垣曲抽水蓄能電站上水庫進/出水口邊坡穩(wěn)定分析

房恩澤，蘇奕康，允貝振星，尚玉超

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林長春 130021）

1 工程概況

垣曲抽水蓄能電站位于山西運城市垣曲縣境內(nèi)，距太原公路里程420 km，距運城公路里程150 km，距垣曲縣公路里程46 km。垣曲抽水蓄能電站為Ⅰ等、大（1）型工程，工程樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)及地下廠房和開關(guān)站等組成。樞紐共布置2 套獨立的輸水系統(tǒng)，每套輸水系統(tǒng)由引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)兩部分組成，引水系統(tǒng)由上水庫進/出水口、引水隧洞、引水調(diào)壓室、壓力管道、高壓引水岔管及高壓引水支管等建筑物構(gòu)成；尾水系統(tǒng)由尾水支管、尾水事故閘門室、尾水岔管、尾水隧洞、尾水調(diào)壓室、下水庫進/出水口等建筑物組成。

主要水工建筑物為1 級建筑物，次要建筑物為3 級建筑物，輸水系統(tǒng)建筑物級別為1 級。

上水庫進/出水口邊坡為永久性主要建筑物邊坡，為A 類、1 級，工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，上、下水庫進/出水口抗震設(shè)防類別為甲類，其設(shè)計地震加速度代表值取100 年超越概率2%的地震動峰值加速度187 gal[1]。

2 邊坡地形地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

上水庫進/出水口位于右岸，距壩軸線約160 m，地面高程920～990 m，地形均相對較緩，坡度20°～30°。

2.2 地層巖性

地表覆蓋層主要為坡積碎石混合土，2 號沖溝左側(cè)厚8.00～12.00 m，右側(cè)厚度一般為2.00～4.00 m，下伏基巖主要為云夢山組二段石英砂巖、長石砂巖、粉砂巖及泥巖和頁巖等，全～強風化帶巖體厚度一般為1.50～10.45 m，弱風化帶巖體厚度為60.00～75.00 m，巖體中粘土質(zhì)砂巖現(xiàn)象較為嚴重，但厚度一般不均一，較破碎～破碎，局部完整性差，以互層狀結(jié)構(gòu)為主，局部為中厚層狀結(jié)構(gòu)，且傾向坡外，易發(fā)生順坡滑動。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

斷層主要有NNW～NW 向F21，F(xiàn)25，F(xiàn)106，NE向F51，F(xiàn)105等，以中陡傾角為主，寬0.20～1.20 m，據(jù)鉆孔揭露F104，F(xiàn)121 寬約10.00 m，主要由碎裂巖、碎塊巖、角礫巖及少量斷層泥和糜棱巖等組成。層面產(chǎn)狀為N30°E/SE∠30°。節(jié)理主要發(fā)育4組，J1 走向N25°～45°E，傾向SE，傾角75°～85°；J2走向N60°～80°E，傾向SE（NW），傾角70°～85°；J3走向N10°～15°E，傾向NW（SE），傾角85°；J4走向N25°～30°W，傾向SW（NE），傾角70°～85°。

3 邊坡穩(wěn)定計算

3.1 邊坡分析

J1，J2，J3 組節(jié)理與上水庫進水口洞臉邊坡走向大角度相交，傾向坡外，且均為陡傾角節(jié)理，對洞臉邊坡穩(wěn)定影響不大；J4 組節(jié)理與洞臉邊坡交角較小，且傾向坡外，不利于邊坡穩(wěn)定。

洞臉邊坡部位巖體層理發(fā)育，層理傾向坡外，且?guī)r體層理為緩傾角節(jié)理，因此，巖體層理與J4 組節(jié)理相互切割可以形成不穩(wěn)定塊體，容易發(fā)生滑動破壞，所以需對上水庫進/出水口邊坡進行穩(wěn)定計算。

3.2 計算方法

上水庫進/出水口邊坡穩(wěn)定采用極限平衡分析方法，由于該邊坡為Ⅰ級，采用兩種方法計算，分別為M-P 法及畢肖普法計算，計算程序采用加拿大GEO-SLOPE 公司GeoStudio 系列軟件。

GeoStudio 系列軟件是一套專業(yè)、高效而且功能強大的適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計算的仿真軟件，可供巖土、水利、地質(zhì)工程等專業(yè)從事工程設(shè)計和數(shù)值計算。SLOPE/W 模塊是計算巖土邊坡安全系數(shù)的主流軟件。它能同時用8 種方法分析計算簡單或復雜的邊坡穩(wěn)定問題，用于對簡單或者復雜滑移面的形狀改變，孔隙水壓力狀況，土體性質(zhì)，不同加載方式等巖土工作問題進行分析。SLOPE/W 模塊使用極限平衡原理對不同土體類型、復雜地層和滑移面形狀邊坡的孔隙水壓力分布情況進行建模分析[2]。

3.3 計算工況

根據(jù)DL/T 5353-2006《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，并結(jié)合上水庫進/出水口外邊坡的特點，綜合考慮，計算選取3 個相對不利工況進行穩(wěn)定復核計算：工況1，死水位（持久狀況）；工況2，死水位以下+遇暴雨（短暫工況）；工況3，死水位+地震（偶然狀況）。

3.4 計算參數(shù)

穩(wěn)定分析采用的巖土體與結(jié)構(gòu)面物理力學參數(shù)見表1。

3.5 邊坡穩(wěn)定計算

上水庫進/出水口有1，2 號2 個進/出水口，邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果如圖1，2 所示。

經(jīng)計算分析，上水庫1，2 號進/出水口邊坡（持久工況）沿深層粘土巖層面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范下限要求，其中上水庫1 號進/出水口邊坡（持久工況）兩種方法均不滿足規(guī)范要求，上水庫2號進/出水口邊坡（持久工況）極限平衡M-P法不滿足規(guī)范下限要求，畢肖普方法滿足規(guī)范下限要 求。因此，上水庫1號、2號進/出水口邊坡均設(shè)置無粘結(jié)預應力錨索，錨固角水平0°，錨固力1 000 kN，計算不同工況下的安全系數(shù)如表2 所示。計算成果表明，上水庫進/出水口邊坡在各工況下安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，開挖邊坡整體穩(wěn)定。

表1 邊坡巖體的物理力學參數(shù)表

圖1 上水庫1 號進/出水口邊坡計算剖面

圖2 上水庫2 號進/出水口邊坡計算剖面

表2 上水庫進/出水口邊坡開挖穩(wěn)定分析成果表（設(shè)置錨索）

4 結(jié)語

綜上所述，上水庫進/出水口邊坡，未施加預應力錨索時，計算結(jié)果不滿足DL/T 5353-2006 規(guī)定，施加預應力錨索后，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。陡傾角節(jié)理傾向坡外，與較緩巖體層理相交，容易切割出不穩(wěn)定巖體，不利于邊坡穩(wěn)定，此種破壞在工程實踐中較為常見。過程通常是坡腳先發(fā)生滑動，繼而其上部巖體順巖體層理開始滑動，最后導致整個邊坡的破壞，這種破壞應采取工程措施予以避免。邊坡穩(wěn)定計算參數(shù)對結(jié)果影響較大，施工階段宜通過現(xiàn)場試驗確定參數(shù)合理性，根據(jù)現(xiàn)場試驗參數(shù)成果調(diào)整前期開挖邊坡及支護形式。