陳坤城,鐘德培,宋春華

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510635)

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深圳抽水蓄能電站上游調(diào)壓井高邊坡優(yōu)化探討

陳坤城,鐘德培,宋春華

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510635)

針對(duì)原邊坡設(shè)計(jì)方案存在的不足,結(jié)合邊坡鉆孔地質(zhì)資料,通過對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算,得出了優(yōu)化后的邊坡設(shè)計(jì)方案,實(shí)踐結(jié)果表明,優(yōu)化后的方案在環(huán)境保護(hù)、施工難度及工程投資等方面都優(yōu)于原設(shè)計(jì)方案,該設(shè)計(jì)成果對(duì)其他類似工程的邊坡設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

邊坡；穩(wěn)定；優(yōu)化

抽水蓄能電站上游調(diào)壓井設(shè)置在水電站廠房上游壓力水道上,其自由水面可反射水擊波,起到限制水擊波進(jìn)入壓力引水道,以滿足機(jī)組調(diào)節(jié)保證的技術(shù)要求,同時(shí)可改善機(jī)組在負(fù)荷變化時(shí)的運(yùn)行條件及供電質(zhì)量,是引水系統(tǒng)工程的永久性主要建筑物,由于調(diào)壓井水面與進(jìn)廠房機(jī)組壓力水道是連通的,因此，上游調(diào)壓井邊坡的穩(wěn)定安全直接關(guān)系壓力水道及廠房機(jī)組的安全。深圳抽水蓄能電站上游調(diào)壓井原方案布置在引水隧洞洞線北側(cè),邊坡開挖高度高、征地范圍大,對(duì)植被的破壞范圍廣,有必要從環(huán)境保護(hù)及永久征地的角度出發(fā),優(yōu)化邊坡設(shè)計(jì),減少工程投資。

1 工程簡(jiǎn)介[1]

深圳抽水蓄能電站上游調(diào)壓井位于大頂～鵝公髻分水嶺北東側(cè)的山坡上,地形較完整,植被茂盛。未發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象,在自然條件下山坡山體穩(wěn)定性好。上游調(diào)壓井邊坡包括井口以上四周開挖邊坡,屬A類Ⅰ級(jí)邊坡。

據(jù)鉆孔資料顯示,巖性主要為燕山三期中粗粒黑云母花崗巖,局部穿插細(xì)?；◢弾r脈,在花崗巖中,常見有長(zhǎng)英質(zhì)角巖捕擄體。地表大部分為第四系坡積層、全風(fēng)化帶所覆蓋,其下強(qiáng)風(fēng)化帶為強(qiáng)透水層,弱風(fēng)化帶中下部、微風(fēng)化帶巖石為相對(duì)隔水層,巖石透水性較低,上游調(diào)壓井處未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的斷層。

2 上游調(diào)壓井高邊坡設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化前邊坡設(shè)計(jì)方案及存在的不足

優(yōu)化前設(shè)計(jì)邊坡強(qiáng)風(fēng)化層巖體開挖邊坡采用1∶0.8,全風(fēng)化土邊坡采用1∶1.2。邊坡最大高度約40.0 m,設(shè)3級(jí)寬2 m的馬道,兩級(jí)馬道高差為10.0 m。巖石邊坡采用護(hù)坡混凝土與系統(tǒng)錨桿相結(jié)合的支護(hù)形式加固,土質(zhì)邊坡采用厚250 mm護(hù)坡混凝土和系統(tǒng)土釘錨桿的支護(hù)形式加固。同時(shí)為防止坡面被雨水沖刷,在邊坡頂部一定距離設(shè)有截水溝,三級(jí)馬道內(nèi)側(cè)均設(shè)有排水溝,優(yōu)化前邊坡設(shè)計(jì)方案平面布置見圖1。經(jīng)過高邊坡抗滑穩(wěn)定安全性分析計(jì)算,優(yōu)化前邊坡設(shè)計(jì)方案存在以下不足：

