TP水庫(kù)泄洪沖沙洞進(jìn)口邊坡穩(wěn)定計(jì)算研究

吳戰(zhàn)營(yíng)

（水利部新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊830000）

1 工程概況

泄水建筑物進(jìn)、出口邊坡的安全與穩(wěn)定，對(duì)泄水建筑物能否安全運(yùn)行至關(guān)重要。特別是對(duì)于地質(zhì)條件差的邊坡，采用何種支護(hù)方案和措施，保證邊坡的穩(wěn)定、安全，是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)TP水庫(kù)工程泄洪沖沙洞進(jìn)口邊坡進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算，最終確定了合理的邊坡支護(hù)方案。

TP水庫(kù)主要任務(wù)是灌溉、防洪，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。水庫(kù)總庫(kù)容6 098.93萬(wàn)m3，控制灌區(qū)灌溉面積14.13萬(wàn)畝。主要水工建筑物包括攔河壩（瀝青混凝土心墻壩）、溢洪洞、泄洪沖沙洞、灌溉放水洞；次要建筑物包括壩區(qū)不影響主要建筑物和設(shè)備運(yùn)行的擋土墻、導(dǎo)流墻及護(hù)岸等；臨時(shí)建筑物包括下游圍堰。土石壩（含與大壩結(jié)合的上游圍堰）為3級(jí)建筑物，泄水建筑物、灌溉放水建筑物為3級(jí)建筑物，次要建筑物為4級(jí)建筑物，臨時(shí)建筑物為5級(jí)建筑物。

據(jù)《新疆TP水庫(kù)地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》分析：工程區(qū)基巖50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.26 g，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。另根據(jù)1/400萬(wàn)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），工程區(qū)50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.3 gal，地震動(dòng)反應(yīng)普特征周期為0.45 s，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度，與地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告結(jié)論基本一致。工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》SL203-97的規(guī)定，大壩及其它主要建筑物設(shè)防類別為丙類，大壩及其它主要建筑物抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度。

2 泄洪沖沙洞進(jìn)口邊坡地質(zhì)條件

導(dǎo)流洞兼泄洪洞進(jìn)口位于左壩肩壩軸線上游約370 m，進(jìn)口包括引渠段和進(jìn)口閘井段。引渠底板高程2 343.0 m，位于左岸Ⅱ級(jí)階地上，階地上部為含碎石粉土層，厚1～2.6 m，其下為砂卵礫石層，引渠前段基礎(chǔ)挖深在2.5～7.3 m，基礎(chǔ)多位于粉土與砂卵礫石層交界附近，閘井前段渠基最大挖深26.5 m，渠基均位于粉砂巖地層上。閘井進(jìn)口邊坡走向53°左右，坡度35°～40°，基巖多裸露，僅在坡腳2 357 m高程以下分布有少量的坡積碎石土層，厚3～6.5 m，結(jié)構(gòu)松散，基巖巖性為泥盆系中統(tǒng)（D2e-gv）粉砂巖夾灰?guī)r，粉砂巖呈灰褐色、紫紅色、灰綠色，薄層狀，巖層產(chǎn)狀280°NE∠25°，緩傾上游，局部夾0.2～1.5 m厚的灰?guī)r；粉砂巖抗風(fēng)化能力差，強(qiáng)風(fēng)化層3～5 m，巖體破碎，鉆孔巖芯以0.3～1 cm的薄片狀為主，弱風(fēng)化層厚15～20 m，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體相對(duì)完整；層理與進(jìn)口洞臉邊坡夾角47°，大角度相交，對(duì)洞臉和左側(cè)邊坡穩(wěn)定有利，對(duì)右側(cè)邊坡不利；據(jù)導(dǎo)流洞進(jìn)口平洞PD3資料，閘井段共發(fā)育有5條斷層，其中在平洞8～16 m之間，平行發(fā)育3條較大的斷層，f1：275°NE∠25°～30°，破碎帶寬2～3 m，由斷層泥及碎裂巖組成，斷層泥厚20～30 cm，3斷層之間巖體破碎，成洞較困難，平洞0～16 m之間均采取支護(hù)措施；f2：290°NE∠25°，破碎帶寬5～15 cm；f3：330°SW∠35°，破碎帶寬5～10 cm；f4：45°SE∠80°，破碎帶寬5 cm；f5：65°NW∠60°，破碎帶寬5～30 cm。泄洪沖沙洞進(jìn)口邊坡赤平投影圖見(jiàn)圖1，由圖1分析，斷層f1、f2、f3及層面組合交點(diǎn)和邊坡投影弧在同一側(cè)，落于天然邊坡投影弧的外側(cè)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與邊坡傾向相對(duì)一致，傾角小于天然邊坡的坡角，即結(jié)構(gòu)面組合交線在天然邊坡坡面上沒(méi)有出露，并不會(huì)切穿邊坡巖體，切割體屬于較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面，邊坡處于較穩(wěn)定狀態(tài)；斷層f3、f4組交點(diǎn)位于人工邊坡和天然邊坡投影弧的對(duì)側(cè)，結(jié)構(gòu)面的交線與邊坡傾向相反，結(jié)構(gòu)面組合切割體為傾向坡內(nèi)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。閘井洞臉邊坡在天然狀態(tài)下處于較穩(wěn)定狀態(tài)，但水庫(kù)蓄水后結(jié)構(gòu)面均處于水位以下，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低，對(duì)穩(wěn)定不利，建議洞臉邊坡加強(qiáng)噴錨支護(hù)處理措施。進(jìn)口閘井基礎(chǔ)地質(zhì)條件相對(duì)較差，粉砂巖地基允許承載力2.0～2.5 MPa。隧洞進(jìn)口斷層帶樁號(hào)0+000～0+020 m段為Ⅴ類圍巖，約占6%，巖體彈性抗力系數(shù)K0=2～3 MPa/cm，堅(jiān)固系數(shù)fk=0.3～0.5，洞室不穩(wěn)定，可能會(huì)產(chǎn)生較大規(guī)模的掉塊和塌方，需采取有效的工程措施處理。

