水利樞紐工程聯(lián)合進(jìn)水口軟巖高邊坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)研究

李召良

（中鐵十一局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430061）

1 案例工程概述

本研究以某大型水利樞紐工程為例，項(xiàng)目主要為混凝土面板砂礫石壩，設(shè)計(jì)水位為200 m，位于Ⅵ度強(qiáng)地震烈度區(qū)，需滿足抗震標(biāo)準(zhǔn)。聯(lián)合進(jìn)水口邊坡展現(xiàn)為岸坡地貌，高程為1 676 m 以下坡角50°，（1 676～1 700）m 坡角30°～40°，1 700 m 以上坡角45°～50°。項(xiàng)目旨在調(diào)節(jié)季節(jié)流量，確保灌溉水源和電力供應(yīng)?？紤]到地區(qū)平均含沙量為6.94 kg/m3，工程設(shè)計(jì)與運(yùn)營均需確保其安全性和可持續(xù)性。

2 高邊坡問題與設(shè)計(jì)策略

2.1 高邊坡問題探討

聯(lián)合進(jìn)水口工程涉及3 條隧洞：1#洞、2#洞及發(fā)電洞，底板高程分別為1 696 m、1 715 m 和1 725 m。工程基巖是微晶灰?guī)r夾灰質(zhì)礫巖，裸露于進(jìn)水口，增加開挖難度。開挖邊坡高度達(dá)200 m，加上復(fù)雜的巖層構(gòu)造和裂隙分布，使得工程穩(wěn)定性和安全性受到挑戰(zhàn)。工程設(shè)計(jì)需考慮巖層特性、巖性、抗壓抗剪強(qiáng)度等地質(zhì)因素和地形特點(diǎn)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響[1]。水庫正常蓄水位為1 770 m，死水位為1 740 m，年水位降落30 m，給邊坡穩(wěn)定性帶來壓力。本文針對(duì)地質(zhì)情況，將使用模型分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)，確保工程的安全性和持續(xù)性。

2.2 高邊坡穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方案

對(duì)1 725 m 的進(jìn)水口高邊坡設(shè)計(jì)，綜合考慮地形、地質(zhì)和防災(zāi)，制定了全面的設(shè)計(jì)方案。每10 m 設(shè)置一條2 m 寬的馬道，確保施工安全與效率。閘門井斜坡的開挖坡比為1∶1.15，并使用混凝土襯板和錨桿增強(qiáng)穩(wěn)定性。重視地質(zhì)環(huán)境變化，采用垂直開挖，減少交通橋長度以節(jié)約成本。施工中，所有巖石斜坡開挖與支撐同步進(jìn)行。通過全面的監(jiān)測(cè)設(shè)備，如多點(diǎn)位移計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)控斜坡變形，確保其穩(wěn)定性。

針對(duì)抗滑穩(wěn)定性問題，回填混凝土的高程設(shè)為1 745 m，使其自重能夠壓實(shí)邊坡腳部，提高邊坡的抗滑穩(wěn)定性[2]。綜合評(píng)價(jià)顯示，這樣的設(shè)計(jì)將顯著提高進(jìn)水口塔群在地震條件下的側(cè)向抗滑安全系數(shù)，從而確保項(xiàng)目的安全并優(yōu)化資源的使用。

3 邊坡穩(wěn)定性的模型計(jì)算與評(píng)估

3.1 計(jì)算條件設(shè)定

針對(duì)聯(lián)合進(jìn)水口邊坡的穩(wěn)定性問題，本文采用有限元法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。計(jì)算模型采用了二維和三維有限元模型，其中二維模型主要用于邊坡的抗滑穩(wěn)定分析，三維模型則用于整體變形穩(wěn)定分析。計(jì)算條件如下：

1）二維模型：采用有限元強(qiáng)度折減法和剛體極限平衡法進(jìn)行分析，計(jì)算工況包括正常蓄水位、施工完建期、正常蓄水位+暴雨或久雨水位驟降、正常蓄水位+地震。

2）三維模型：采用三維非線性有限元法進(jìn)行分析，計(jì)算工況包括正常蓄水位、施工完建期、正常蓄水位+暴雨或久雨水位驟降、正常蓄水位+地震。計(jì)算模型中采用的主要巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 穩(wěn)定性分析

采用有限元強(qiáng)度折減法和剛體極限平衡法對(duì)聯(lián)合進(jìn)水口邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果滿足規(guī)范要求。受斷層影響，1 618.5 m 馬道局部變形較大，但影響不大。回填混凝土的高程設(shè)為1 745 m 提高抗滑穩(wěn)定性。三維非線性有限元法結(jié)果顯示，初步設(shè)計(jì)后的支護(hù)滿足標(biāo)準(zhǔn)，但1 號(hào)變形體安全系數(shù)相對(duì)低，需重點(diǎn)關(guān)注。綜合模型分析，聯(lián)合進(jìn)水口邊坡滿足規(guī)范要求，三維模型更接近實(shí)際。二維計(jì)算補(bǔ)充了三維模型的缺陷，且由于考慮的因素限制，其結(jié)果為支護(hù)設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)。

