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        兩河口水電站開關(guān)站邊坡穩(wěn)定特性及深層支護(hù)措施研究

        2016-09-28 03:31:50呂文龍廖成剛侯東奇
        水電站設(shè)計(jì) 2016年3期
        關(guān)鍵詞:兩河口開關(guān)站深層

        呂文龍,廖成剛,侯東奇,楊 英

        (中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

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        兩河口水電站開關(guān)站邊坡穩(wěn)定特性及深層支護(hù)措施研究

        呂文龍,廖成剛,侯東奇,楊英

        (中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都610072)

        開關(guān)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(jié)構(gòu)面,巖體卸荷深度較大,地質(zhì)條件復(fù)雜?;跇O限平衡理論,采用SLIDE邊坡計(jì)算軟件,對兩河口開關(guān)站邊坡穩(wěn)定特性及深層支護(hù)措施進(jìn)行研究,為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

        開關(guān)站邊坡;極限平衡理論;SLIDE;穩(wěn)定分析;深層支護(hù)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(jī)容量3 000 MW,多年平均年發(fā)電量110億kW·h。地面開關(guān)站位于右岸進(jìn)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(zhì)條件復(fù)雜,穩(wěn)定問題突出[1]。結(jié)合兩河口水電站地質(zhì)資料,采用加拿大 RocScience 公司開發(fā)的SLIDE邊坡計(jì)算軟件,選取典型剖面,建立開關(guān)站邊坡的計(jì)算模型,研究邊坡的穩(wěn)定特性;對比分析不同深層支護(hù)措施下邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù),選取合適的支護(hù)措施,指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工。

        1 邊坡工程地質(zhì)概況

        地面開關(guān)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(cè)、進(jìn)水口邊坡下游側(cè)。邊坡設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)開挖坡比為1∶0.5,高程2 925 m馬道以上設(shè)計(jì)開挖坡比為1∶0.75[2]。

        開關(guān)站邊坡總體走向?yàn)镾10°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(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖,巖層產(chǎn)狀為N60°~75°W/SW∠60°~75°,與河流近正交。地質(zhì)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)成局部的順坡板裂狀結(jié)構(gòu);無強(qiáng)風(fēng)化帶發(fā)育,弱上風(fēng)化巖體水平深度15~25 m,弱下風(fēng)化巖體水平深度15~85 m。巖體卸荷主要沿已有構(gòu)造結(jié)構(gòu)面繼承式進(jìn)行,強(qiáng)卸荷帶水平深度一般達(dá)25~42 m,弱卸荷水平深度一般為25~99 m。開關(guān)站邊坡平面布置見圖1,典型地質(zhì)剖面見圖2。

        2 計(jì)算模型

        2.1計(jì)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(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3]。

        邊坡穩(wěn)定分析的極限平衡方法是土力學(xué)中的一個(gè)經(jīng)典領(lǐng)域,該方法以M-C抗剪強(qiáng)度理論為基礎(chǔ),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(zhǔn)則,安全系數(shù)的定義為沿滑動面的抗剪強(qiáng)度與滑動面上實(shí)際剪力的比值,安全系數(shù)K用公式表示如下:

        圖1 開關(guān)站邊坡平面布置示意

        圖2 開關(guān)站邊坡典型地質(zhì)剖面示意

        2.2模型概化及邊界條件

        對開關(guān)站邊坡選取A-A、B-B、C-C、D-D、E-E 5個(gè)典型剖面,分別建立模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型高程范圍為2 750~3 150 m,按巖體質(zhì)量確定介質(zhì)類別,將Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ1、Ⅴ1類巖體、斷層建立實(shí)體模型,未考慮構(gòu)造應(yīng)力。模型底部(Z=2 750 m)設(shè)為固定約束邊界,兩邊側(cè)向設(shè)為單向邊界,山坡表面為自由表面。開關(guān)站邊坡典型剖面計(jì)算模型見圖3。

