周寧抽水蓄能電站下庫左壩頭邊坡穩(wěn)定分析及支護調(diào)整

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）

0 引言

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)

1 二維計算模型與初始條件

1.1 數(shù)值計算模型

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

1.2 巖體本構(gòu)模型及力學(xué)參數(shù)取值

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

1.3 巖體結(jié)構(gòu)面本構(gòu)模型與參數(shù)取值

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

1.4 計算工況及邊坡穩(wěn)定安全標準

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

2 邊坡穩(wěn)定分析成果

2.1 開挖施工期邊坡穩(wěn)定性分析

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

2.2 運行期蓄水狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性分析

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

3 最終采取的支護型式

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

4 結(jié)論與建議

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。