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        兩河口水電站開關站邊坡穩(wěn)定特性及深層支護措施研究

        2016-09-28 03:31:50呂文龍廖成剛侯東奇
        水電站設計 2016年3期
        關鍵詞:兩河口開關站深層

        呂文龍,廖成剛,侯東奇,楊 英

        (中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

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        兩河口水電站開關站邊坡穩(wěn)定特性及深層支護措施研究

        呂文龍,廖成剛,侯東奇,楊英

        (中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都610072)

        開關站邊坡是兩河口水電站重要的工程邊坡,邊坡節(jié)理、裂隙發(fā)育,存在斷層等軟弱結構面,巖體卸荷深度較大,地質條件復雜?;跇O限平衡理論,采用SLIDE邊坡計算軟件,對兩河口開關站邊坡穩(wěn)定特性及深層支護措施進行研究,為實際工程的設計和施工提供依據(jù)。

        開關站邊坡;極限平衡理論;SLIDE;穩(wěn)定分析;深層支護措施

        0 前  言

        兩河口水電站位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約2 km河段,是雅礱江中下游流域的控制性水庫電站工程。電站采用壩式開發(fā),壩高295 m,水庫正常蓄水位2 865 m,電站裝機容量3 000 MW,多年平均年發(fā)電量110億kW·h。地面開關站位于右岸進水口和右壩肩之間的高程2 875 m平臺,邊坡最大開挖高度約160 m,地質條件復雜,穩(wěn)定問題突出[1]。結合兩河口水電站地質資料,采用加拿大 RocScience 公司開發(fā)的SLIDE邊坡計算軟件,選取典型剖面,建立開關站邊坡的計算模型,研究邊坡的穩(wěn)定特性;對比分析不同深層支護措施下邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù),選取合適的支護措施,指導工程設計和施工。

        1 邊坡工程地質概況

        地面開關站布置于右岸高程2 875.00 m平臺上,位于右壩頂平臺上游側、進水口邊坡下游側。邊坡設計開挖縱向長度約173 m,最大開挖高度約160 m,每25 m高度布置一層寬度3 m的馬道,其中高程2 875~2 900 m、2 900~2 925 m設計開挖坡比為1∶0.5,高程2 925 m馬道以上設計開挖坡比為1∶0.75[2]。

        開關站邊坡總體走向為S10°W,地形坡度45°~50°;基巖大多裸露,出露三疊系下統(tǒng)兩河口組中段T3lh2(2)-①、T3lh2(2)-②、T3lh2(3)地層,巖性為變質粉砂巖、粉砂質板巖,巖層產狀為N60°~75°W/SW∠60°~75°,與河流近正交。地質構造以發(fā)育一套層面裂隙為主的節(jié)理裂隙系統(tǒng),小斷層以順層擠壓帶為主,多為Ⅳ級結構面,f18-5、f16-3等NNW向順坡中緩傾角小斷層局部發(fā)育;淺表部裂隙極為發(fā)育,構成局部的順坡板裂狀結構;無強風化帶發(fā)育,弱上風化巖體水平深度15~25 m,弱下風化巖體水平深度15~85 m。巖體卸荷主要沿已有構造結構面繼承式進行,強卸荷帶水平深度一般達25~42 m,弱卸荷水平深度一般為25~99 m。開關站邊坡平面布置見圖1,典型地質剖面見圖2。

        2 計算模型

        2.1計算方法及原理

        SLIDE軟件使用垂直條塊極限平衡分析方法來分析滑動面的穩(wěn)定性,可分析指定滑面,也可使用自動搜索方法來搜尋給定邊坡的臨界滑動面,該軟件集成了 Bishop、Spencer 和其他一些方法,在巖土工程領域應用廣泛[3]。

        邊坡穩(wěn)定分析的極限平衡方法是土力學中的一個經典領域,該方法以M-C抗剪強度理論為基礎,將滑坡體劃分成若干垂直條塊,建立作用在垂直條塊上的力的平衡方程式,求解安全系數(shù)[4]。該方法采用摩爾庫侖屈服準則,安全系數(shù)的定義為沿滑動面的抗剪強度與滑動面上實際剪力的比值,安全系數(shù)K用公式表示如下:

        圖1 開關站邊坡平面布置示意

        圖2 開關站邊坡典型地質剖面示意

        2.2模型概化及邊界條件

        對開關站邊坡選取A-A、B-B、C-C、D-D、E-E 5個典型剖面,分別建立模型進行計算。計算模型高程范圍為2 750~3 150 m,按巖體質量確定介質類別,將Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ1、Ⅴ1類巖體、斷層建立實體模型,未考慮構造應力。模型底部(Z=2 750 m)設為固定約束邊界,兩邊側向設為單向邊界,山坡表面為自由表面。開關站邊坡典型剖面計算模型見圖3。

        圖3 開關站邊坡典型剖面計算模型

        根據(jù)兩河口水電站地質資料,對巖體參數(shù)進行敏感性分析與反演,確定計算模型的巖體及結構面力學參數(shù),具體見表1。

        表1 開關站邊坡巖體及結構面力學參數(shù)

        2.3計算工況及安全標準

        計算主要考慮天然工況、暴雨工況和地震工況等三種不同工況下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。暴雨工況按0.1倍的孔壓系數(shù)考慮;兩河口水電站地震基本烈度為Ⅶ度,地震工況地震水平峰值加速度取137.2gal。

        開關站邊坡屬1級工程邊坡,根據(jù)SL386-2007《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》規(guī)定[5],采用極限平衡方法計算的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標準見表2。

