兩河口水電站泄水出口邊坡開挖支護(hù)設(shè)計(jì)研究

張 婭 琴

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

隨著我國能源基礎(chǔ)建設(shè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水電工程建設(shè)規(guī)模越來越大，涉及到的邊坡問題越來越突出。在水利水電工程中，對自然邊坡及人工邊坡進(jìn)行分析研究，評價(jià)其穩(wěn)定性特征，對水電工程本身和修建運(yùn)營具有重大意義。本文以兩河口水電站泄水出口邊坡為研究對象，從邊坡地質(zhì)情況和結(jié)構(gòu)類型出發(fā)，采用Slide軟件進(jìn)行計(jì)算，分別計(jì)算出在正常持久，暴雨短暫及地震偶然條件下的穩(wěn)定系數(shù)，提出了邊坡深層支護(hù)參數(shù)，評價(jià)了泄水出口邊坡在不同工況下的穩(wěn)定性，為工程設(shè)計(jì)和施工提供了重要依據(jù)。

1 工程概況

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)，為雅礱江水電基地中下游控制性水庫梯級電站。電站采用壩式開發(fā)，水庫正常蓄水位2 865 m，水庫總庫容為107.67億m3，調(diào)節(jié)庫容為65.6億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)容量3 000 MW，樞紐建筑物采用“攔河堆石壩+右岸引水發(fā)電系統(tǒng)+左岸泄洪、放空系統(tǒng)+左、右導(dǎo)流洞”的工程樞紐總體布置格局。

1.1 泄水建筑物布置

本工程泄水建筑物均布置于左岸，從山體往岸坡方向依次布置深孔泄洪洞、放空洞、豎井泄洪洞、洞式溢洪道。其中豎井泄洪洞、放空洞、深孔泄洪洞的挑坎出口布置在同一高程，即2 625 m高程，本文所涉及的邊坡范圍從豎井泄洪洞出口洞臉開始，順河向往下游依次為放空洞出口開挖邊坡、深孔泄洪洞出口開挖邊坡，總長度約730 m，邊坡設(shè)計(jì)開口線最高高程為2 800 m，邊坡最大開挖高度約175 m。邊坡開挖平面布置見圖1。

圖1 兩河口水電站泄水建筑物出口邊坡開挖平面布置

1.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

兩河口水電站工程規(guī)模為一等大(Ⅰ)型工程，其泄洪消能等永久性主要建筑物為一級建筑物，其出口邊坡等級為一級?？拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為乙類設(shè)防，設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)采用 50年超越概率5%，基巖水平峰值加速度為181.4 gal。

2 出口邊坡地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)地貌

泄水建筑物出口位于雅礱江左岸，該段河流走向?yàn)榻黃N走向。斜坡縱向上總體呈溝梁相間的地貌特征，小沖溝(干溝)發(fā)育，溝內(nèi)植被茂盛，橫向上總體表現(xiàn)為下陡上緩特征，2 660 m高程以上相對緩坡，地形坡度30°～35°，2 660 m高程以下地形坡度40°～50°，局部地形較陡，地形坡度55°～65°。

出口斜坡發(fā)育于三疊系上統(tǒng)兩河口組中段第五層(T3lh2(5))地層之中，其巖性主要為粉砂質(zhì)板巖與絹云板巖不等厚互層。巖層產(chǎn)狀為N75°～85°W/SW∠60°～75°，板理較陡立，其產(chǎn)狀一般為N80°～87°W/NE∠70°～85°。巖層走向總體與雅礱江左岸斜坡呈大角度相交，斜坡為一陡傾橫向?qū)訝顜r質(zhì)邊坡。

出口斜坡巖性主要為砂質(zhì)板巖、絹云母板巖，絹云母板巖總體上抗風(fēng)化能力相對較弱。一般在水平方向上，由坡體表部至坡內(nèi)20～48 m為弱風(fēng)化巖體，再向里為微新、新鮮巖體。弱卸荷水平深度20～33.5 m。

據(jù)地表調(diào)查和平硐揭示，巖體內(nèi)發(fā)育Ⅲ級小斷層、節(jié)理密集帶、節(jié)理裂隙為特征。規(guī)模相對較大的斷裂構(gòu)造主要為順層發(fā)育的斷層、層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶，主要有f2、f5、f15及f17斷層，其中f2、f5和f17斷層走向與斜坡近于垂直；f15斷層平行岸坡發(fā)育，主要發(fā)育于深孔泄洪洞出口下游側(cè)。本段斜坡主要發(fā)育3組裂隙：①N75°～85°W/SW∠60°～75°(層面)，⑥N10°～20°E/NW∠25°～35°，④N10°～20°E/NW(SE)∠65°～80°，⑤N80°～85°W/NE∠70°～85°(板理)局部發(fā)育，其中⑥組為順坡向緩傾角裂隙。