圖1 優(yōu)化前上游調(diào)壓井邊坡平面布置示意

1) 從施工難度角度考慮,優(yōu)化前邊坡地質(zhì)鉆孔表明坡積層及全風(fēng)化土層覆蓋厚,即使強(qiáng)風(fēng)化層巖體開挖邊坡采用1∶0.8,全風(fēng)化土邊坡采用1∶1.2,在無支護(hù)條件下邊坡仍無法自穩(wěn)。為確保設(shè)計(jì)邊坡的穩(wěn)定性,需施加很大的錨固力,但隨之帶來錨固工程量巨大、錨固施工難、錨固工期長(zhǎng)等諸多問題。

2) 從環(huán)境保護(hù)、水土保持和征地角度考慮,優(yōu)化前邊坡設(shè)計(jì)方案由于開挖面積較大,造成原有山體植被嚴(yán)重破壞、水土流失范圍及永久征用占用林地面積過大等問題。

3) 從工程投資角度,施工難度的加大,工期的增長(zhǎng),環(huán)保、水保措施加強(qiáng),永久征地范圍廣等原因,將直接加大邊坡工程的投資。

因此,考慮到以上存在的不足,結(jié)合現(xiàn)有調(diào)壓井邊坡的地形地質(zhì)條件,有必要進(jìn)一步對(duì)原有邊坡設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 高邊坡優(yōu)化基本思路及優(yōu)化后邊坡設(shè)計(jì)方案

針對(duì)以上不足,探討高邊坡優(yōu)化的可能性,提出以下基本思路：

1) 以工程場(chǎng)區(qū)的實(shí)際地形條件為出發(fā)點(diǎn),考慮通過調(diào)整邊坡位置來降低邊坡開挖高度的可能性。

2) 在位置可調(diào)的前提下,考慮通過補(bǔ)充地質(zhì)鉆孔來查明調(diào)整后邊坡的地層分界線,進(jìn)一步定位確定邊坡調(diào)整后的準(zhǔn)確位置。

3) 再通過選取控制斷面進(jìn)行建模計(jì)算,從得出的計(jì)算結(jié)果，分析進(jìn)一步優(yōu)化邊坡開挖坡比的可能性。

遵循以上邊坡優(yōu)化的基本思路,結(jié)合深蓄上游調(diào)壓井上室邊坡的地質(zhì)地形條件對(duì)上室邊坡進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)：

①根據(jù)工程場(chǎng)區(qū)實(shí)際地形條件,將上游調(diào)壓井沿引水隧洞中心線對(duì)稱布置,從而降低調(diào)壓井邊坡的開挖高度；

②通過補(bǔ)充5個(gè)地質(zhì)鉆孔,分析鉆孔柱狀圖,查明了調(diào)壓井及邊坡優(yōu)化后位置的地質(zhì)情況,地層分界線揭示調(diào)壓井繼續(xù)向上游微調(diào)一定距離,坡積層及全風(fēng)化層變薄,強(qiáng)風(fēng)化層變淺,有利于邊坡穩(wěn)定；

③在擬定的新位置基礎(chǔ)上,通過邊坡穩(wěn)定計(jì)算進(jìn)一步優(yōu)化開挖坡比,將強(qiáng)風(fēng)化層巖體開挖邊坡及全風(fēng)化土開挖邊坡優(yōu)化為1∶0.75,進(jìn)一步降低邊坡的開挖高度。

優(yōu)化后邊坡設(shè)計(jì)方案的平面布置見圖2。

3 上游調(diào)壓井邊坡穩(wěn)定計(jì)算

3.1 計(jì)算斷面的選取

綜合考慮邊坡高度、風(fēng)化深度、開挖后邊坡布置等因素,取最高邊坡作為控制斷面計(jì)算上游調(diào)壓井上室開挖的邊坡穩(wěn)定。圖3為優(yōu)化前邊坡穩(wěn)定計(jì)算控制斷面,圖4為優(yōu)化后邊坡穩(wěn)定計(jì)算控制斷面圖。

