老撾南歐江五級水電站樞紐區(qū)邊坡設(shè)計

李雙寶，魯　宏，馬　俊

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明650051)

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老撾南歐江五級水電站樞紐區(qū)邊坡設(shè)計

李雙寶，魯宏，馬俊

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明650051)

老撾南歐江五級水電站邊坡高，地質(zhì)條件復雜，邊坡穩(wěn)定性較差。通過對原始邊坡反演分析，確定了合適的巖體物理力學參數(shù)。根據(jù)邊坡失穩(wěn)模式采用多種方法進行邊坡穩(wěn)定分析，提出了較為經(jīng)濟合理的邊坡處理措施，最大限度地節(jié)約了工程投資，也保證了工程的順利推進。

邊坡穩(wěn)定；反演分析；加固；南歐江五級水電站；老撾

1　工程概況

南歐江五級水電站位于老撾豐沙里省，是南歐江流域規(guī)劃中的第5個梯級，為二等大(2)型工程。該電站開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，電站裝機容量240 MW，多年平均發(fā)電量9.77×108kW·h。樞紐區(qū)建筑物主要由碾壓混凝土重力壩、壩身進水口及壩后式廠房、壩身溢洪道及消力池、沖沙底孔及泄槽、下游護岸工程等組成。工程的擋水及泄洪建筑物按500年一遇洪水設(shè)計，2000年一遇洪水校核；發(fā)電建筑物按100年一遇洪水設(shè)計，500年一遇洪水校核；消能防沖建筑物按50年一遇洪水設(shè)計。

工程施工采用分期導流，左岸I期束窄河床過流、右岸Ⅱ期底孔+壩體缺口過流，兩期兩基坑均采用全年混凝土縱向圍堰、上下游土石橫向圍堰。本工程施工總工期為48個月，計劃2012年9月主體工程開工，2013年12月上旬截流，2015年12月底首臺機組發(fā)電，2016年10月底機組全部投產(chǎn)。

2　設(shè)計基本資料

2.1基本地質(zhì)條件

樞紐工程區(qū)出露的地層主要為石炭系下統(tǒng)(C1)和第四系(Q4)地層[1]。石炭系下統(tǒng)巖性主要為灰黑色鈣質(zhì)、砂質(zhì)板巖，為軟巖～中硬巖。第四系分為沖積層和坡積層。其中，沖積層為砂卵礫石夾粉砂、粉砂質(zhì)粘土，分布于河床和右岸階地部位；坡積層為塊石、碎石質(zhì)粉土，分布于兩岸山坡。

工程建筑物基礎(chǔ)及邊坡開挖均集中在樞紐區(qū)，主要包括左岸壩肩、壩基邊坡，右岸壩肩、壩基邊坡，右岸消力池邊坡等。右岸壩肩、壩基邊坡最大坡高約160 m，其中壩頂以上部分約85 m。邊坡地層由表及里依次為第四系覆蓋層厚6～10 m；全風化巖體厚5～9 m；強風化巖體底界垂直埋深20～30 m；弱風化巖體底界垂直埋深40～56 m。地下水位埋深30～55 m。左岸壩肩、壩基邊坡最大坡高約115 m，其中壩頂以上部分約40 m。邊坡地層由表及里依次為第四系覆蓋層厚1～5 m；全風化巖體厚2～5 m；強風化巖體底界垂直埋深一般10～20 m；弱風化巖體底界垂直埋深一般25～40。地下水位埋深20～40 m。消力池邊坡位于右岸壩基邊坡下游，地形平緩，最大坡高約70 m，其中消力池邊墻以上高度約30 m，邊坡地層由表及里依次為第四系覆蓋層厚9～18 m；覆蓋層以下為弱風化巖體，局部為強風化巖體，強風化巖體厚度較小，弱風化底界垂直埋深26～32 m。

左、右岸及消力池邊坡等部位覆蓋層和全、強風化巖體為散體結(jié)構(gòu)及碎裂結(jié)構(gòu)，邊坡穩(wěn)定條件差；弱風化巖質(zhì)邊坡為薄層狀～中厚層狀結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)較大構(gòu)造帶分布，結(jié)構(gòu)面以板理及擠壓帶為主，邊坡穩(wěn)定條件總體較好。

2.2邊坡安全控制標準

根據(jù)規(guī)范[2]，本工程邊坡屬A類樞紐工程區(qū)邊坡，影響2、3級建筑物，判斷為II級邊坡。右岸壩肩壩基、左岸壩肩壩基、消力池邊坡等均為重要部位，取安全控制標準高值。設(shè)計采用安全控制標準見表1。