2.2 巖石物理力學(xué)參數(shù)

壩區(qū)巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值及壩區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)建議值如表1～2所示。

表1 壩區(qū)巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值

表2 壩區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)建議值

3 邊坡開挖設(shè)計(jì)

泄水建筑物出口邊坡沿河向溝梁相間，等高線起伏不斷，且位于溢洪道泄洪霧化區(qū)，邊坡設(shè)計(jì)采用 “少開挖、強(qiáng)支護(hù)”為原則來進(jìn)行邊坡開挖布置。同時(shí)還有以下考慮：

(1)鑒于多個(gè)泄水建筑物出口依次排列布置，布置在上游側(cè)的出口其側(cè)坡的開挖盡量垂直或陡坡，以便增加下游側(cè)靠山體隧洞段的巖體側(cè)覆厚度；

(2)結(jié)合出口挑坎的結(jié)構(gòu)體型，合理布置開挖輪廓，減少開挖量。

根據(jù)總體樞紐布置，深孔泄洪洞、豎井泄洪洞、放空洞出口挑坎及護(hù)坦的建基面高程為2 625.0 m，挑坎齒槽建基面高程為2 623.0 m。深孔泄洪洞及放空洞出口挑坎的開挖寬度均為15.0 m，豎井泄洪洞出口挑坎的開挖寬度為17.0 m。

深孔泄洪洞出口側(cè)邊坡區(qū)域Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類巖石分別按1:0.3、1:0.5、1:0.75的坡比開挖，局部Ⅲ類地段有垂直坡開挖；考慮到邊坡整個(gè)開口線布局，局部Ⅴ類地段有1:0.4的坡比開挖。

放空洞和豎井泄洪洞出口側(cè)邊坡區(qū)域Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類巖石分別按垂直坡1:0.3，1:0.5的坡比開挖，局部Ⅴ類地段按1:0.4的坡比開挖。

開挖邊坡按25 m高差設(shè)置一條3.0 m寬的馬道。邊坡最大開挖高度約175 m，在放空洞出口側(cè)邊坡。邊坡開挖參數(shù)在可研設(shè)計(jì)階段有優(yōu)化調(diào)整，其施工階段開挖參數(shù)見表3。

表3 邊坡開挖參數(shù)對比

4 開挖邊坡穩(wěn)定分析

4.1 計(jì)算分析標(biāo)準(zhǔn)

泄洪放空建筑物出口邊坡根據(jù)荷載效應(yīng)組合或運(yùn)行工況，采用極限平衡法的下限解法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，邊坡安全系數(shù)如表4所示。

表4 邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

4.2 失穩(wěn)模式分析

由于該斜坡具有緩傾坡外、陡傾坡外裂隙比較發(fā)育的結(jié)構(gòu)特征，斜坡結(jié)構(gòu)面不利組合(以NNE向⑥組緩傾坡外裂隙為底滑面，④組陡傾坡外或陡傾坡內(nèi)結(jié)構(gòu)面為后緣拉裂面，①⑤組巖層面或板理為側(cè)向割裂面)，加之該區(qū)巖性主要為較軟弱的板巖，構(gòu)成斜坡局部變形破壞的基礎(chǔ)。

根據(jù)開挖邊坡各斷面地質(zhì)圖，分析可能的失穩(wěn)滑裂面，對各個(gè)滑裂面所組成的塊體進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算，假定失穩(wěn)模式如下。

失穩(wěn)模式一：切割Ⅴ1類巖體的近似圓弧滑動(dòng)(見圖2)。

圖2 模式一 圖3 模式二

失穩(wěn)模式二：選取第④組裂隙為后緣面，以弱風(fēng)化線為底滑移面的滑動(dòng)(見圖3)。

失穩(wěn)模式三：選取第④組裂隙為后緣面，以強(qiáng)卸荷線為底滑移面的滑動(dòng)(見圖4)。

失穩(wěn)模式四：選取第④組裂隙為后緣面，以第⑥組裂隙為底滑移面的滑動(dòng)(見圖5)。

圖4模式三 圖5 模式四

失穩(wěn)模式五：選取第⑤組裂隙為后緣面，以強(qiáng)卸荷線為底滑移面的滑動(dòng)(見圖6)。

圖6 模式五

4.3 計(jì)算分析

計(jì)算分析中邊坡開挖橫剖面在順河向的間距約30 m，其中對洞臉內(nèi)、外側(cè)的轉(zhuǎn)角坡、開挖控制剖面等特殊位置進(jìn)行剖面加密；針對各剖面可能出現(xiàn)的不同失穩(wěn)模式組合，分別考慮正常持久、暴雨短暫、地震偶然這三種工況，計(jì)算荷載主要考慮失穩(wěn)滑體自重、支護(hù)提供的錨固力、水荷載、地震荷載，其中暴雨工況的孔隙水壓力系數(shù)取為0.1。

