立洲水電站調(diào)壓井深厚覆蓋層邊坡治理設(shè)計

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(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽，550081)

立洲水電站調(diào)壓井深厚覆蓋層邊坡治理設(shè)計

韓純杰，賀雙喜，趙繼勇

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽，550081)

立洲水電站位于四川省涼山彝族自治州木里藏族自治縣境內(nèi)，電站采用混合式開發(fā)，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，電站裝機(jī)容量355MW，樞紐工程由碾壓混凝土雙曲拱壩、右岸地下長引水隧洞及右岸地面發(fā)電廠房組成，引水隧洞長16.7km，調(diào)壓井高138.50m，內(nèi)徑21m，頂部開挖直徑達(dá)到27.4m。由于地形地質(zhì)條件及廠房位置制約，調(diào)壓井位于廠房西側(cè)山脊上，南側(cè)為龔家溝，北東及東側(cè)為木里河，地形均自然坡度25°～40°，地質(zhì)勘查顯示，調(diào)壓井邊坡覆蓋層較厚，最大厚度達(dá)20m～38m，且組成物質(zhì)復(fù)雜。施工階段從開挖支護(hù)方案、邊坡穩(wěn)定計算分析、施工布置、征地范圍、環(huán)境保護(hù)及水土保持、工程不可遇見因素等方面綜合比較，采取“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”治理方案，開挖坡比達(dá)1∶0.75，邊坡開挖高度由130m降至55m，極大程度的減少了調(diào)壓井邊坡開挖和處理范圍，保證了調(diào)壓井邊坡穩(wěn)定，確保了后期調(diào)壓井井筒施工安全，可為類似深厚覆蓋層調(diào)壓井邊坡處理提供參考。

深厚覆蓋層 邊坡治理設(shè)計 調(diào)壓井 立洲水電站

1 工程概況

立洲水電站系木里河干流水電規(guī)劃“一庫六級”的第六個梯級。水庫正常蓄水位2088.0m，死水位2068.00m，校核洪水位2090.38m，具有不完全年調(diào)節(jié)性能；最大壩高132.0m，電站裝機(jī)容量355MW，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主。

立洲水電站引水隧洞長16.7km，調(diào)壓井布置在引水隧洞末端，位于廠房西側(cè)山脊上，南側(cè)為龔家溝，北東及東側(cè)為木里河；調(diào)壓井區(qū)覆蓋層分布較廣，靠龔家溝一帶偶見基巖露頭。覆蓋層為殘坡積(Qedl)碎石土，厚度20m～38m。下伏基巖為三疊系上統(tǒng)曲嘎寺組(T3q)薄層、極薄層板巖、砂質(zhì)板巖夾砂巖。

由于立洲電站引水發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模較大，調(diào)壓井施工處于施工關(guān)鍵線路上，調(diào)壓井邊坡開挖支護(hù)設(shè)計屬于調(diào)壓井的重要組成部分，因此有必要深入研究其治理措施，選擇安全可靠的設(shè)計方案。

2 基本資料

2.1 邊坡分級和設(shè)計安全系數(shù)

結(jié)合立洲水電站主要建筑物級別劃分情況，調(diào)壓井邊坡按照2級樞紐工程區(qū)邊坡進(jìn)行設(shè)計，各工況控制安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：持久工況(天然)安全系數(shù)K=1.20，短暫工況(暴雨)安全系數(shù)K=1.10，偶然工況(地震)安全系數(shù)K=1.05。

2.2 物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)前期地質(zhì)勘查資料和開挖揭露地質(zhì)情況，調(diào)壓井邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

表1 調(diào)壓井邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)建議值

3 邊坡治理方案設(shè)計

結(jié)合調(diào)壓井邊坡位置和地形地質(zhì)條件，初步擬定“強(qiáng)卸載+弱支護(hù)”治理和“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”治理兩個方案并進(jìn)行比較。通過開挖支護(hù)設(shè)計、邊坡穩(wěn)定分析、施工條件、征地范圍、環(huán)境保護(hù)等方面綜合對比，選擇較優(yōu)的治理方案。

3.1 “強(qiáng)卸載+弱支護(hù)”治理方案

從井筒頂高程2150m開挖至高程2170.0m，巖石開挖邊坡為1∶0.5，每隔15m設(shè)一級馬道；高程2170m開挖至高程2200m，開挖邊坡為1∶1；2200.0m以上覆蓋層采用1∶1.5開挖邊坡，每隔15m設(shè)一級馬道，開挖至地面線。開挖邊坡最高約130m。開挖邊坡支護(hù)措施：基巖邊坡采用噴錨支護(hù)措施，系統(tǒng)錨桿Φ25@3m×3m，L=6m，梅花型布置。覆蓋層邊坡采用混凝土框架護(hù)坡+6m錨桿+框格梁草皮支護(hù)。經(jīng)復(fù)核，邊坡穩(wěn)定計算成果見表2。