4 高邊坡穩(wěn)定性設(shè)計(jì)策略實(shí)施與分析

4.1 環(huán)境因素與巖體特性分析

在水利水電工程中，聯(lián)合進(jìn)水口邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要。該區(qū)域的邊坡主要由砂巖、泥巖和砂礫巖組成，它們的特性對(duì)穩(wěn)定性有顯著影響，巖層傾角為30°～60°，級(jí)別為Ⅱ級(jí)[3]。卸荷裂隙和卸荷崩塌可能導(dǎo)致漸進(jìn)式崩塌，并在水浸下降低巖體強(qiáng)度。設(shè)計(jì)考慮了地質(zhì)特性和規(guī)范，目標(biāo)是防止整體失穩(wěn)。聯(lián)合進(jìn)水口左側(cè)邊坡高度為1 800 m，為極軟巖，采用“強(qiáng)開挖、弱支護(hù)”策略。開挖后立即進(jìn)行混凝土噴涂和錨桿支護(hù)等措施，提高工程安全性。

4.2 強(qiáng)震條件下的邊坡設(shè)計(jì)方案

1）設(shè)計(jì)策略與坡度配置。對(duì)于高程為1 725 m 的進(jìn)水口邊坡設(shè)計(jì)，特別考慮了閘井的寬度和馬道的設(shè)置，以確保邊坡的穩(wěn)定性和工作通道的需求。馬道每10 m 設(shè)置一級(jí)，寬為2 m，滿足工作通道需求同時(shí)幫助邊坡穩(wěn)定?？紤]到?jīng)_沙漏斗特性，閘井邊坡的開挖坡比被設(shè)定為1∶1.15。引渠土質(zhì)邊坡的開挖坡比設(shè)定為1∶3。防護(hù)措施包括混凝土襯砌板與錨桿，旨在增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性。特殊運(yùn)行條件，如高水流速時(shí)，會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)邊坡防護(hù)[4]。

2）高程邊坡的設(shè)計(jì)。對(duì)于高程1 725 m 以上的基巖，考慮了坡比、馬道配置與開挖策略。坡比為1∶1，這樣既滿足規(guī)范要求，又滿足工程的穩(wěn)定性需求。馬道同樣每10 m 設(shè)置一級(jí)，寬度為2 m。在施工過程中，所有巖石邊坡都將實(shí)行邊開挖邊支護(hù)的策略。開挖后將立即進(jìn)行混凝土噴涂防護(hù)和掛網(wǎng)噴錨防護(hù)，混凝土防護(hù)厚度為50 mm，這是保障巖石穩(wěn)定性的重要步驟。

在鉆爆法施工前，進(jìn)行試驗(yàn)性爆破以驗(yàn)證其可行性和安全性，確保無新的爆破裂隙出現(xiàn)，達(dá)到原有裂隙無錯(cuò)動(dòng)、張開的標(biāo)準(zhǔn)。另外，巖石開挖面邊坡范圍內(nèi)將布設(shè)PVC 排水管，以促進(jìn)邊坡內(nèi)部的排水，減少水壓對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

加強(qiáng)高邊坡的變形監(jiān)測(cè)是保證邊坡安全的關(guān)鍵措施，包括設(shè)置綜合測(cè)點(diǎn)、多點(diǎn)位移計(jì)以及錨桿測(cè)力計(jì)，全面、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)邊坡的變形情況，確保邊坡穩(wěn)定性。

4.3 回填混凝土弱支護(hù)策略

1）設(shè)計(jì)原則與策略。在設(shè)計(jì)過程中，回填混凝土弱支護(hù)策略是為了應(yīng)對(duì)高邊坡的穩(wěn)定性問題，尤其是在地震工況下的整體穩(wěn)定性。回填混凝土的高程設(shè)置對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有直接的影響，因此本設(shè)計(jì)方案中特別關(guān)注并且詳細(xì)考察了這一因素。

2）回填混凝土的高程設(shè)定。為了提高進(jìn)水塔群的側(cè)向抗滑安全系數(shù)，將回填混凝土的高程設(shè)定為1 745 m。這一設(shè)定旨在利用回填混凝土的自重壓實(shí)邊坡腳，從而增強(qiáng)邊坡的抗滑穩(wěn)定性。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要權(quán)衡地震慣性力與自重所產(chǎn)生的抗滑力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高邊坡的有效穩(wěn)定。這個(gè)平衡過程是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)樗苯記Q定了邊坡在地震工況下的穩(wěn)定性。

