溢洪道高邊坡開挖方案優(yōu)化研究

黃智峰，鄢慧歡

(江西華欽建設(shè)工程有限公司，江西 南昌 330038)

1 工程背景

某水電站位于江西境內(nèi)，屬于該流域梯級(jí)開發(fā)的第二級(jí)水電站。該水電站的設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為3.2MW，引水流量為2.94m3/s，設(shè)計(jì)水頭127m，主要水工建筑物包括水庫大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、溢洪道，電站的年利用小時(shí)數(shù)為6900h，年均發(fā)電量為2484萬kW·h，預(yù)計(jì)年產(chǎn)值580萬元。其中，溢洪道設(shè)計(jì)于大壩左岸的山體上，主要由進(jìn)水渠段、進(jìn)口翼墻段、控制段、泄槽段以及消能防沖段構(gòu)成。進(jìn)水渠段的基面高程為1299.0m，長(zhǎng)度為86.9m，該段巖層為弱風(fēng)化安山玢巖，左岸邊坡最高達(dá)84.0m，屬于高巖質(zhì)工程邊坡。

2 邊坡極限平衡法模型構(gòu)建

2.1 不平衡推力計(jì)算法

極限平衡法是目前工程地質(zhì)領(lǐng)域進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析的常用方法，同時(shí)也是出現(xiàn)最早、發(fā)展最為完善的計(jì)算分析方法[1- 2]。該方法的基本思路是對(duì)具有滑動(dòng)趨勢(shì)的邊坡土體進(jìn)行劃分，將其剖分為一定數(shù)量的小塊體，然后對(duì)每個(gè)塊體的受力情況進(jìn)行分析，再基于平衡條件構(gòu)建整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性平衡方程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算分析[3]。由于該方法具有模型簡(jiǎn)單、計(jì)算方便、適用性廣的優(yōu)勢(shì)，因此在水利工程邊坡穩(wěn)定性分析過程中具有較為廣泛的應(yīng)用[4]。極限平衡法依據(jù)其計(jì)算模式的不同，進(jìn)一步派生出條分法、Bishop法、不平衡推力計(jì)算法、Morgenstern-NR及priceVE等多種不同的方法[5]。其中，不平衡推力計(jì)算法可用于滑面成一般折線型的滑體計(jì)算平衡分析。該方法的主要優(yōu)勢(shì)是能夠抓住問題的主要方向，并且簡(jiǎn)便、直觀，在大多數(shù)工程計(jì)算中均可以獲得比較滿意的結(jié)果。

2.2 計(jì)算剖面選取

根據(jù)工程設(shè)計(jì)前期的野外地質(zhì)調(diào)查成果，計(jì)算模型選取溢洪道開挖之后最高、最陡的0- 98橫剖面作為典型剖面進(jìn)行不平衡推力法分析。該斷面的主要巖性為安山玢巖，主要特點(diǎn)是強(qiáng)度高、弱風(fēng)化，裂隙發(fā)育顯著。該段岸坡失穩(wěn)的主要表現(xiàn)是牽引式坍滑，也就是沿著岸坡巖土體內(nèi)部的強(qiáng)、弱風(fēng)化界面產(chǎn)生坍滑。

2.3 計(jì)算模型與巖體參數(shù)

以溢洪道0- 98剖面的工程地質(zhì)圖為依據(jù)，確定計(jì)算模型的長(zhǎng)度為204m，高度為147.5m。研究剖面地形比較陡峭，地表覆蓋有厚度為0.5～1.0m的殘積礫石土，具有較高的植被覆蓋，但是覆蓋和分布并不連續(xù)。表層下的基巖巖層走向和庫岸山脊相交角度較大，且陡傾山體內(nèi)部?；谘芯繉?duì)象的特殊性，擬采用不平衡推力計(jì)算分析對(duì)岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算研究[6]，具體的計(jì)算模型如圖1所示。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，確定巖土體物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

圖1 不平衡推力法計(jì)算模型示意圖

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 原始設(shè)計(jì)方案不平衡推力法分析

3.1 原始設(shè)計(jì)方案

該水電站溢洪道進(jìn)水渠段的樁號(hào)為溢0-143.9至溢0-057，長(zhǎng)度為86.9m。鑒于該段溢洪道兩岸邊坡屬于高邊坡，為了保證工程建成后的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，建議對(duì)兩岸的巖石邊坡進(jìn)行開挖放坡，放坡后的坡度為1∶0.5。其中，左岸邊坡在高程1314.5、1312.5、1337、1352.5、1367.5m位置設(shè)計(jì)5級(jí)馬道，各級(jí)馬道的寬度分別設(shè)計(jì)為3.0、10.5、3.5、3.5、3.5m，其中第二級(jí)馬道的寬度設(shè)計(jì)為10.5m的目的是兼做泄洪洞控制段通往大壩的道路。

為了提高開挖后邊坡的穩(wěn)定性，因此在開挖后對(duì)邊坡采取掛網(wǎng)噴錨支護(hù)的支護(hù)措施[7]：其中，支護(hù)錨桿采用單根長(zhǎng)5.0m的砂漿錨桿，間距和排距均為2.0m，成梅花形布置，錨桿鋼筋采用直徑25mm的螺紋鋼筋；鋼筋網(wǎng)設(shè)計(jì)為Φ8@200；支護(hù)工程方案設(shè)計(jì)在左岸高程1324.5m平臺(tái)以下的部位噴厚度為100mm的C25混凝土；考慮工程的景觀效果和環(huán)境保護(hù)要求，對(duì)左岸邊坡進(jìn)行水土保持設(shè)計(jì)，具體方案為：在保證500年一遇泄洪要求的前提下，在高程1324.5m平臺(tái)以上的邊坡部位衱泄洪槽的邊墻進(jìn)行植被混凝土噴掛，總施工面積約為14431m2。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

