戴年粉
(中國水電顧問集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,貴陽 550081)
團(tuán)坡水電站位于貴州省惠水縣境內(nèi)蒙江干流上游河段漣江梯級(jí)第三級(jí),為引水式電站,以發(fā)電為主。樞紐建筑物由混凝土重力壩、壩頂自由溢洪道及左岸泄洪兼沖沙洞、右岸引水系統(tǒng)及地面廠房等組成。電站總裝機(jī)容量80MW,壩址控制流域面積2010km2,壩址多年平均流量38.3m3/s,多年平均徑流量12.1億m3。工程于2005年5月開工建設(shè),2009年3月投產(chǎn)發(fā)電。
壩址河谷斷面呈窄“U”形,灰?guī)r峽谷地形,右岸邊坡為陡壁,河床至坡頂高差約150m,自然邊坡坡角約74°。根據(jù)交通洞揭露地質(zhì)情況統(tǒng)計(jì),壩址區(qū)河谷卸荷裂隙主要集中發(fā)育于850m高程以上的弱風(fēng)化巖體內(nèi),水平發(fā)育寬度在5~15m,并有上寬下窄之規(guī)律,裂隙發(fā)育方向主要為順河向或以小角度與河谷相交,多張開,充填灰?guī)r碎石及少量黏土,局部形成危巖體。右壩肩邊坡進(jìn)行845m高程以下開挖時(shí),0+60~0+70樁號(hào)845~865m高程段發(fā)生局部坍塌,坍塌方量約350m3。右壩肩地層為三疊系下統(tǒng)馬平群(C3mp)淺灰色厚層塊狀灰?guī)r。壩肩一組卸荷裂隙發(fā)育,長10~30m,寬0.5~2cm,坡頂局部張開3~5cm,間距0.3~5m不等,裂隙連通率為60% ~85%,右壩肩卸荷帶厚度在5~15m。坍塌后局部形成懸空,懸空區(qū)往山體內(nèi)亦可見多條裂隙發(fā)育。壩肩卸荷巖體對(duì)下方建筑物安全影響較大,需進(jìn)行處理。
根據(jù)揭示的地質(zhì)情況,考慮清除強(qiáng)卸荷區(qū)巖體,對(duì)弱卸荷區(qū)巖體加強(qiáng)錨固處理,確保錨固段進(jìn)入非卸荷區(qū),并按以下參數(shù)復(fù)核邊坡穩(wěn)定性。
裂隙 (泥夾巖屑型):f'=0.30,c'=0.005MPa,強(qiáng)卸荷區(qū)裂隙連通率85%,弱卸荷區(qū)裂隙連通率65%。卸荷區(qū)巖體:γ=26.8kN/m3,f'=0.6,c'=0.32MPa。
計(jì)算采用剛體極限平衡法和能量法 (巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定程序)。
該工程大壩為三等工程3級(jí)建筑物,大壩邊坡按2級(jí)邊坡設(shè)計(jì)。根據(jù)規(guī)范,水工建筑物邊坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如下:
a.1級(jí)邊坡基本組合時(shí)為1.3~1.25,特殊組合時(shí)為1.2~1.15。
b.2級(jí)邊坡基本組合時(shí)為1.25~1.15,特殊組合時(shí)為1.15~1.05。
c.3級(jí)邊坡基本組合時(shí)為1.15~1.05,特殊組合時(shí)為1.1~1.05。
大壩右壩肩受卸荷裂隙影響,邊坡處理范圍為:壩縱0+039.00~壩縱0+067.314,高程在780~930m之間。
邊坡的穩(wěn)定分析主要有以下方法:
a.定性分析評(píng)價(jià)。根據(jù)地形、地質(zhì)條件及工程狀況,對(duì)邊坡穩(wěn)定作定性分析評(píng)價(jià)。
b.圖解分析。對(duì)于巖質(zhì)邊坡,根據(jù)坡面形態(tài)、巖質(zhì)、結(jié)構(gòu)面、裂隙面等幾何參數(shù)、物理力學(xué)參數(shù),以圖解 (如赤平投影圖)進(jìn)行分析。
c.工程類比法。主要用于邊坡開挖坡度的分析。
d.數(shù)值計(jì)算分析。根據(jù)坡體及邊界的幾何參數(shù)、物理力學(xué)參數(shù),采用剛體極限平衡法或能量法對(duì)邊坡進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析,以安全系數(shù)值對(duì)邊坡穩(wěn)定作定量分析評(píng)價(jià)。
剛體極限平衡計(jì)算假定和方法眾多,本文采用的計(jì)算方法為單一滑面的滑坡穩(wěn)定分析方法。安全系數(shù)K的計(jì)算公式為
能量法的原理是:將某一邊坡的塑性區(qū)離散為一系列具有傾斜界面的條塊,如圖1所示。每一條塊都視為剛體,其變形速率為V,與該楔體底線夾角為φe,該楔體與右邊相鄰塊體的相對(duì)速度為Vj,此相對(duì)速度與該兩塊體交界面的夾角為φej。內(nèi)能耗散發(fā)生于該條塊的底面和條塊間的界面,在條塊內(nèi)為零。若滑坡體被分成n個(gè)條塊,則有n-1個(gè)界面。功能平衡表達(dá)式如下:
上式左邊的第一和第二項(xiàng)分別為沿條間界面底滑面的內(nèi)能耗散,下標(biāo)e表示相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù),其中隱含了安全系數(shù)。第k個(gè)界面右邊條塊的速度都可以表示成第一個(gè)條塊的速度V1的函數(shù):
其中