        表2 開關站邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標準

        3 邊坡破壞模式分析

        開關站邊坡主要以Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅴ1類巖體為主,局部有f4、f12、f16-3、f18-5等幾條斷層穿過。由于開關站邊坡的設計開挖坡比大于巖體的穩(wěn)定坡比及受斷層的影響,邊坡主要的滑移破壞模式有兩種:一種是沿Ⅴ1巖體內危險滑面發(fā)生的滑動破壞;另一種是以斷層等軟弱結構面為底滑面的楔形滑移拉裂[6]。5個典型剖面中,除C-C剖面無斷層底滑面外,其余4個典型剖面均存在以斷層為底滑面發(fā)生滑動破壞的可能。

        開關站邊坡各典型剖面在天然工況下兩種滑移破壞模式邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表3,E-E剖面兩種滑移破壞模式下穩(wěn)定計算簡圖見圖4、5。

        表3 各典型剖面天然工況下兩種滑移破壞模式邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

        從開關站邊坡4個典型剖面天然工況下兩種滑移破壞模式的穩(wěn)定安全系數(shù)對比分析可以看出,以斷層為底滑面的滑動破壞模式穩(wěn)定安全系數(shù)均大于沿Ⅴ1類巖體內危險滑面滑動破壞模式的穩(wěn)定安全系數(shù),以第一種滑動破壞模式作為邊坡穩(wěn)定設計的控制失穩(wěn)模式比較合理。

        圖4E-E剖面滑動破壞模式一穩(wěn)定計算簡圖圖5E-E剖面滑動破壞模式二穩(wěn)定計算簡圖

        4 邊坡深層支護措施研究

        4.1深層支護措施對比分析

        前面的計算結果表明,開關站邊坡在未采取支護措施的情況下,5個典型剖面天然工況下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求。計算以B-B剖面為例,對開關站邊坡的深層支護措施進行對比分析,計算結果見表4。

        開關站邊坡在天然工況下B-B剖面深層支護措施對比分析的結果表明:錨索錨固角對邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)影響較小,錨固角越大,施工難度越大;錨索設計長度達到一定值時,邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)基本不變,設計時保證錨索伸入Ⅳ類巖體10~15 m的情況下即可滿足支護要求;錨索布置的間排距和設計噸位對邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大,應在保證安全的前提下考慮經濟性和可行性。

        表4 天然工況下B-B剖面不同支護措施邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)對比分析

        綜合邊坡深層支護措施對比分析的結果,選取開關站邊坡的深層支護措施:高程2 925 m馬道以下邊坡選用錨索設計噸位200 t,長30 m,錨固角-15°,間排距5 m×5 m布置;高程2 925~2 975 m邊坡選用錨索200 t,長40 m,錨固角-15°,間排距5 m×5 m布置;高程2 975 m以上邊坡選用錨索200 t,長50 m,錨固角-15°,間排距4 m×4 m布置。

        4.2穩(wěn)定計算

        根據(jù)選取的深層支護措施,對開關站邊坡支護前后分別進行穩(wěn)定計算,計算成果見表5,典型剖面B-B支護后三種工況下穩(wěn)定計算簡圖見圖6~8。

        表5 開關站邊坡支護前后穩(wěn)定安全系數(shù)

        開關站邊坡支護前后分別進行穩(wěn)定計算結果表明:開關站邊坡支護前,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求,考慮選取的深層支護措施后,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求,驗證了深層支護措施的合理性。

        5 結 論

        (1)開關站邊坡破壞模式分析結果表明:以斷層為底滑面的滑動破壞模式穩(wěn)定安全系數(shù)均大于沿Ⅴ1類巖體內危險滑面滑動破壞模式的穩(wěn)定安全系數(shù),以沿Ⅴ1類巖體內危險滑面滑動的破壞模式作為邊坡穩(wěn)定設計的控制失穩(wěn)模式較為合理;

        (2)根據(jù)開關站邊坡深層支護措施對比分析結果,選取開關站邊坡的深層支護措施:高程2 925 m馬道以下邊坡選用錨索設計噸位200 t,長30 m,錨固角-15°,間排距5 m×5 m布置;高程2 925~ 2 975 m邊坡選用錨索200 t,長40 m,錨固角-15°,間排距5 m×5 m布置;高程2 975 m以上邊坡選用錨索200 t,長50 m,錨固角-15°,間排距4 m×4 m布置;

        (3)通過對開關站邊坡支護前后穩(wěn)定計算分析,開關站邊坡支護前,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求;考慮選取的深層支護措施后,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求,驗證了深層支護措施的合理性。

        [1]黃潤秋.中國西南巖石高邊坡的主要特征及其演化[J]. 地球科學進展, 2005,20(3):292-297.

        圖6B-B剖面天然工況穩(wěn)定計算簡圖圖7B-B剖面暴雨工況穩(wěn)定計算簡圖圖8 B-B剖面地震工況穩(wěn)定計算簡圖

        [2]中國電建集團成都勘測設計研究院.四川省雅礱江兩河口水電站可行性研究報告[R].成都:2013(1).

        [3]朱澤勛,吳 莉.基于SLIDE的某尾礦庫邊坡穩(wěn)定性分析[J].采礦技術, 2011,11(6):49-50,128.

        [4]宋勝武,馮學敏,向柏宇,邢萬波,曾勇.西南水電高陡巖石邊坡工程關鍵技術研究[J].巖石力學與工程學報,2011,30(1):1-21.

        [5]SL386-2007《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》[S].中國水利水電出版社:2007.

        [6]祝懷田,沈軍輝,李澤澤等.兩河口水電站引水進口邊坡變形穩(wěn)定性分析[J]. 地質災害與環(huán)境保護, 2008,19(4):96-100.

        2015-10-15

        呂文龍(1987-),男,河南杞縣人,工程師,從事水工結構及巖土工程等方面的設計研究工作。

        TV223

        B

        1003-9805(2016)03-0024-05

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