王棟良,徐小東,潘 兵,陳冬冬
(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州,311122;2.華東勘測設(shè)計院(福建)有限公司,福建 福州,350003)
周寧抽水蓄能電站位于福建省寧德市周寧縣七步鎮(zhèn)境內(nèi),電站裝機容量1 200 MW,為一等大(1)型工程。下水庫擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩,壩高108 m,其左岸邊坡高度約140 m。根據(jù)前期PDX06探洞勘探資料,下水庫左岸邊坡高高程發(fā)育f28斷層(N35°~45°E SE∠15°~20°,全~強風(fēng)化碎塊巖、碎裂巖夾灰白色斷層泥,兩側(cè)巖體受斷層影響,巖體破碎)、f44斷層(N55°~60°E SE∠55°~60°,強風(fēng)化碎塊巖、碎裂巖夾灰白色斷層泥,巖體破碎)、f39斷層(N25~50°E SE∠55°~70°,巖體破碎,充填碎塊巖、巖屑及少量泥,鐵錳質(zhì)渲染,微扭,呈強~弱風(fēng)化),斷層性狀如圖1~2所示。其中,f28為順坡緩傾斷層,與f39、f44順坡陡傾角斷層組合,可形成潛在不利塊體,需進行工程處理,設(shè)計在高程305.5 m 以上坡面布置6 排2 000 kN 預(yù)應(yīng)力錨索進行加強支護處理。
圖1 壩軸線左壩肩工程地質(zhì)縱剖面示意圖(可研階段)Fig.1 Longitudinal geological profile of the left abutment (in the feasibility study stage)
根據(jù)前期揭露的f44、f39、f28斷層產(chǎn)狀推測,這三條斷層均會在左岸灌漿平洞中揭露,但技施階段從灌漿平洞、左岸繞壩隧洞開挖揭露的情況來看,僅揭露f39斷層,未見f44和f28斷層穿過。分析推測:(1)f44斷層往上游側(cè)性狀轉(zhuǎn)好,斷層尖滅為節(jié)理狀,或被f39等其他結(jié)構(gòu)面切斷;(2)根據(jù)f28斷層出露情況,其產(chǎn)狀存在一定起伏,向山體內(nèi)部傾角變緩,從灌漿平洞及繞壩洞底部穿過。邊坡穩(wěn)定性變好,因此設(shè)計對邊坡支護形式進行了調(diào)整,擬將6排2 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索調(diào)整為3 排1 000 kN 預(yù)應(yīng)力錨索+3 排錨筋樁。設(shè)計對支護調(diào)整后的邊坡穩(wěn)定性進行了分析。
圖2 左岸灌漿平洞、PDX06探洞布置示意圖Fig.2 Layout of grouting holes on the left bank and the PDX06 probe hole
圖3 壩軸線左壩肩工程地質(zhì)縱剖面示意圖(技施階段)Fig.3 Longitudinal geological profile of left abutment (in the construction stage)
此次數(shù)值分析采用強度折減法對邊坡的穩(wěn)定性進行分析,計算程序采用美國ITASCA 公司開發(fā)的離散元分析軟件UDEC。強度折減方法是在巖土工程的非線性分析過程中,通過降低巖體與結(jié)構(gòu)面強度參數(shù)(主要是粘聚力和摩擦角),使系統(tǒng)達到極限平衡狀態(tài),此時的折減系數(shù)就是相應(yīng)的安全系數(shù),強度trial折減的表達式為:
式中,c和φ分別為粘聚力和摩擦角;Fs為強度折減系數(shù)(模型不能達到平衡時的折減系數(shù)就是安全系數(shù)),ctrial和φtrial分別為折減后巖體(塊)或結(jié)構(gòu)面的粘聚力和摩擦角,也即計算過程中的強度參數(shù)。
根據(jù)揭露地質(zhì)情況,f44斷層并未向下延伸與f28斷層組合形成確定性塊體,但考慮到左岸NE 向順坡陡傾優(yōu)勢節(jié)理發(fā)育,因此計算中按相對不利情況考慮,假設(shè)f44斷層向下延伸并與f28斷層相交,計算模型如圖4所示。
圖4 壩軸線剖面左岸邊坡數(shù)值計算模型Fig.4 Numerical model of the slope on the left bank
各類巖體參數(shù)建議取值如表1 所示。巖體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型,強度準則是傳統(tǒng)Mohr-Coulomb 剪切屈服準則與拉伸屈服準則相結(jié)合的復(fù)合屈服準則。
表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass
表2中為綜合擬定的結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)建議值,結(jié)構(gòu)面參數(shù)取地質(zhì)建議值中值,結(jié)構(gòu)面的破壞準則選用庫侖剪切強度準則。
表2 結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值Table 2 Physical and mechanical parameters of structural plane