圖1 泄洪沖沙洞進(jìn)口邊坡赤平投影圖

3 泄洪沖沙洞進(jìn)口邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案

進(jìn)口閘井后邊坡2 361 m高程以下垂直開(kāi)挖，2 370～2 390 m沿高程10 m一級(jí)馬道，巖石開(kāi)挖邊坡為1∶0.5，馬道寬2.0 m，2 392.8 m高程以上邊坡沿?cái)鄬禹槍用孢M(jìn)行剝離；進(jìn)口閘井后側(cè)邊坡2 361～2 390 m高程的邊坡采用錨索進(jìn)行支護(hù)，錨索為25 m和30 m長(zhǎng)，100 t，5 m×5 m間隔布置；進(jìn)口閘井后側(cè)邊坡2 390～2 395.8 m高程的邊坡采用錨索進(jìn)行支護(hù)，錨索為35 m長(zhǎng)，100 t，5 m×5 m布置。在2 390～2 395.8 m、2 349.9～2 370 m設(shè)置錨筋樁，長(zhǎng)度為9 m，采用3根Φ25鋼筋，間排距為3 m，梅花形布置；整個(gè)邊坡采用C30混凝土噴護(hù)，噴護(hù)厚度100 mm，并掛Φ8@200 mm×200 mm的鋼筋網(wǎng)，砂漿錨桿長(zhǎng)4.5 m，直徑25 mm，間距2 m、排距2 m，并在閘井兩側(cè)和后部回填C15素混凝土，降低永久邊坡的高度，保證進(jìn)口建筑物的穩(wěn)定。泄洪沖沙洞進(jìn)口閘井后邊坡開(kāi)挖后地形見(jiàn)圖2，泄洪沖沙洞進(jìn)口閘井后邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖3。

圖2 泄洪沖沙洞進(jìn)口閘井后邊坡開(kāi)挖后地形圖

圖3 泄洪沖沙洞進(jìn)口閘井后邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案

4 邊坡穩(wěn)定計(jì)算

4.1 計(jì)算原則和方法

本文以二維極限平衡法為主要分析方法，對(duì)泄洪沖沙洞進(jìn)口閘井后邊坡在施工期（坡內(nèi)外無(wú)水）、穩(wěn)定滲流期以及遭遇地震工況條件下支護(hù)前、后的整體與局部穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，計(jì)算程序采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院研發(fā)的《巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定計(jì)算軟件—EMU2007》。