表1樞紐區(qū)邊坡工程設(shè)計安全標準

樞紐區(qū)邊坡開挖部位建筑物級別邊坡設(shè)計安全級別設(shè)計安全標準持久工況短暫狀況(暴雨/霧化)偶然狀況(地震)左、右岸壩肩及消力池邊坡2II1.251.151.05

2.3邊坡巖體力學參數(shù)

邊坡穩(wěn)定計算采用的物理力學參數(shù)分巖體類型取值。左、右岸邊坡各部位巖體物理力學參數(shù)取值見表2、3。

表2左岸邊坡主要物理力學參數(shù)

巖體類型天然容重/kN·m-3飽和容重/kN·m-3抗剪斷指標?/(°)c'/MPa第四系崩坡積層17.918.60.3250.04基巖全風化19.519.50.400.05強風化21.521.50.550.15弱風化26.626.60.80.5微～新風化26.926.90.950.85

3　邊坡穩(wěn)定分析

3.1邊坡失穩(wěn)模式判斷

左、右岸邊坡中上部均由覆蓋層及強風化巖體構(gòu)成，巖體為散體～碎裂結(jié)構(gòu)，極易產(chǎn)生沿接觸面的塌滑；弱風化巖體板理明顯，巖體呈薄層狀結(jié)構(gòu)，無大的構(gòu)造帶分布和較大不利結(jié)構(gòu)面，可產(chǎn)生小規(guī)模的零星掉塊或崩塌破壞，但邊坡整體穩(wěn)定條件較好。因此，左、右岸邊坡主要變形失穩(wěn)模式為沿接觸面(主要是強、弱風化界線)的塌滑或圓弧型滑移失穩(wěn)破壞。

表3右岸邊坡主要物理力學參數(shù)

巖體類型天然容重/kN·m-3飽和容重/kN·m-3抗剪斷指標?/(°)c'/MPa第四系崩坡積層17.918.60.3250.04基巖全風化18.219.50.4250.05強風化20.521.50.5750.1弱風化26.226.60.80.5微～新風化26.526.90.950.85

3.2邊坡穩(wěn)定分析方法

首先對天然狀態(tài)邊坡進行反演分析，進一步分析確定各地層物理力學參數(shù)的合理性；再對開挖后邊坡進行計算分析。邊坡穩(wěn)定分析中，主要考慮的荷載可分為基本荷載、特殊荷載。

(1)基本荷載。包括巖體自重、孔隙水壓力和作用在邊坡表面的外荷載。①巖土體自重。當邊坡巖體無外水作用時，在邊坡內(nèi)部浸潤線以上的巖土體采用天然容重計算自重，浸潤線以下的巖體采用飽和容重計算自重。② 孔隙水壓力[3]。正常和地震工況下，取1/5滑塊高度，取值大于2.0 m時按2 m取。③作用在邊坡表面的外荷載。包括抗滑支擋結(jié)構(gòu)對邊坡提供的阻滑力(錨固力)、荷載壓重等。

(2)特殊荷載。包括地震荷載、水庫水位驟降或強降雨后邊坡孔隙水壓力的增大等。①地震荷載。采用擬靜力法計算地震慣性力，輸入的基巖水平向地震加速度ah為0.12g，地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)取0.25，不考慮豎向地震作用效應(yīng)[4]。②暴雨及庫水驟降對孔隙水壓力的影響。對于全、強風化及坡積層滑面，因潛在滑面均搜索收斂于巖層接觸面，故巖層分界面上的短時間滯留孔隙水對滑面安全影響較大。考慮瞬時集中暴雨滯留滲漏效應(yīng)，地下水取1/4滑塊高度，取值大于5.0 m時按5 m取。

選取右岸1- 1剖面、2- 2剖面和左岸3- 3剖面、4- 4剖面等4個典型剖面進行計算。根據(jù)規(guī)范[5]要求，分別對正常運行工況(持久工況)、正常運行地震工況(偶然工況)進行計算。

3.3計算成果

3.3.1參數(shù)反演成果

采用中國水利水電科學研究院陳祖煜院士編制的巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定分析程序EMU(EMU能量法)進行分析。首先對天然狀態(tài)下右岸天然坡進行計算，以此對邊坡巖體物理力學參數(shù)進行校驗。各工況安全系數(shù)計算結(jié)果見表4。從表4可知，天然狀態(tài)下各工況安全系數(shù)均大于1.0，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和歷史觀測記錄，工程區(qū)右岸天然岸坡并無滑移崩塌變形記載，可以判斷右岸壩肩天然邊坡屬于穩(wěn)定狀態(tài)，計算結(jié)果與實際情況相符。因此，采用的巖體物理力學參數(shù)是合理的。