式中上標(biāo)l和r代表界面左和右的物理量,j代表界面上的物理量。θl、θr和θj分別代表左邊條塊、右邊條塊和條塊界面速度與x軸的夾角,均定義為從x正方向開始反時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正,計(jì)算從第一個(gè)界面開始,到分割第k和第k+1個(gè)塊體的界面終止。第k個(gè)界面右邊條塊的速度可以表示成第一個(gè)條塊的速度V1的函數(shù):
其中
圖1 能量法計(jì)算簡圖
滑裂面上的內(nèi)能耗散由下式確定:
可得計(jì)算安全系數(shù)的計(jì)算公式如下:
上式中僅包含一個(gè)未知量,即隱含于ce和tanφe中的安全系數(shù),可通過迭代求解。
上述各種方法在邊坡 (滑坡)穩(wěn)定分析中,不是單一的采用和簡單的分析評(píng)價(jià),往往是同時(shí)采用多種方法來綜合分析評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。
物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。
表1 物理力學(xué)參數(shù)建議值
邊坡穩(wěn)定分析剖面見圖2。
邊坡穩(wěn)定分析采用剛體平衡法和能量法 (中國水利水電科學(xué)研究院編制的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序EMU)兩種方法進(jìn)行計(jì)算。
由于該工程壩址位置地下水位在780m高程以下,并且整個(gè)邊坡的計(jì)算考慮排水孔的排水措施,故邊坡的計(jì)算僅考慮巖體自重情況下的穩(wěn)定。
a.采用剛體極限平衡法計(jì)算時(shí) (采用原大壩開挖邊界線),考慮以下三種工況:
工況1:1號(hào)、2號(hào)塊體作為整體的穩(wěn)定情況;
圖2 壩縱0+039、0+054及0+061剖面開挖及支護(hù)
工況2:挖除1號(hào)塊體,2號(hào)塊體的穩(wěn)定情況;
工況3:1號(hào)塊體的穩(wěn)定情況。
b.采用EMU能量法計(jì)算時(shí)考慮以下兩種工況:
工況1:挖除1號(hào)塊體的情況,但采用原大壩開挖邊界線;
工況2:挖除1號(hào)塊體的情況,采用調(diào)整后的開挖邊界線。
分別計(jì)算壩縱0+039.00、壩縱0+054.00和壩縱0+061.00三個(gè)剖面,采用剛體極限平衡法計(jì)算的上述3種工況下的安全系數(shù),見表2。
表2 剛體極限平衡法計(jì)算邊坡安全系數(shù)平均值
利用能量法 (巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序EMU)計(jì)算所得的三個(gè)剖面兩種開挖方案的安全系數(shù)見表3。
表3 EMU程序計(jì)算第2種工況安全系數(shù)平均值
根據(jù)邊坡穩(wěn)定計(jì)算的結(jié)果可以看出:
a.采用剛體極限平衡法計(jì)算時(shí):a根據(jù)表2,工況3即強(qiáng)卸荷區(qū)穩(wěn)定性很差,不能滿足要求;b根據(jù)表2,工況1即強(qiáng)卸荷區(qū)不挖除的情況,穩(wěn)定性差,不能滿足要求;c根據(jù)表2,工況2即挖除強(qiáng)卸荷區(qū)的情況,穩(wěn)定性比其他工況有所提高,但也不能滿足要求。
上述計(jì)算表明:強(qiáng)卸荷區(qū)已處于不穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定性較差;經(jīng)比較應(yīng)全部清除;邊坡在下部切角的情況下,即使挖除上部強(qiáng)卸荷區(qū),穩(wěn)定性仍然較差,需采取工程加固措施。
b.采用EMU能量法計(jì)算時(shí):a對(duì)于原開挖方案,邊坡在下部切角的情況下,即使挖除上部強(qiáng)卸荷區(qū),穩(wěn)定性仍然較差,需采取工程加固措施;結(jié)果與采用剛體極限平衡法計(jì)算時(shí)工況2相當(dāng);b下部邊坡調(diào)整開挖方案后,穩(wěn)定能滿足要求。
右岸邊坡上部多挖不錨。下部支護(hù)方式措施如下:
a.790~820m高程之間,增設(shè)長錨桿,布置L=9m、3.5m×3.5m錨桿。
b.其余部位按原設(shè)計(jì)掛網(wǎng)噴錨支護(hù)方案不變,取消排水孔布置。
c.強(qiáng)卸荷區(qū)開挖后不進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨支護(hù),但考慮爆破影響,結(jié)合工程具體情況,應(yīng)增設(shè)隨機(jī)錨桿和局部噴混凝土支護(hù)。
通過此次對(duì)大壩開挖邊界的調(diào)整,雖然825m高程以上的邊坡開挖量增加了1.2萬m3,但是在825~772m高程的邊坡開挖量卻減少了1.4萬m3,且取消了825m高程以上的邊坡支護(hù)工程量 (錨桿量、掛網(wǎng)鋼筋量、噴混凝土量及排水孔),只增設(shè)隨機(jī)錨桿,減小了施工難度。
該工程已投產(chǎn)運(yùn)行4年,根據(jù)運(yùn)管單位對(duì)邊坡的觀測(cè),截至目前未發(fā)現(xiàn)邊坡有異常情況,邊坡變形已趨于穩(wěn)定,因此該工程邊坡處理方案是合理的。