        圖3 開關(guān)站邊坡典型剖面計(jì)算模型

        根據(jù)兩河口水電站地質(zhì)資料,對巖體參數(shù)進(jìn)行敏感性分析與反演,確定計(jì)算模型的巖體及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù),具體見表1。

        表1 開關(guān)站邊坡巖體及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

        2.3計(jì)算工況及安全標(biāo)準(zhǔn)

        計(jì)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(guān)站邊坡屬1級工程邊坡,根據(jù)SL386-2007《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定[5],采用極限平衡方法計(jì)算的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

        表2 開關(guān)站邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

        3 邊坡破壞模式分析

        開關(guān)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(guān)站邊坡的設(shè)計(jì)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(nèi)危險(xiǎn)滑面發(fā)生的滑動破壞;另一種是以斷層等軟弱結(jié)構(gòu)面為底滑面的楔形滑移拉裂[6]。5個(gè)典型剖面中,除C-C剖面無斷層底滑面外,其余4個(gè)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(guān)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(jì)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(guān)站邊坡4個(gè)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(nèi)危險(xiǎn)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(shè)計(jì)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(jì)算簡圖圖5E-E剖面滑動破壞模式二穩(wěn)定計(jì)算簡圖

        4 邊坡深層支護(hù)措施研究

        4.1深層支護(hù)措施對比分析

        前面的計(jì)算結(jié)果表明,開關(guān)站邊坡在未采取支護(hù)措施的情況下,5個(gè)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(jì)算以B-B剖面為例,對開關(guān)站邊坡的深層支護(hù)措施進(jìn)行對比分析,計(jì)算結(jié)果見表4。

        開關(guān)站邊坡在天然工況下B-B剖面深層支護(hù)措施對比分析的結(jié)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(shè)計(jì)長度達(dá)到一定值時(shí),邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)基本不變,設(shè)計(jì)時(shí)保證錨索伸入Ⅳ類巖體10~15 m的情況下即可滿足支護(hù)要求;錨索布置的間排距和設(shè)計(jì)噸位對邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大,應(yīng)在保證安全的前提下考慮經(jīng)濟(jì)性和可行性。

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

        綜合邊坡深層支護(hù)措施對比分析的結(jié)果,選取開關(guān)站邊坡的深層支護(hù)措施:高程2 925 m馬道以下邊坡選用錨索設(shè)計(jì)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(jì)算

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

        表5 開關(guān)站邊坡支護(hù)前后穩(wěn)定安全系數(shù)

        開關(guān)站邊坡支護(hù)前后分別進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表明:開關(guān)站邊坡支護(hù)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(hù)措施后,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求,驗(yàn)證了深層支護(hù)措施的合理性。

        5 結(jié) 論

        (1)開關(guān)站邊坡破壞模式分析結(jié)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(nèi)危險(xiǎn)滑面滑動破壞模式的穩(wěn)定安全系數(shù),以沿Ⅴ1類巖體內(nèi)危險(xiǎn)滑面滑動的破壞模式作為邊坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)的控制失穩(wěn)模式較為合理;

        (2)根據(jù)開關(guān)站邊坡深層支護(hù)措施對比分析結(jié)果,選取開關(guān)站邊坡的深層支護(hù)措施:高程2 925 m馬道以下邊坡選用錨索設(shè)計(jì)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(guān)站邊坡支護(hù)前后穩(wěn)定計(jì)算分析,開關(guān)站邊坡支護(hù)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(hù)措施后,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求,驗(yàn)證了深層支護(hù)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(xué)進(jìn)展, 2005,20(3):292-297.

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

        [2]中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院.四川省雅礱江兩河口水電站可行性研究報(bào)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(shù), 2011,11(6):49-50,128.

        [4]宋勝武,馮學(xué)敏,向柏宇,邢萬波,曾勇.西南水電高陡巖石邊坡工程關(guān)鍵技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(1):1-21.

        [5]SL386-2007《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)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(jìn)口邊坡變形穩(wěn)定性分析[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù), 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(jié)構(gòu)及巖土工程等方面的設(shè)計(jì)研究工作。

        TV223

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        1003-9805(2016)03-0024-05

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