表4右岸壩肩自然邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

潛在滑面正常運行工況暴雨工況地震工況備 注11.2581.1391.142坡積層底界21.2291.1081.120強風化底界31.2431.1241.131強風化底界41.3421.1631.227強風化底界

3.3.2EMU能量法計算成果

安全系數(shù)控制標準：持久狀況1.25；暴雨工況1.15；地震工況1.05。對1- 1剖面～4- 4剖面開挖后坡面進行穩(wěn)定計算分析。計算結(jié)果見表5。從表5可知，1- 1剖面沿全風化底界、強風化底界的穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，需要進行主動加固。施加加固力后(潛在滑面2加固力為500 kN/m，潛在滑面3加固力為1 000 kN/m)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。2- 2剖面、3- 3剖面和4- 4剖面各滑面穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表5安全系數(shù)計算成果

剖面編號潛在滑面正常運行工況暴雨工況地震工況1-11(不加固)2.1682.1812.0112(不加固)1.1981.1811.1033(不加固)1.2371.2371.1412(加固)1.2561.2391.1543(加固)1.2791.2791.1772-21(不加固)1.4061.2951.2422(不加固)1.7991.6531.6083(不加固)3.3193.0873.0653-31(不加固)4.8534.8064.5582(不加固)2.6042.5732.4533(不加固)3.5493.4553.3544(不加固)2.9062.8342.7394-41(不加固)2.7322.7072.5252(不加固)2.1112.0881.9683(不加固)2.5312.4762.3744(不加固)3.2653.1813.076

3.3.3其他方法計算成果

根據(jù)規(guī)范要求，除采用EMU法進行邊坡穩(wěn)定分析外，還應(yīng)采用其他解法進行復核對比。本文采用摩根斯頓法下限解法(M-P法)[6]，對1- 1剖面和3- 3剖面采用相同的潛在固定滑裂面、物理力學參數(shù)、外荷載、取同種工況進行復核計算。計算結(jié)果見表6。從表6可知，各種工況下，M-P法的計算結(jié)果較EMU計算結(jié)果總體呈現(xiàn)略小的趨勢，安全系數(shù)均能夠滿足安全控制標準下限值的要求。采用Bishop法、Spencer法的計算結(jié)果也能得到相同的結(jié)論。因EMU能量法屬上限解法，故本工程邊坡安全控制標準采用規(guī)范上限值是合理的，根據(jù)上限解法搭配上限值控制標準制定邊坡加固處理措施是經(jīng)濟可行的。

表6安全系數(shù)計算成果

剖面編號潛在滑面正常運行工況暴雨工況地震工況1-12(不加固)1.1411.1061.0273(不加固)1.2351.2031.1302(加固)1.1951.1581.0893(加固)1.2681.2371.1463-32(不加固)2.3682.3352.3253(不加固)3.4653.4143.3674(不加固)2.5472.4782.334

3.3.4計算結(jié)果分析

右岸地質(zhì)條件較差，全、強風化層較厚，弱風化埋深較大，邊坡開挖后出露基本為全、強風化巖層，穩(wěn)定計算安全系數(shù)雖均大于1.0，但沿全風化和強風化底界的滑動安全系數(shù)不滿足安全控制標準，需設(shè)置主動加固處理措施。

左岸地質(zhì)條件較右岸稍好，全、強風化層及弱風化埋深均較右岸淺。計算表明，各種工況下各滑面安全系數(shù)滿足安全標準控制要求。由于強、弱風化巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，順坡向節(jié)理較為普遍，工程施工過程中時有局部坍塌。因此，為確保邊坡穩(wěn)定和施工安全，需要做好坡面防護。

消力池邊坡由于原始坡度較緩，開挖后各種工況下滑面安全系數(shù)均遠高于規(guī)范控制標準。因此，消力池邊坡僅需常規(guī)坡面防護和噴錨支護即可。

4　邊坡綜合治理措施

4.1開挖支護原則

為盡可能做到技術(shù)可行，經(jīng)濟合理，經(jīng)多方案研究比選，最終確定右岸邊坡開挖原則為緩挖方案，即弱風化巖體開挖坡比1∶0.1～1∶0.3，強風化巖體1∶0.6～1∶0.75，全風化、覆蓋層1∶1.1～1∶1.2；左岸邊坡開挖原則為陡挖方案，即弱風化巖體開挖坡比1∶0.1～1∶0.3，強風化巖體1∶0.45～1∶0.6，全風化、覆蓋層1∶0.7。邊坡開挖每20～25 m設(shè)1條寬3.0 m的馬道。

