和穩(wěn)定性。首先應(yīng)確定錨索的結(jié)構(gòu)尺寸、材料、錨固類型、錨固力和預(yù)應(yīng)力的大小。錨索的間距應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、錨固力及錨索長度等確定。錨索應(yīng)采用不同長度和均勻布置，防止群錨效應(yīng)、浪費材料、避免內(nèi)錨段應(yīng)力集中及產(chǎn)生拉裂面，最小間距取2 m左右。錨固力應(yīng)根據(jù)下式進行計算：

(1)

(2)

(3)

各式中：Ta為允許錨固力；Tu為極限錨固力；Sf為安全系數(shù)；Tw為工作錨固力；Td為設(shè)計錨固力。

根據(jù)該高邊坡的地質(zhì)條件及上述公式計算的錨固力等因素，邊坡預(yù)應(yīng)力錨索的長度自下至上分別為：邊坡高度低于 80 m取60～70 m，邊坡高度在80～170 m之間取120～130 m，邊坡高度在170～225 m之間取200～210 m。錨索的方向為水平向下20°。錨索分布剖面如圖2所示。

圖2 消能塘高邊坡錨索分布剖面圖

2.2 支護效應(yīng)分析

采用數(shù)值模擬的方法對錨固后的高邊坡進行位移場、剪應(yīng)變和應(yīng)力場計算，分析支護效果及邊坡穩(wěn)定性等特征。

2.2.1 位移場

消能塘高邊坡錨固支護后的總位移數(shù)值模擬計算云圖如圖3所示。

圖3 消能塘高邊坡錨固支護后總位移云圖

由圖3可知：邊坡在錨固支護后蠕變區(qū)域減少比較明顯，且錨固區(qū)域范圍內(nèi)的位移很小，變形區(qū)域整體向坡內(nèi)擴展；最大位移為0.48 m，出現(xiàn)在邊坡頂部未錨固的地段，邊坡頂部位移向左，會發(fā)生拉裂破壞，在邊坡的底部坡腳處未錨固地段的最大位移稍小，為0.46 m，會向坡外擠出；這些部位蠕變最為明顯，而其他錨固區(qū)域位移量普遍較小，說明錨固支護對邊坡蠕變的限制作用十分顯著，對提高邊坡的穩(wěn)定性作用明顯。

2.2.2 剪應(yīng)變

消能塘高邊坡錨固支護后的剪應(yīng)變數(shù)值模擬計算云圖如圖4所示。

圖4 消能塘高邊坡錨固支護后剪應(yīng)變云圖

由圖4可知：邊坡在錨固支護后其中上部未出現(xiàn)拉裂破壞，巖層彎曲處未出現(xiàn)蠕變，錨固區(qū)域和邊坡內(nèi)部剪應(yīng)變基本無變化，說明其未發(fā)生蠕變；在邊坡的底部坡腳處以及高度210 m臺階較寬的部位剪應(yīng)變較為集中，說明這些部位發(fā)生了少量的蠕變；坡腳處的蠕變未向邊坡中上部擴展，說明錨固支護后邊坡不會產(chǎn)生潛在滑移面，錨索對邊坡蠕變的限制作用明顯，提高邊坡的整體穩(wěn)定性。

2.2.3 應(yīng)力場

消能塘高邊坡錨固支護后的最大剪應(yīng)力數(shù)值模擬計算云圖如圖5所示，消能塘高邊坡錨固支護后的主應(yīng)力數(shù)值模擬計算云圖如圖6所示。

圖5 消能塘高邊坡錨固支護后最大剪應(yīng)力云圖

圖6 消能塘高邊坡錨固支護后主應(yīng)力云圖

由圖5、圖6可知：邊坡下部及內(nèi)部未錨固區(qū)域有剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，但出現(xiàn)的部位較少，錨固區(qū)域剪應(yīng)力變化不大，基本未發(fā)生蠕變，剪應(yīng)力集中部位向邊坡內(nèi)部擴展并逐漸減小，說明邊坡內(nèi)部未錨固區(qū)域會產(chǎn)生較小的蠕變；錨固后主應(yīng)力集中區(qū)域向邊坡內(nèi)部擴展并逐漸減小，淺表部的應(yīng)力集中現(xiàn)象已得到有效控制，在一定程度上降低了邊坡的變形，錨索是不連續(xù)的層狀巖體邊坡形成相對連續(xù)的整體，加強了巖體的連續(xù)性，使其不易發(fā)生蠕變和變形破壞，提高邊坡的整體穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

通過對某水電站消能塘高邊坡錨固后數(shù)值模擬計算分析，得出了以下結(jié)果：錨固區(qū)域范圍內(nèi)的位移很小，變形區(qū)域整體向坡內(nèi)擴展，最大位移出現(xiàn)在邊坡頂部和底部坡腳處的未錨固地段；錨固支護后邊坡中上部未出現(xiàn)拉裂破壞，巖層彎曲處未出現(xiàn)蠕變，錨固區(qū)域和邊坡內(nèi)部剪應(yīng)變基本無變化，在邊坡的底部坡腳處以及高度210 m臺階較寬的部位剪應(yīng)變較為集中，發(fā)生了少量的蠕變，坡腳處的蠕變未向邊坡中上部擴展；邊坡下部及內(nèi)部未錨固區(qū)域有剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，但出現(xiàn)的部位較少，錨固區(qū)域剪應(yīng)力變化不大，剪應(yīng)力集中部位和錨固后主應(yīng)力集中區(qū)域均向邊坡內(nèi)部擴展并逐漸減小，淺表部的應(yīng)力集中現(xiàn)象已得到有效控制，在一定程度上降低了邊坡的變形，錨索是不連續(xù)的層狀巖體邊坡形成相對連續(xù)的整體，加強了巖體的連續(xù)性，提高邊坡的整體穩(wěn)定性。

[1] 楊逾,郭銳. 多臺階巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析及加固效應(yīng)[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2016, 35(6):607-612.

[2] 劉建,喬麗蘋,李蒲建,等. 拉西瓦水電工程高應(yīng)力壩基邊坡開挖擾動及錨固效應(yīng)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008,27(6):1094-1103.

[3] 張正虎,鄧建輝,魏進兵,等. 長河壩水電站高邊坡開挖擾動及支護效應(yīng)研究[J]. 人民黃河,2014, 36(9):120-123,126.

Support Scheme and effect analysis of high slope support for energy dissipation pond in a hydropower station

HONG Chen

(TheAdministrationoftheTangheReservoirinLiaoningProvince，Liaoyang111000，China)Abstract：In order to research the effect of bolting scheme in high slope treatment in layered rock, we took a high slope of a hydropower station stilling for an example, and designed the prestressed supporting schemes.For analysis and evaluation the displacement,shear strain and stress after support the slope,it could provide guarantee to ensure the safety operation for the energy dissipation pond in a Hydropower Station,and provided a reference for similar treatment of high slope.

layered rock mass; high slope; support scheme; effect

洪 琛(1984-)，女，工程師，主要從事水利水電工程管理和研究工作。

TV223;TV653+.1

A

2096-0506(2016)12-0050-03