計(jì)算采用Slide分析軟件，下面列出兩個(gè)典型剖面計(jì)算分析成果：

(1)放空洞出口內(nèi)側(cè)坡CK21剖面，計(jì)算控制工況為暴雨工況，在失穩(wěn)模式一和失穩(wěn)模式三需要增加支護(hù)力。CK21剖面計(jì)算模型及剖面失穩(wěn)模式如圖7～9所示，計(jì)算成果見表5。

表5 計(jì)算成果

圖7 CK21剖面計(jì)算模型(單位：m)

圖8 CK21剖面失穩(wěn)模式一計(jì)算示意

本計(jì)算剖面開展四種失穩(wěn)模式的計(jì)算，其中模式二和模式四各工況下未支護(hù)的計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范值，模式一和模式三的暴雨短暫工況時(shí)，需在不同高程需增加支護(hù)錨固力，結(jié)合考慮兩種失穩(wěn)模式支護(hù)錨固力的計(jì)算成果，在2 715.00 m高程以上布置20排P=1 500 kN的錨索，間距4 m。

圖9 CK21剖面失穩(wěn)模式三計(jì)算示意

(2)泄洪洞出口轉(zhuǎn)角坡CK20剖面，計(jì)算控制工況為暴雨工況，在失穩(wěn)模式一需要增加支護(hù)力。CK20剖面計(jì)算模型及剖面失穩(wěn)模式如圖10～11所示，計(jì)算成果見表6。

圖10 CK20剖面計(jì)算模型(單位:m)

圖11 CK20剖面失穩(wěn)模式一計(jì)算

表6 計(jì)算成果

本計(jì)算剖面開展兩種失穩(wěn)模式的計(jì)算，其中模式五各工況下未支護(hù)的計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范值，模式一的暴雨短暫工況時(shí)，需在2 700.00 m高程以上布置10排P=1 500 kN錨索，間距4 m。

(3)針對不同的計(jì)算剖面可能發(fā)生的失穩(wěn)模式組合，根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算分析成果，劃分多個(gè)支護(hù)區(qū)域，作為邊坡深層支護(hù)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

5 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，邊坡支護(hù)采取“全面淺層支護(hù)、局部深層支護(hù)，開口馬道鎖口支護(hù)”等原則，同時(shí)邊坡設(shè)置坡面排水和淺層排水孔相結(jié)合的措施。具體支護(hù)參數(shù)如下：

淺層支護(hù)。根據(jù)清坡范圍，開挖揭示的圍巖類別及性狀，霧化雨強(qiáng)范圍等因素，對邊坡表面采取深度為4.5～9 m的錨桿進(jìn)行支護(hù)，間排距1.5～2 m，巖石邊坡表面噴混凝土保護(hù)，覆蓋層或較破碎的邊坡表面設(shè)置框格梁，霧化雨強(qiáng)范圍大于50 mm的邊坡范圍，設(shè)置貼坡混凝土保護(hù)坡面。

深層支護(hù)。主要在不穩(wěn)定的滑移模式的范圍內(nèi)布置錨索，錨索長度交錯(cuò)布置。

鎖口支護(hù)。開口線的鎖口支護(hù)采用兩排錨桿束，間排距2 m。馬道鎖口支護(hù)采用一排錨桿束，間距2 m。

危巖體清理。針對危巖體的位置和性狀，采取清除或加固的處理原則，同時(shí)在邊坡開口線外一定距離設(shè)置一道4 m高柔性防護(hù)網(wǎng)，防止孤塊碎石崩落損害下方建筑物。

霧化區(qū)防護(hù)區(qū)支護(hù)?？紤]溢洪道泄洪水舌區(qū)域邊坡霧化情況，深孔泄洪洞出口內(nèi)側(cè)坡、洞臉坡及隧洞出口段外側(cè)坡，2 700.00 m高程以下布置C25貼坡混凝土，厚0.8 m；放空洞出口內(nèi)側(cè)坡、洞臉坡及隧洞出口段外側(cè)坡2 650.00 m高程以下布置C25貼坡混凝土，厚0.8 m；豎井泄洪洞出口內(nèi)側(cè)坡考慮受溢洪道泄洪出口水翅濺水影響2 700.00 m高程以下布置C25貼坡混凝土，厚0.8 m。