根據(jù)DL/T 5353-2006《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》,周寧抽水蓄能電站下水庫邊坡級別為A類I級,邊坡設(shè)計安全系數(shù)取值見表3。
表3 周寧抽水蓄能電站下水庫邊坡穩(wěn)定安全標準Table 3 Safety criteria for slope stability
根據(jù)DL/T 5353-2006《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》,在地震基本烈度為VII 度及VII 度以上的地區(qū),應(yīng)計算地震作用力的影響。本工程壩址區(qū)地震基本烈度為VI 度,可不考慮地震作用力對邊坡穩(wěn)定的影響。
穩(wěn)定分析分為自然邊坡、邊坡開挖施工期和永久運行期,計算工況及荷載組合如表4所示。施工期組合塊體基本在地下水位線以上,為簡化計算,不考慮地下水的影響,而運行期塊體有一部分在正常蓄水位以下,其中f28斷層基本在水位線以下,因此計算中需要考慮水荷載的影響。降雨對邊坡影響主要包括兩個方面:一是引起地下水位上升,裂隙充水、孔隙水壓力增高;二是降低巖體和結(jié)構(gòu)面強度。由于降雨條件下地下水位上升幅度影響因素較多,難以確定,因此本次計算中暴雨工況按巖體和結(jié)構(gòu)面參數(shù)折減0.9倍等效考慮。
表4 邊坡穩(wěn)定性計算工況組合表Table 4 Working conditions in the slope stability calculation
施工期工程開挖邊坡變形破壞模式與自然邊坡一致,仍主要是受f28、f44斷層控制,沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生復(fù)合式滑移破壞,其中f28斷層為控制性底滑面,如圖5 所示。各工況下組合塊體安全系數(shù)見表5,受邊坡開挖影響,組合塊體安全系數(shù)有一定程度降低,在優(yōu)化后支護方案中,持久工況組合塊體安全系數(shù)為1.54,短暫工況安全系數(shù)為1.38,均滿足規(guī)范要求的最低安全系數(shù)標準,并具備一定安全裕度。
表5 施工期邊坡穩(wěn)定性計算成果(壩軸線剖面)Table 5 Results of slope stability calculation during construction
圖5 施工期工程開挖邊坡變形破壞模式Fig.5 Deformation and failure mode of the slope during con?struction
運行期蓄水狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定仍主要受f28和f44斷層控制,如圖6 所示,蓄水會在一定程度上降低f28和f44斷層組合塊體的安全系數(shù),持久工況下組合塊體安全系數(shù)為1.35,短暫工況下安全系數(shù)為1.29,仍能滿足規(guī)范要求的最低安全系數(shù)標準,并具備一定的安全裕度。
圖6 運行期蓄水狀態(tài)下工程邊坡變形破壞模式及安全系數(shù)Fig.6 Deformation and failure mode and safety factor of slope in operation period
根據(jù)計算分析,擬采用的支護參數(shù)滿足穩(wěn)定需求,具體支護參數(shù)如下:
(1)邊坡上部布置三排1 000 kN、L=30 m/40 m無粘結(jié)型預(yù)應(yīng)力錨索,具體布置高程為327.5 m、323.50 m和319.50 m,間距4.0 m,下傾8°。
(4)掛網(wǎng)噴混凝土:掛網(wǎng)筋φ8@20 cm×20 cm,噴C25混凝土,厚15×cm。
(5)系統(tǒng)排水孔:φ59排水孔,L=5 m@3 m×3 m,矩形布置;馬道上部50 cm布置一排深排水孔,φ100,L=10 m@9 m,仰角5°。
圖7 技施階段最終采用的支護措施Fig.7 The supporting measures adopted in the construction stage
根據(jù)開挖揭露的地質(zhì)情況,對下水庫左壩頭邊坡穩(wěn)定性進行分析,并復(fù)核當(dāng)前優(yōu)化支護方案的合理性,主要結(jié)論和建議如下:
(1)邊坡穩(wěn)定性及支護設(shè)計參數(shù)調(diào)整的主要認識:數(shù)值計算表明,左壩頭邊坡305.5 m高程以上支護設(shè)計參數(shù)優(yōu)化調(diào)整后,按地質(zhì)建議的結(jié)構(gòu)面參數(shù)中值,施工期及運行期各工況下,f44和f28斷層組合塊體安全系數(shù)仍能夠滿足規(guī)范要求,并具有一定安全裕度,即優(yōu)化后的支護方案整體是合適的。
(2)考慮到組合塊體安全系數(shù)對結(jié)構(gòu)面參數(shù)取值較敏感,而結(jié)構(gòu)面參數(shù)取值仍有一定不確定性,開挖邊坡應(yīng)埋設(shè)相關(guān)監(jiān)測儀器,為后續(xù)邊坡穩(wěn)定性評價提供數(shù)據(jù)支撐。