圖2 優(yōu)化后上游調(diào)壓井邊坡平面布置示意

圖3 優(yōu)化前邊坡穩(wěn)定計(jì)算控制斷面示意(單位：高程 m，尺寸 mm)

圖4 優(yōu)化后邊坡穩(wěn)定計(jì)算控制斷面示意(單位：高程 m，尺寸 mm)

3.2 計(jì)算參數(shù)

上游調(diào)壓井上室邊坡計(jì)算采用的各巖、土層的物理力學(xué)參數(shù)見表2、表3。

表2 上游調(diào)壓井上室邊坡各巖、土層的物理力學(xué)參數(shù)(計(jì)算采用總應(yīng)力法)

表3 上游調(diào)壓井上室邊坡各巖、土層的物理力學(xué)參數(shù)表(計(jì)算采用有效應(yīng)力法)

3.3 計(jì)算工況及計(jì)算成果

根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T 5353—2006,上游調(diào)壓井上室邊坡屬A類Ⅰ級(jí)邊坡,邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)擬取上限值。邊坡荷載主要包括巖土體自重、地下水作用、加固力。工程場(chǎng)地的地震基本烈度為7°,需考慮地震工況。計(jì)算工況、荷載組合及計(jì)算結(jié)果見表4和表5。偶然狀況下邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果圖,見圖5和圖6。

表4 優(yōu)化前邊坡穩(wěn)定計(jì)算工況及成果

表5 優(yōu)化后邊坡穩(wěn)定計(jì)算工況及成果

圖5 優(yōu)化前偶然狀況邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果示意

圖6 優(yōu)化后偶然狀況邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果示意

表4中的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值為考慮加固力后的計(jì)算結(jié)果,其中第一級(jí)邊坡施加80 kPa的均布荷載、第二級(jí)邊坡施加200～100 kPa的梯形均布荷載、第三級(jí)邊坡施加150～60 kPa的梯形均布荷載、第四級(jí)邊坡施加20 kPa的均布荷載,計(jì)算安全系數(shù)滿足要求。荷載換算后優(yōu)化前邊坡方案的錨桿支護(hù)參數(shù)見圖3。

表5中的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值也為考慮加固力后的計(jì)算結(jié)果,其中第一級(jí)和第二級(jí)邊坡均施加60 kPa的均布荷載,計(jì)算安全系數(shù)滿足要求。荷載換算后優(yōu)化后邊坡方案的錨桿支護(hù)參數(shù)見圖4。

3.4 優(yōu)化前后工程投資比較

表6為優(yōu)化前、后邊坡設(shè)計(jì)方案工程量及投資比較,從表6可知優(yōu)化后邊坡設(shè)計(jì)方案節(jié)省工程投資236.59萬元。

表6 工程量及投資比較

4 結(jié)語

本文結(jié)合深圳抽水蓄能電站上游調(diào)壓井上室邊坡的設(shè)計(jì)實(shí)踐,探討了高邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本思路,并將其應(yīng)用于深蓄上游調(diào)壓井上室邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。結(jié)果表明,優(yōu)化后的邊坡技術(shù)可行、安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)合理,直接節(jié)省工程投資236.59萬元,對(duì)同類高邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

[1] 廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.廣東省深圳抽水蓄能電站可行性研究報(bào)告[R].廣州：廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2009．

(本文責(zé)任編輯 王瑞蘭)

Optimization of the Headrace Surge Chamber High Slope in Shenzhen Pumped Storage Power Station

CHEN Kuncheng, ZHONG Depei, SONG Chunhua

(Guangdong Hydropower Planning and Design Institute, Guangzhou 510635, Guangdong)

Aiming at the existent insufficiency of original design scheme, combined with geological borehole data, through the stability analysis of slope, the optimized design scheme has been reached. The result shows that the optimized design scheme is superior to the original design scheme in the environment protection, the difficulty of construction and the investment of project. The design results have certain reference value for slope design to other similar projects.

slope；stability；optimization

2016-03-08;

2016-03-24

陳坤城(1984)，男，碩士，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

TU457；TV743

B

1008-0112(2016)02-0022-04