卡拉貝利水利樞紐工程聯(lián)合進(jìn)水口邊坡加固及穩(wěn)定性分析

(塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

1 工程概況

卡拉貝利水庫(kù)工程位于新疆維吾爾自治區(qū)省克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃菥硟?nèi)。該工程控制流域面積13700km2。設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，設(shè)計(jì)洪水位1770.00m，校核洪水位1773.00m，工程主要由大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、引水發(fā)電系統(tǒng)、電站廠房等建筑物組成。水庫(kù)主壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高92.5m，壩頂高程1775.50m，壩頂寬12.5m，壩頂長(zhǎng)760.7m?？ɡ惱こ桃绾榈揽刂贫尾捎民劮逖?，堰頂高程1758.50m，堰高3.50m，共3孔，設(shè)檢修門(mén)和弧形工作門(mén)各一道，單孔凈寬15m。壩后設(shè)電站一座，裝機(jī)70MW，多年平均發(fā)電量2.61億kW·h。總庫(kù)容2.62億m3?？ɡ惱畮?kù)工程是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電等諸多功能的Ⅱ等大(2)型水利樞紐工程。2010年8月，卡拉貝利水庫(kù)工程開(kāi)始建設(shè)，2019年1月投入使用?？ɡ惱畮?kù)工程不僅可以有效緩解下游地區(qū)的防洪壓力，大幅提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，還可緩解下游部分地區(qū)電力不足問(wèn)題，對(duì)促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和城鄉(xiāng)居民的生活水平具有重要意義。

工程的聯(lián)合進(jìn)水口布置在水庫(kù)左岸，由河道向外側(cè)依次布置1號(hào)洞、2號(hào)洞以及發(fā)電洞三條隧洞的進(jìn)水口，底板高程依次為1696.00m、1715.00m和1725.00m，進(jìn)水口共用一條長(zhǎng)407m引水渠。由此形成引水渠段最大永久邊坡高度為113m，最大挖坡高度為100m。該邊坡的巖體易風(fēng)化，飽和抗壓度僅為0.80MPa，遇水軟化現(xiàn)象十分顯著?？紤]到其開(kāi)口線附近為階地，因此，采取“強(qiáng)開(kāi)挖、弱支護(hù)”開(kāi)挖加固施工設(shè)計(jì)原則。

2 開(kāi)挖加固方案設(shè)計(jì)

邊坡強(qiáng)開(kāi)挖后可能會(huì)出現(xiàn)滑坡，因此，需要采取必要的加固措施。在保證安全的前提下，采取有效、經(jīng)濟(jì)的加固方式，力爭(zhēng)以最小投入，保證加固后邊坡穩(wěn)定，確保水利工程安全穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)揮工程最優(yōu)效益。

2.1 方案一設(shè)計(jì)思路

方案一采取的是邊坡全斷面放緩坡的設(shè)計(jì)思路(見(jiàn)圖1)。根據(jù)相關(guān)工程設(shè)計(jì)要求，在邊坡開(kāi)挖后坡腳線距離發(fā)電洞進(jìn)口25m，在1750.00m高程部位設(shè)置10m寬的平臺(tái)，對(duì)1750.00m高程以下分兩級(jí)放坡，在1736.00m高程設(shè)置2.50m寬平臺(tái)，上述兩級(jí)放坡的坡比為1∶2.5；在邊坡開(kāi)挖完畢后，對(duì)該部位進(jìn)行漿砌片石護(hù)面處理，防止庫(kù)水對(duì)坡面的沖刷破壞。在1750.00m高程以上分三級(jí)臺(tái)階，按照1∶2的坡比進(jìn)行放坡，同時(shí)，在1770.00m和1790.00m高程設(shè)置2.50m寬的平臺(tái)。