邊坡支護常規(guī)措施為：全風化體、坡積層采用鋼筋混凝土網(wǎng)格梁進行坡面防護；強風化巖體采用常規(guī)噴錨支護，視需要掛網(wǎng)；弱風化及微新巖體采用常規(guī)噴錨支護；主動加固措施則根據(jù)計算確定。

4.2主動加固

主動加固布置方案為在445、460 m和480 m高程馬道以上每臺坡面布置1 000 kN級預(yù)應(yīng)力錨索2排，間排距為6 m×6 m，錨索深度進入弱風化巖層不小于6.0 m。根據(jù)以上布置計算，以全風化底界為滑動面的潛在滑面2有3排錨索加固，單寬加固力500 kN/m；以強風化底界為滑動面的潛在滑面3有6排錨索加固，單寬加固力1 000 kN/m。經(jīng)上述措施加固后，各工況所有滑面安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求，加固布置方案合理可行。

左岸邊坡總體雖是穩(wěn)定的，但由于邊坡開挖較陡，順坡向不利結(jié)構(gòu)面極為發(fā)育，開挖過程中曾出現(xiàn)多次局部垮塌。為保證施工安全，采用鋼筋混凝土板+預(yù)應(yīng)力錨索進行處理。

消力池邊坡在開挖過程中曾發(fā)生較大范圍的變形、開裂，其原因是全、強風化底界較陡，具有阻滑作用的下部巖體開挖后產(chǎn)生的。采取上部削坡、下部采用小擋墻處理后，邊坡運行正常。

4.3截排水設(shè)計

為降低邊坡地下水位，減少滲水壓力，改善邊坡穩(wěn)定條件，采用截、排地表水措施，具體為：①為減少地表水匯入坡面后下滲，在坡面開口線外一定范圍內(nèi)設(shè)置坡頂截水溝，截水溝接入水平排水系統(tǒng)。②在開挖坡面布置系統(tǒng)排水孔(或反濾式排水盲管)，在馬道內(nèi)側(cè)設(shè)置地面排水溝，地下滲流和地表徑流一并經(jīng)馬道排水溝排走。③馬道采用混凝土封閉保護，防止雨水下滲。

4.4安全監(jiān)測

右岸邊坡共設(shè)置10個表面變形觀測點，2個測斜孔和1個多點位移計，6個監(jiān)測錨索測力計；左岸邊坡共設(shè)置9個表面變形觀測點，2個多點位移計，5個監(jiān)測錨索測力計。截至目前，安全監(jiān)測成果表明，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，與計算成果相吻合。

5　結(jié)　語

對老撾南歐江五級水電站樞紐區(qū)各主要邊坡經(jīng)反演分析確定合理的物理力學參數(shù)后，采用多種方法進行穩(wěn)定計算分析。根據(jù)計算成果和工程實踐經(jīng)驗，在采取合理的開挖、常規(guī)支護和主動加固方案，并輔以坡面防護、截排水以及安全監(jiān)測等綜合處理措施后，保證了邊坡在施工期和運行期的穩(wěn)定安全。

[1]李雙寶， 魯宏， 喻建清， 等. 老撾南歐江五級水電站可行性研究報告[R]. 昆明： 中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司， 2012.

[2]DL 5180—2003水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標準[S]．

[3]DL/T 5353—2006水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范[S]．

[4]DL 5073—2000水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S]．

[5]DL 5077—1997水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范[S]．

[6]陳祖煜. 土力學經(jīng)典問題的極限分析上、 下限解[R]. 北京： 中國水利水電科學研究院巖土工程研究所， 2002．

(責任編輯楊健)

Slope Treatment Design for Nam Ou 5 Hydropower Station in Laos

LI Shuangbao, LU Hong, MA Jun

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China)

The bank slopes of Nam Ou 5 Hydropower Station in Laos are high, the geological conditions are complex and the stability of slopes is poor. The reasonable physical mechanical parameters of rock mass are determined through the inversion analysis on original slopes. According to slope instability model, the slope stability analyses are also carried out by using a variety of methods. Reasonable and economic slope treatment measures are finally put forward, which can not only maximize the saving of investment, but also ensure the smooth progress of project construction．

slope stability; inversion analysis; reinforcement; Nam Ou 5 Hydropower Station; Laos

2016- 03- 08

李雙寶(1976—)，男，云南建水人，教授級高工，主要從事水電站水工設(shè)計工作．

TU457

A

0559- 9342(2016)05- 0053- 04