綜合評(píng)估顯示，這樣的設(shè)計(jì)策略將顯著提高進(jìn)水塔群在地震工況下的側(cè)向抗滑安全系數(shù)。這樣不僅確保了工程的安全性，也優(yōu)化了資源的使用，從而使得整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)效益和安全性得到有效提升。

4.4 風(fēng)化軟化巖體中的錨索實(shí)施方案

針對(duì)巖石飽和抗壓強(qiáng)度僅為（0.8～1.2）MPa 的特殊情況，設(shè)計(jì)了專門的邊坡錨索實(shí)施方案。然而，由于巖石的強(qiáng)度較低，給實(shí)施過程中帶來了一些挑戰(zhàn)。主要問題是如何在提供足夠的穩(wěn)定力的同時(shí)，避免因錨固力過大而導(dǎo)致邊坡的進(jìn)一步破壞。在設(shè)計(jì)方案時(shí)，嚴(yán)格控制了錨固力的大小。過大的錨固力可能會(huì)引發(fā)邊坡的破壞，包括表面剝落、局部掉塊和表層滑動(dòng)等[5]。因此，必須仔細(xì)考慮這些破壞因素，并在設(shè)計(jì)中盡量避免它們的發(fā)生。在實(shí)際應(yīng)用中，遵循了一個(gè)原則：未涉及大錨固力的錨索加固，要避免由于錨固力過大引起的邊坡破壞。

5 對(duì)設(shè)計(jì)方案穩(wěn)定性的全面評(píng)估

在對(duì)聯(lián)合進(jìn)水口高邊坡設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，依據(jù)水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)巖質(zhì)以塊體及層狀結(jié)構(gòu)的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。這項(xiàng)穩(wěn)定性分析利用了不平衡推力傳遞法和薩爾瑪法，并借助EMU 軟件，針對(duì)五種不同工況下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。這五種工況包括：開挖施工期、竣工期、運(yùn)行期、水位降落期以及地震工況。其中運(yùn)行期水位設(shè)定為1 770 m，水位降落期蓄水位降至1 740 m。在此條件下能夠全面評(píng)估設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用效果，同時(shí)還深入研究了邊坡的穩(wěn)定性，并使用優(yōu)化后的極限平衡法對(duì)多滑移模式進(jìn)行詳細(xì)地搜索和計(jì)算，明確了最小安全系數(shù)與臨界滑裂面的關(guān)系。

設(shè)計(jì)方案穩(wěn)定性評(píng)估的結(jié)果顯示，水的存在，尤其是在高水位時(shí)，對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的增強(qiáng)具有重要的作用。其主要原因是，水壓和水的自重可以有效地壓實(shí)坡腳，從而增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性。但在低水位或發(fā)生地震的工況下，邊坡穩(wěn)定性的危險(xiǎn)性顯著增加，尤其是在地震及低水位的工況下，正面坡的安全系數(shù)最小，其初步計(jì)算的安全系數(shù)小于1，未能滿足邊坡穩(wěn)定性的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。但值得注意的是，這個(gè)計(jì)算并未包含塔體自身的抗力效應(yīng)，一旦加入水平抗力（約為3 000 kN），實(shí)際的最小安全系數(shù)即可達(dá)到1.08，明顯超過規(guī)定的穩(wěn)定性要求。因此，必須將這些關(guān)鍵工況納入設(shè)計(jì)考慮，并充分利用水的作用以提升邊坡穩(wěn)定性。見表2。

表2 不同工況安全系數(shù)結(jié)果

針對(duì)具體的水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)，采用適當(dāng)?shù)挠?jì)算和分析方法，結(jié)合實(shí)際工況，以及進(jìn)行持續(xù)地調(diào)整和優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

6 研究結(jié)論與建議

本文深入探討了聯(lián)合進(jìn)水口高邊坡設(shè)計(jì)及其穩(wěn)定性的核心問題：

1）針對(duì)風(fēng)化軟化巖體，其飽和抗壓強(qiáng)度較低，研究突出了錨索方案的重要性。適當(dāng)控制錨固力能顯著提升邊坡穩(wěn)定性。

2）文章探究了地震下的高邊坡穩(wěn)定性，特別是回填混凝土的利用，有助于增強(qiáng)抗滑穩(wěn)定性，提高進(jìn)水塔群的安全系數(shù)。

3）詳細(xì)分析了多種工況下的穩(wěn)定性，如水壓、自重及地震影響，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了重要參考。

本研究仍有局限，如氣候變化對(duì)穩(wěn)定性的影響需進(jìn)一步研究。未來可以考慮更精確的模型和探索新的穩(wěn)定材料。