對穿錨索區(qū)支護(hù)。因放空洞出口挑坎內(nèi)側(cè)坡段的山體內(nèi)布置有泄洪洞洞身段，為盡量少地削減泄洪洞洞身段山體側(cè)覆厚度，此段出口邊坡采用直坡和1:0.3的坡比開挖，隧洞的側(cè)覆厚度最薄處僅有15 m，因此在此段增加對穿錨索支護(hù)，垂直向錨索采用3排垂直間距4 m，順河向沿泄洪洞底坡坡度布置，水平間距4 m。邊坡側(cè)采用混凝土錨頭，隧洞內(nèi)側(cè)采用鋼錨頭，錨索噸位采用1 000 kN。

邊坡排水設(shè)計(jì)。整個(gè)坡面設(shè)置排水孔，孔深5 m，間排距3 m。開口線外側(cè)設(shè)置排水溝0.6 m×0.6 m，各級馬道內(nèi)側(cè)設(shè)置截水溝0.3 m×0.3 m，將坡面的水截住后匯入側(cè)坡排水溝排入下游。

6 監(jiān)測跟蹤

左岸泄水建筑物出口邊坡開挖2014年底開始施工，2018年底開挖支護(hù)基本完成。該區(qū)域邊坡共布設(shè)4個(gè)監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面位置充分考慮結(jié)構(gòu)計(jì)算成果進(jìn)行布設(shè)，能夠達(dá)到對左岸泄水建筑物進(jìn)出口邊坡全面監(jiān)控目的。監(jiān)測項(xiàng)目主要包括：表面變形觀測、內(nèi)部變形觀測邊坡、支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測。

各外觀測點(diǎn)實(shí)測上下游(X)方向累積位移在-18.5～10.0 mm之間；左右岸(Y)方向累積位移在-11.3～26.8 mm之間，累積沉降(Z)變形在-25.6～30.4 mm范圍內(nèi)，各向位移隨時(shí)間呈水平走勢，月變化較小?？傮w來看，泄洪放空洞出口邊坡外觀各向累積位移走勢平緩。

各多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測成果看，1至3監(jiān)測斷面各測點(diǎn)實(shí)測邊坡位移量在-2.38～1.55 mm之間，累積位移量較小。其中4-4斷面2 763.00 m、2 727.00 m高程的多點(diǎn)位移計(jì)M4XC-03、M4XC-07孔口累積位移分別為15.47 mm、21.95 mm，位移變化較小，主要為淺表層變形(變形深度0～5 m范圍內(nèi))，變形主要發(fā)生在開挖前期，在邊坡基本開挖完成后，該部位變形逐漸趨于平緩收斂。邊坡2017年8月起增補(bǔ)的多點(diǎn)位移計(jì)全部安裝完成，投入正常觀測，目前累計(jì)變形量在-0.06～1.45 mm之間，變形量較小。

錨索錨固力測值在1 000 kN和1 500 kN設(shè)計(jì)荷載附近(774.34～1 735.50 kN之間)，錨固力損失率在-2.58%～20.54%之間，錨索支護(hù)荷載鎖定后呈損失狀態(tài)，(較鎖定值均有所減小)，且逐漸趨于平穩(wěn)。其中錨固力損失率最大20.54%，發(fā)生在2 737 m高程處的PRXC-52，錨固力當(dāng)前測值793.37 kN，目前該部位錨索錨固力走勢趨緩?？傮w來看，大多數(shù)錨索錨固力損失率基本都在10%以內(nèi)，錨固力走勢平緩。

目前未見新的地質(zhì)異常情況，地表巡視檢查也未發(fā)現(xiàn)異常。淺表部變形較明顯的兩個(gè)測點(diǎn)變形亦無變化。總體來看，邊坡目前基本趨于穩(wěn)定。

7 結(jié) 語

兩河口工程泄洪水頭高，流量大且河谷窄。泄洪放空建筑物出口邊坡受泄洪霧化影響大，為保證泄水建筑物的安全，對出口邊坡的開挖支護(hù)研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在可研設(shè)計(jì)階段出口邊坡開挖高度較高，工程量較大，開挖范圍較廣。開挖施工中，為減少邊坡開挖爆破對生態(tài)環(huán)境的影響，降低或避免環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合泄洪放空建筑物出口挑坎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整，對邊坡開挖開展了大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)整工作，將可開挖高度從250 m降低至175 m，有效控制了邊坡開挖高度，節(jié)約了工程投資。同時(shí)，在開挖過程中和開挖完成后的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，邊坡安全可靠，為電站的安全運(yùn)行提供了保證。