輸水隧洞進水口邊坡局部穩(wěn)定性分析與加固方案優(yōu)化

于海龍

（鞍山水文局海城水文站，遼寧 海城 114200）

1 工程地質(zhì)條件

勝利水電站位于新賓縣勝利村境內(nèi)的蘇子河上，是遼寧省規(guī)劃的蘇子河梯級開發(fā)中的最后一級[1]。勝利水電站是一座以發(fā)電為主，兼具防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的大型水利樞紐工程。該工程設(shè)計庫容為6.98億m3，工程等別為Ⅳ等[2]。電站的進水口布置在左岸壩前，為岸塔式進水口。

勝利水電站壩址位于蘇子河上游的峽谷段內(nèi)，河道呈彎曲的“S”型，總體為右凸岸，坡度為40°～45°，有殘存的Ⅲ級基座階地，高程為 320.00 m～341.20 m，河床覆蓋層厚5 m～16 m。壩址上下游為主要為遠(yuǎn)古界下寒武紀(jì)地層，出露巖層以結(jié)晶片巖為主，具有相對完整的下盤，巖層產(chǎn)狀比較穩(wěn)定。鉆孔和探洞顯示，壩址區(qū)巖體風(fēng)化深度不大。上游白云母石英片巖組，下游板巖、千枚巖組，風(fēng)化較均勻；中部綠泥鈉長片巖組，風(fēng)化不均勻。根據(jù)埋藏條件，有裂隙潛水和局部裂隙承壓水兩種類型。均由大氣降水補給，向河床排泄。

2 進水口邊坡可能塊體組合及失穩(wěn)判斷

勝利水電站為為岸塔式進水口，布置在左岸壩前，長30.2 m，寬65.3 m，高55.1 m。進水口位置自然邊坡較陡，大部分地段均有基巖裸露，在部分緩坡部位分布有厚度不均的堆積物，巖體為白云母石英片巖和夾云母片巖組，其中含有炭質(zhì)條帶和石英脈，層間錯動帶發(fā)育明顯。其中，有3組節(jié)理組合切割不利于開挖邊坡的穩(wěn)定，根據(jù)探洞探查結(jié)果，上述節(jié)理的平均切割間距為1.5～2 m，多為細(xì)小閉合性節(jié)理，少數(shù)有充泥現(xiàn)象，但是延伸不長。受上述內(nèi)發(fā)育結(jié)構(gòu)面的切割，有多組結(jié)構(gòu)面構(gòu)成楔形體，對邊坡穩(wěn)定造成不利影響。其中主要的不定位結(jié)構(gòu)面有片理PL，J1，J2，J3。根據(jù)DL/T5353-2006《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》的邊坡穩(wěn)定性分析原則，結(jié)合前期地質(zhì)調(diào)查資料，認(rèn)為進水口邊坡并沒有軟弱結(jié)構(gòu)面，但是呈隨機分布的裂隙組合，可以形成潛在的不穩(wěn)定塊體，對邊坡穩(wěn)定造成不利影響。

由于邊坡的不穩(wěn)定性貫穿邊坡施工的全過程，其穩(wěn)定性評價亦是開挖方式和加固措施選擇的重要依據(jù)[3]。通過分析，認(rèn)為可能對邊坡開挖和加固施工造成明顯不利影響的塊體如表1所示。在開挖過程中必須及時跟進支護，同時要密切注意裂隙J3的加固處理，在上游邊坡開挖時需要注意對片理PL的加固處理。

3 塊體局部穩(wěn)定性分析

3.1 計算參數(shù)

在此次計算過程中需要考慮爆破震動對巖體參數(shù)的軟化效應(yīng)，不考慮邊坡結(jié)構(gòu)面的抗剪強度系數(shù)，也就是結(jié)構(gòu)面的凝聚力，因而計算結(jié)果與不考慮施工擾動有一定的降低，結(jié)果本身偏安全，具體的計算參數(shù)如表2所示。

表1 邊坡可能不穩(wěn)定塊體表

3.2 計算結(jié)果

根據(jù)上節(jié)的失穩(wěn)模式判斷結(jié)果，利用楔體穩(wěn)定性分析程序?qū)Π攵ㄎ缓碗S機塊體穩(wěn)定性進行分析[6]，則可形成楔體空間視圖如圖1～4所示。