為了計(jì)算原始開挖設(shè)計(jì)方案下的邊坡穩(wěn)定性，計(jì)算過程中按照完全開挖無支護(hù)和支護(hù)2種工況進(jìn)行，上述兩種工況下進(jìn)一步細(xì)分為正常水位、設(shè)計(jì)水位、校核水位以及地震工況等四種不同工況[8- 10]。

利用上述模型和不平衡推力法，對(duì)溢洪道進(jìn)水渠段左岸邊坡在開挖后的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。由計(jì)算結(jié)果可知，某水電站溢洪道進(jìn)水渠段左岸邊坡在開挖后不支護(hù)的工況下，無水、正常水位以及開挖不蓄水+地震情況下的安全系數(shù)值均大于1.30，具有較高的安全系數(shù)，不會(huì)發(fā)生滑坡等破壞性情況。只有在正常蓄水位+地震條件下的邊坡安全系數(shù)小于1.3，邊坡穩(wěn)定性相對(duì)較差。在按照原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行邊坡加固工程措施之后，相應(yīng)工況下的邊坡安全系數(shù)值具有一定程度的增大。但是，在邊坡內(nèi)部最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面的情況來分析，由于砂漿錨桿的長(zhǎng)度只有5.0m，并不能穿過最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面，因此錨固效果并不明顯。

表2 設(shè)計(jì)方案下的邊坡安全系數(shù)計(jì)算成果

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案不平衡推力法分析

4.1 開挖支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上節(jié)對(duì)溢洪道邊坡設(shè)計(jì)方案的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，某水電站溢洪道進(jìn)水渠段兩岸的巖石邊坡進(jìn)行開挖放坡時(shí)可以適當(dāng)減小邊坡的坡度，放坡后的坡度由原來的1∶0.5提高到1∶0.6。左岸邊坡在高程1314.5、1312.5、1337、1352.5、1367.5m位置設(shè)計(jì)五級(jí)馬道不變。原設(shè)計(jì)中的各級(jí)馬道的寬度分別設(shè)計(jì)為3.0、10.5、3.5、3.5、3.5m，考慮到施工期車流量較大，為了保證交通暢通，建議將第二級(jí)馬道的寬度設(shè)計(jì)由10.5m增加到12.5m，同時(shí)還可以減少邊坡的開挖量，提高施工進(jìn)度。

左岸邊坡開挖后的掛網(wǎng)噴錨支護(hù)中的支護(hù)錨桿采用單根長(zhǎng)5.0m的砂漿錨桿，根據(jù)計(jì)算的邊坡滑移面深度值，這一長(zhǎng)度難以穿透滑移面，難以發(fā)揮有效的加固作用，因此建議將錨桿的長(zhǎng)度增加到10m，同時(shí)錨桿的角度應(yīng)該與滑移面垂直。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

按照原始設(shè)計(jì)方案計(jì)算中的工況設(shè)計(jì)，利用不平衡推力法對(duì)溢洪道進(jìn)水渠段左岸邊坡在開挖后的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。由計(jì)算結(jié)果可知，某水電站溢洪道進(jìn)水渠段高邊坡開挖支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中的所有計(jì)算工況下的安全系數(shù)均大于1.3，完全可以滿足相應(yīng)的規(guī)范要求，在進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨支護(hù)后，各種計(jì)算工況下的邊坡安全性系數(shù)均有不同程度的增加。

表3 設(shè)計(jì)方案下的邊坡安全系數(shù)計(jì)算成果

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可靠性分析

為了進(jìn)一步分析優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性以必要性，對(duì)該水電站溢洪道進(jìn)水渠段左岸邊坡進(jìn)行兩種開挖支護(hù)方案下的可靠性進(jìn)行分析計(jì)算?？煽啃杂?jì)算采用蒙特卡羅和摩根斯坦-普萊斯法，計(jì)算的模擬次數(shù)為8000次，計(jì)算結(jié)果見表4。由計(jì)算結(jié)果可知，在開挖不蓄水的條件下，原始設(shè)計(jì)方案的可靠性指標(biāo)為5.005，失效概率為0.056%；在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案下的可靠性指標(biāo)為5.299，失效概率為0.052%，均可以滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的穩(wěn)定性要求。在開挖后遭遇水庫蓄水、地震以及地震與洪水疊加的條件下，邊坡的可靠性指標(biāo)會(huì)明顯下降，而失效概率會(huì)明顯增加。與原始設(shè)計(jì)方案相比，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的安全性有所提高，失效概率有所減小。

表4 不同方案的邊坡可靠性計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)論

邊坡穩(wěn)定性直接影響水利工程施工的質(zhì)量以及施工人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。本次研究以某水電站溢洪道進(jìn)水渠段左岸邊坡開挖支護(hù)工程為例，利用極限平衡法對(duì)原始方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并獲得如下結(jié)論。

(1)在原始設(shè)計(jì)方案下，溢洪道進(jìn)水渠段左岸邊坡在開挖不支護(hù)情況下遭遇洪水和地震疊加是邊坡安全性較差，同時(shí)砂漿錨桿的長(zhǎng)度較小，錨固效果并不明顯。

(2)在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案下，溢洪道進(jìn)水渠段在開挖不支護(hù)的所有計(jì)算工況下的安全系數(shù)均大于1.3，完全可以滿足相應(yīng)的規(guī)范要求，在進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨支護(hù)后，邊坡安全性系數(shù)均有不同程度的增加。

(3)與原始設(shè)計(jì)方案相比，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的安全性有所提高，失效概率有所減小。

(4)與原始設(shè)計(jì)方案相比，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可減少約5萬m3的開挖量，可以縮短工期、節(jié)約投資，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。