表2 邊坡計算成果

3.2 “弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”治理方案

首先確保施工期臨時穩(wěn)定情況下，盡量選擇較陡開挖坡比，經(jīng)過初步分析，開挖坡比采用1∶0.75，從井筒頂高程2155m起坡，在高程2170.00m、2190.00m設(shè)置3m寬馬道，開挖坡高約55m，開挖邊坡外5m處設(shè)置一道截水溝。邊坡主要采用抗滑樁、錨索、錨桿、混凝土貼坡進(jìn)行加固處理。邊坡穩(wěn)定計算成果見表3、表4。

表3 邊坡穩(wěn)定計算成果(開挖后未支護(hù))

表4 邊坡穩(wěn)定計算成果(開挖支護(hù)完成)

3.3 治理方案選擇

3.3.1 方案可行性和合理性分析

“強(qiáng)卸載+弱支護(hù)”方案和“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”方案邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，“強(qiáng)卸載+弱支護(hù)”方案開挖范圍較大，最大坡高超過130m，施工期和運(yùn)行期不可預(yù)見因素較多，“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”方案開挖范圍小，最大坡高55m，技術(shù)可行性和合理性較優(yōu)。

3.3.2 施工方面

“強(qiáng)卸載+弱支護(hù)”方案施工范圍較大，邊坡高而陡，施工難度大，工期較長；“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”方案施工范圍較為集中，施工難度相對較小，工期較短。

3.3.3 征地、環(huán)保及水土保持方面

“強(qiáng)卸載+弱支護(hù)”方案征地范圍約3萬m2，“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”方案征地范圍約0.7萬m2，明顯減少。“強(qiáng)卸載+弱支護(hù)”方案大面積開挖將對植被和環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”方案明顯減少了開挖范圍、棄渣量，對環(huán)境保護(hù)及水土保持明顯有利，簡化了環(huán)境保護(hù)及水土保持工程治理措施。

綜上所述，由于調(diào)壓井邊坡覆蓋層較厚，物質(zhì)組成復(fù)雜，“強(qiáng)卸載+弱支護(hù)”方案施工期、運(yùn)行期不可預(yù)見因素多，安全風(fēng)險相對較大，對環(huán)境破壞影響較大，相應(yīng)可能增加的工程措施較多。因此推薦“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”方案。

3.4 三維有限元計算復(fù)核

為進(jìn)一步驗證邊坡治理方案的合理性，采用三維有限元法對“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”治理方案進(jìn)行計算分析，有限元模型鉛直向下取至高程1810m，底板以下基巖厚度約200m，鉛直向上延伸至地表；以調(diào)壓井圓心為原點，沿引水隧洞方向向上游取210m，向下游取250m，垂直引水隧洞方向左右兩側(cè)各取140m。X軸：沿引水隧洞方向(上下游側(cè))，方位N56.2°W；Y軸：垂直引水隧洞方向(左右側(cè))，方位N3°E；Z軸：鉛直向。見圖1、圖2。

圖1 調(diào)壓井三維有限元整體網(wǎng)格

圖2 調(diào)壓井邊坡有限元網(wǎng)格

通過三維有限元分析計算，天然工況下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，施工期和運(yùn)行期高程2155m平臺邊坡和井筒邊坡(高程2146m以上)的點安全系數(shù)均大于1，且有一定富余，見圖3、圖4、圖5。另外，施工期、運(yùn)行期和地震工況的塑性區(qū)分布范圍都較小，因此，在目前設(shè)計的支護(hù)條件下，邊坡的穩(wěn)定是能夠得到保證的。

圖3 施工工況點安全系數(shù)

圖4 運(yùn)行工況點安全系數(shù)

圖5 地震工況點安全系數(shù)

3.5 邊坡治理設(shè)計

根據(jù)邊坡穩(wěn)定計算成果，綜合考慮地表截排水、削坡減載、抗滑樁、錨索等措施對其進(jìn)行分區(qū)綜合治理。具體分區(qū)支護(hù)措施為(見圖6)：