圖1 方案一設(shè)計(jì)思路

2.2 方案二設(shè)計(jì)思路

方案二采用的是全斷面放陡坡+錨固設(shè)計(jì)思路(見(jiàn)圖2)。根據(jù)相關(guān)工程設(shè)計(jì)要求，在邊坡開(kāi)挖后坡腳線距離發(fā)電洞進(jìn)口25m，在1750.00m高程部位設(shè)置10m寬的平臺(tái)，對(duì)1750.00m高程以下分兩級(jí)放坡，在1736.00m高程設(shè)置2.50m寬平臺(tái)，兩級(jí)放坡坡比均為1∶2.5。在邊坡開(kāi)挖完畢后，對(duì)該部位進(jìn)行漿砌片石護(hù)面處理，防止庫(kù)水對(duì)坡面的沖刷破壞。

圖2 方案二設(shè)計(jì)思路

1750.00m高程以上分三級(jí)臺(tái)階，按照1∶1的坡比進(jìn)行放坡，同時(shí)，在1770.00m和1790.00m高程設(shè)置2.50m寬的平臺(tái)。在坡面采取全長(zhǎng)黏結(jié)性錨桿，且錨桿要深入基巖5m，錨桿的水平間距和垂直間距均為2m，單根錨桿的設(shè)計(jì)拉力為200kN。對(duì)坡面進(jìn)行混凝土格溝梁加固，格溝的水平和垂直間距均為2m，橫梁采用拱形梁設(shè)計(jì)，并將錨桿的錨頭設(shè)置在格溝梁的交點(diǎn)部位。

3 開(kāi)挖加固方案比選

3.1 施工難易程度比較

方案一施工主要內(nèi)容是削坡，其具體工序?yàn)椋哼吰麻_(kāi)挖→坡頂和馬道截水溝施工→坡面綠化。方案二施工的主要內(nèi)容是放陡坡、錨桿加固，具體施工工序?yàn)椋洪_(kāi)挖第一個(gè)臺(tái)階→錨桿施工→格構(gòu)施工→按上述工序開(kāi)挖其余臺(tái)階→坡頂、馬道截水溝施工→坡面綠化。

兩種施工方案相比，方案一為全斷面放緩坡方案，一般不需要人工支護(hù)，因此，施工技術(shù)要求不高，施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，對(duì)施工管理的要求也相對(duì)較低；方案二為放陡坡加上錨桿施工，需要人工支護(hù)，增加了錨桿、格溝梁等施工要求，施工技術(shù)要求高，難度相對(duì)較大。由于方案二為全斷面放陡坡加錨固，在邊坡開(kāi)挖過(guò)程中具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，必須要制定合理、科學(xué)、安全的施工方案，因此，需要更大的安全設(shè)施成本投入。

3.2 工程造價(jià)對(duì)比分析

根據(jù)方案一的設(shè)計(jì)思路，其主要費(fèi)用為征地費(fèi)用、土石方費(fèi)用、排水工程以及植被恢復(fù)費(fèi)用，按照當(dāng)?shù)匚飪r(jià)水平，對(duì)方案一每延米工程費(fèi)用進(jìn)行估算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 方案一每延米工程費(fèi)用估算結(jié)果

由表1和表2的計(jì)算結(jié)果可知，方案二與方案一相比，每延米可以節(jié)省工程投資41102元，節(jié)省費(fèi)用約21.89%。因此，從工程投資視角來(lái)看，方案二為最優(yōu)開(kāi)挖加固方案。

表2 方案二每延米工程費(fèi)用估算結(jié)果

3.3 環(huán)保與征地問(wèn)題比較

方案一需要進(jìn)行大量土石方開(kāi)挖，因此，會(huì)產(chǎn)生比較大的地質(zhì)環(huán)境擾動(dòng)，對(duì)周邊植被的破壞也相對(duì)比較嚴(yán)重。此外，放緩坡需要增大邊坡的開(kāi)挖范圍，需要增大征地面積，因此，對(duì)周?chē)挠绊懛秶脖容^大。由于邊坡開(kāi)挖區(qū)內(nèi)有高壓輸電線路經(jīng)過(guò)，如果采用該方案需要搬遷多個(gè)電塔，無(wú)形中增大了工程成本。方案二的放坡坡度較大，開(kāi)挖土石方量明顯減小，對(duì)自然環(huán)境的破壞也較小，不存在方案一的影響范圍較大的問(wèn)題。