4.2 計(jì)算工況

為考慮進(jìn)水口布置的水工建筑物對(duì)邊坡的影響，本次計(jì)算主要對(duì)進(jìn)水口邊坡以下幾種工況的穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核：

（1）工況一：施工期，坡體內(nèi)外無(wú)水，無(wú)混凝土回填，無(wú)附屬建筑物；

（2）工況二：水庫(kù)正常運(yùn)用期，當(dāng)水庫(kù)蓄水至正常蓄水位2 394.52 m，主要復(fù)核穩(wěn)定滲流期的穩(wěn)定狀況；

（3）工況三：遭遇地震的穩(wěn)定狀況。

4.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)邊坡產(chǎn)狀及巖層走向分析，滑動(dòng)面由順層面滑動(dòng)及順斷層滑動(dòng)控制，根據(jù)《TP水庫(kù)地質(zhì)報(bào)告》選定計(jì)算參數(shù)，巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

因巖體呈層狀分布，巖體較破碎，且有5條斷層，計(jì)算參數(shù)取值時(shí)，采用巖體物理力學(xué)參數(shù)下限值。斷層計(jì)算參數(shù)的取值嚴(yán)格按照斷層物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行取值。根據(jù)滑動(dòng)模式選擇不同參數(shù)，整體及局部順層滑動(dòng)模式因滑動(dòng)角度與順層坡度基本相同，采用順層層間參數(shù)控制邊坡穩(wěn)定。

4.4 滑動(dòng)模式

根據(jù)對(duì)泄洪沖沙洞進(jìn)口閘井后邊坡開(kāi)挖后的地形特征，巖體產(chǎn)狀與邊坡產(chǎn)狀的關(guān)系進(jìn)行分析，剖面可能滑動(dòng)模式有3種，分別是沿f1斷層整體滑動(dòng)、沿f5斷層滑動(dòng)、沿f1～f5斷層組成的滑裂面滑動(dòng)，分別在不同工況下，對(duì)這3種滑動(dòng)模式進(jìn)行支護(hù)前和支護(hù)后的邊坡穩(wěn)定計(jì)算。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

4.5 邊坡計(jì)算結(jié)果

不同工況下各方案邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同工況下各方案邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL386-2016）規(guī)定：邊坡與水工建筑物的相互關(guān)系。泄洪沖沙洞進(jìn)口閘井后邊坡的級(jí)別為4級(jí)。因此，工況一安全系數(shù)應(yīng)大于1.10，工況二安全系數(shù)應(yīng)大于1.15，工況三安全系數(shù)應(yīng)大于1.05。

由表2計(jì)算結(jié)果可知：在不同工況下，邊坡沿f5斷層滑動(dòng)的可能性最大，邊坡支護(hù)前安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。進(jìn)口邊坡巖石破碎、強(qiáng)度低，邊坡支護(hù)后與支護(hù)前對(duì)比，安全系數(shù)都有所提高，支護(hù)后的安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，為了保證進(jìn)口永久邊坡的穩(wěn)定性及安全性，對(duì)進(jìn)口邊坡采用錨索、錨筋樁、掛網(wǎng)錨噴的支護(hù)方案是可行的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)TP水庫(kù)泄洪沖沙洞進(jìn)口邊坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

（1）不同工況下，邊坡沿f5斷層滑動(dòng)的可能性最大，其次是沿f1斷層滑動(dòng)，沿f1～f5斷層滑動(dòng)的可能性最小。

（2）泄洪沖沙洞進(jìn)口閘井后邊坡開(kāi)挖后，如不采取支護(hù)措施，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，很有可能邊坡失穩(wěn)。

（3）對(duì)進(jìn)口邊坡采用錨索、錨筋樁、掛網(wǎng)錨噴的支護(hù)方案后，安全系數(shù)都有所提高，滿足規(guī)范要求，此支護(hù)方案是合理、可行的。

（4）此邊坡支護(hù)方案能夠?yàn)橄嗨乒こ踢吰略O(shè)計(jì)和計(jì)算提供參考，對(duì)其它工程具有借鑒與應(yīng)用意義。