圖6 “弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”方案計算剖面及分區(qū)支護(hù)示意

(1)高程2215m設(shè)置9根抗滑樁，間距7m，抗滑樁斷面2.5m×3.5m，每根樁頂設(shè)置2根1000kN級預(yù)應(yīng)力錨索，俯角10°；

(2)A區(qū)：C20混凝土框格梁，間排距2.5m，截面40cm×40cm；Φ28自鉆式節(jié)點錨桿，L=9m，間排距2.5m，外露0.3m，垂直坡面布置；掛鋼筋網(wǎng)φ8@20cm×20cm；噴混凝土C20，厚10cm；1000kN預(yù)應(yīng)力錨索，間排距5m，φ50mm排水孔，L=5m，仰角10°，梅花型布置，與錨桿間隔布置，間排距3m；

(3)B區(qū)：C20混凝土護(hù)坡，厚度40cm，錨桿Φ25，L=4.5m，Φ28、L=9.0m，間排距3m，外露0.3m，梅花型交錯布置?；鶐r邊坡采用砂漿錨桿(覆蓋層邊坡采用自鉆式錨桿)；1000kN預(yù)應(yīng)力錨索，間排距3m～5m，φ50mm排水孔，L=5m，仰角10°，梅花型布置，與錨桿間隔布置，間排距3m；

(4)C區(qū)：C20混凝土護(hù)坡，厚50cm；錨桿Φ25、L=4.5m，Φ28、L=9.0m，間排距3m，外露0.3m，梅花型交錯布置?；鶐r邊坡采用砂漿錨桿(覆蓋層邊坡采用自鉆式錨桿)；φ50mm排水孔，L=5m，仰角10°，梅花型布置，與錨桿間隔布置，間排距3m；

(5)D區(qū)：C20混凝土框格梁，間排距2.5m，截面40cm×40cm；Φ25自鉆式節(jié)點錨桿，L=4.5m，間排距2.5m，外露0.3m，垂直坡面布置；掛鋼筋網(wǎng)φ8@20cm×20cm，噴混凝土C20，厚10cm；φ50mm排水孔，L=5m，仰角10°，梅花型布置，與錨桿間隔布置，間排距3m。

3.6 監(jiān)測設(shè)計

3.6.1 監(jiān)測設(shè)計

為掌握邊坡變形趨勢，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，預(yù)防事故發(fā)生，調(diào)壓井邊坡布置了變形和支護(hù)監(jiān)測儀器。其中布設(shè)多點位移計6套、測斜孔3套，1000kN的錨索測力計5套、土壓力計6支、鋼筋計10支、錨桿測力計3支。通過采集監(jiān)測數(shù)據(jù)并分析，可以驗證邊坡治理方案的合理性，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)，保證施工安全，為工程優(yōu)化設(shè)計和永久安全運(yùn)行提供支撐數(shù)據(jù)。

3.6.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

截至目前，調(diào)壓井邊坡各類監(jiān)測儀器測值變化趨勢穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)明顯異常；當(dāng)前，各測縫計(裂縫計)實測開合度介于0.01mm～0.04mm，各部位襯砌與基巖接觸良好，未發(fā)現(xiàn)有明顯的張開現(xiàn)象；邊坡抗滑樁內(nèi)埋設(shè)的鋼筋計實測應(yīng)力介于12.21kN～30.99kN，結(jié)構(gòu)應(yīng)力均較小且發(fā)展趨勢平緩；邊坡抗滑樁內(nèi)埋設(shè)的土壓力計當(dāng)前實測壓力介于0.35MPa～0.13MPa，近期壓力變化過程線發(fā)展趨勢穩(wěn)定；錨索測力計大部分荷載損失率均在10%以內(nèi)，處于正常衰減范圍之內(nèi)。

綜上，調(diào)壓井邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

立洲電站調(diào)壓井邊坡覆蓋層較厚，組成物質(zhì)復(fù)雜。施工階段從開挖支護(hù)方案、邊坡穩(wěn)定計算分析、施工布置、征地范圍、環(huán)境保護(hù)及水土保持、工程不可遇見因素等方面綜合比較，采取“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”治理方案，開挖坡比達(dá)1∶0.75，邊坡開挖高度由130m降至55m，極大程度的減少了調(diào)壓井邊坡開挖和處理范圍，保證了調(diào)壓井邊坡施工期穩(wěn)定，為后期井筒施工創(chuàng)造了有利條件。

TV554.4∶TV732.5

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2095-1809(2017)05-0084-04

韓純杰(1981-)，男，云南昆明人，高級工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計工作。

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