圖1 JSS1楔體空間視圖

圖2 JSS3楔體空間視圖

表2 結(jié)構(gòu)面地質(zhì)建議指標(biāo)

通過綜合分析計算，設(shè)計部門給出的結(jié)構(gòu)面系數(shù)并沒有考慮結(jié)構(gòu)面的聯(lián)通與充填率造成的影響，計算結(jié)果比較粗糙，不利于穩(wěn)定性的判斷[4]。因此，對設(shè)計院提出的數(shù)據(jù)進行調(diào)整。顯然，不同巖層結(jié)構(gòu)面的參數(shù)是不同的，在考慮結(jié)構(gòu)面的聯(lián)通與充填率影響的情況下，選用下述公式進行計算[5]：

式中：f為實際抗剪強度；fr為設(shè)計院提供的抗剪強度；fn為設(shè)計院提供的無充填結(jié)構(gòu)面抗剪強度；fd為設(shè)計院提供的完全填充結(jié)構(gòu)面抗剪強度；?為層面貫通率；γ層面填充率。

采用上述計算公式，可以獲得如表3所示的邊坡結(jié)構(gòu)面參數(shù)。

表3 結(jié)構(gòu)面地質(zhì)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

圖3 JZS2楔體空間視圖

圖4 JZS3楔體空間視圖

圖5 JZS4楔體空間視圖

圖6 JZS5楔體空間視圖

4 加固方案設(shè)計與優(yōu)化

4.1 加固方案設(shè)計

由于進水口邊坡處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)DL/T5353-2006《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，對局部不穩(wěn)定的塊體結(jié)構(gòu)采取錨桿支護的加固方案[7]。結(jié)合工程地質(zhì)環(huán)境特征，擬定如下加固方案：采用15 t錨桿進行加固，并按照巖體類型進行分高程、分區(qū)域以及不同的錨固深度設(shè)計[8]。具體設(shè)計方案如表4所示。

4.2 加固方案的優(yōu)化設(shè)計

上節(jié)加固方案下邊坡塊體加固后的安全系數(shù)計算結(jié)果如表5所示。由計算結(jié)果可知，邊坡上的各隨機塊體開挖后都不穩(wěn)定，但是加固后具有較高的安全系數(shù)，不存在滑動的可能性。

但是，計算結(jié)果也顯示，加固后各隨機塊體的局部安全系數(shù)仍然較低，需要進一步優(yōu)化支護方案。因此，將上述方案中的部分錨桿由15 t改為18 t，得到如表6所示的優(yōu)化方案。

加固方案優(yōu)化設(shè)計下邊坡塊體加固后的安全系數(shù)計算結(jié)果如表7所示。由計算結(jié)果可知，邊坡上的各隨機塊體加固后具有較高的安全系數(shù)，并且分布比較均勻，基本滿足DL/T5353-2006《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》。由于上述計算使用的抗剪強度參數(shù)在計算方式上已經(jīng)預(yù)留了較大的安全儲備，因而個別塊體的安全系數(shù)略低于規(guī)范要求是可以接受的。因此，優(yōu)化后的支護方案不僅安全可靠，而且具有較好的經(jīng)濟性，建議在實際施工中采用。

表4 加固方案具體設(shè)計參數(shù)

表5 隨機楔體安全系數(shù)計算結(jié)果

表6 邊坡支護方案優(yōu)化設(shè)計

表7 隨機楔體安全系數(shù)計算結(jié)果

5 結(jié)論

以勝利水電站進水口邊坡為例，對邊坡穩(wěn)定性及支護方案優(yōu)化展開研究，并獲得如下結(jié)論：

1）進水口邊坡的JSS1，JSS3，JZS2，JZS3，JZS4，JZS5安全系數(shù)較低，屬于不穩(wěn)定塊體，在邊坡開挖過程中需要進行加固處理。

2）考慮連通率和充填率的基礎(chǔ)上進行塊體局部穩(wěn)定分析計算參數(shù)優(yōu)化，并依據(jù)計算結(jié)果提出相應(yīng)的加固方案。

3）鑒于原始加固方案下各隨機塊體的局部安全系數(shù)仍然較低，因此將方案中的部分錨桿由15 t改為18 t，優(yōu)化后的加固方案不僅安全可靠，而且具有較好的經(jīng)濟性，建議在實際施工中采用。