4 最優(yōu)方案確定

根據(jù)對(duì)上述兩個(gè)方案設(shè)計(jì)思路的對(duì)比分析，方案二的工程造價(jià)較低，應(yīng)優(yōu)先選擇；方案一在施工難度和安全性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)環(huán)境的破壞大，相對(duì)于方案二，征地范圍需要向外延伸近80m，土地使用成本明顯較大。因此，選擇方案二作為聯(lián)合進(jìn)水口邊坡的開(kāi)挖方案。

5 邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算

為了進(jìn)一步驗(yàn)證方案二的合理性和可行性，利用強(qiáng)度折減法對(duì)自然、地震和洪水三種不同工況下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3計(jì)算結(jié)果可知，按照方案二進(jìn)行邊坡開(kāi)挖，

表3 方案二條件下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

如果沒(méi)有采取錨固加固措施，在自然工況下，邊坡位移量較小，巖體基本不會(huì)發(fā)生破壞，而在地震和高位洪水工況下，邊坡有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。錨固后，各種工況下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均大于1，說(shuō)明錨桿對(duì)巖體的錨固效果良好，在不同工況下均滿足安全性要求，可在工程施工中采用。

6 邊坡運(yùn)行監(jiān)測(cè)與穩(wěn)定性分析

為了保證工程施工質(zhì)量和施工安全，工程建設(shè)過(guò)程中建設(shè)了涵蓋大壩、邊坡、輸水洞等關(guān)鍵部位的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)。監(jiān)測(cè)網(wǎng)的首級(jí)網(wǎng)涵蓋上述部位的所有變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，二級(jí)網(wǎng)則是監(jiān)測(cè)不同部位變形的次級(jí)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)本次研究而言，指的是邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成的變形網(wǎng)。監(jiān)測(cè)所用儀器為E630G GPS接收機(jī)，采用靜態(tài)相對(duì)定位方法完成數(shù)據(jù)的采集，整個(gè)系統(tǒng)共采用了6臺(tái)接收機(jī)，其中在基準(zhǔn)點(diǎn)上布置2臺(tái)接收機(jī)，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上采用4臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行流動(dòng)觀測(cè)。

施工結(jié)束后，每隔30天監(jiān)測(cè)1次；夏季汛期每20天監(jiān)測(cè)1次，共監(jiān)測(cè)15批次。觀測(cè)時(shí)間依照規(guī)范要求不得少于60min。

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，開(kāi)挖支護(hù)后前三個(gè)月的邊坡整體位移量較大，為15mm左右，之后逐步趨于穩(wěn)定。截至目前，累積位移量為19.50mm，邊坡穩(wěn)定性良好。

7 結(jié) 語(yǔ)

邊坡開(kāi)挖是水利工程建設(shè)中經(jīng)常面對(duì)的技術(shù)問(wèn)題，對(duì)保證水利工程的順利施工和安全運(yùn)行具有十分重要的價(jià)值和作用。本次研究以卡拉貝利水利樞紐聯(lián)合進(jìn)水口邊坡開(kāi)挖為例，在野外地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，結(jié)合邊坡的具體特點(diǎn)，提出了放緩坡和放陡坡加錨桿支護(hù)兩種不同的開(kāi)挖加固方案。通過(guò)施工難易程度、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響等綜合評(píng)價(jià)，最終確定采取放陡坡加錨桿支護(hù)的方案。邊坡開(kāi)挖施工完畢后的次年夏季，經(jīng)歷了兩次超警戒水位洪水的侵襲，邊坡穩(wěn)定性良好，說(shuō)明本次設(shè)計(jì)的施工方案是合理的和科學(xué)的。