孫勝利

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

安徽金寨抽水蓄能電站裝機容量1 200 MW，電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房等建筑物組成，為一等大（1）型工程。上水庫大壩、輸水系統(tǒng)、地下廠房、開關(guān)站、進廠交通洞、下水庫大壩及泄洪設(shè)施等主要建筑物按1級建筑物設(shè)計。開關(guān)站邊坡為A類樞紐區(qū)Ⅰ級邊坡。工程區(qū)基巖50年超越概率10%的地震動峰值加速度為117 gal，相應地震基本烈度為Ⅶ度。

開關(guān)站布置在下庫進/出水口下游約400 m處左岸山坡，軸線方向為N46°E，地面高程為265 m，場地尺寸為171 m×35 m（長×寬），布置有GIS室、繼保樓及地面出線場。

2 地質(zhì)條件

站址區(qū)地形為溝梁相間地貌，地面高程270～330 m，山脊地形較緩，坡度約10°～15°，兩側(cè)山坡較陡，坡度約25°～40°。中間發(fā)育寬緩沖溝，長年流水，溝源高程約490 m。沖溝下游段坡度較陡，溝底多為坡洪積漂石夾塊石，局部較平緩地帶為人工梯田，覆蓋層多松散，地形地貌見圖1。

地面地質(zhì)測繪未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流、崩塌等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，自然邊坡基本穩(wěn)定。

圖1開關(guān)站地形地貌（曲線區(qū)域內(nèi)為開關(guān)站邊坡開挖范圍）Fig.1 Switchyard topography(region within curve is the excavation range of switchyard slope）

山坡覆蓋層普遍發(fā)育，為坡積碎石土，層厚1.0～3.5 m，基巖為蚌埠期侵入的角閃巖。

根據(jù)鉆孔揭示，站址角閃巖風化較為強烈，地表巖石多為全～強風化，全風化層最深達21.80 m。強風化巖層厚1.40～8.74 m，最深達31.10 m。弱風化下限埋深一般25.24～27.64 m，弱風化巖石質(zhì)量指標RQD為62%～80%，屬完整性差～較完整巖體。地下水位埋深一般為1.20～12.10 m，相應高程為254.99～311.40 m。

建議邊坡開挖坡比：覆蓋層和全風化層1∶1.5～1∶1.75、強風化層1∶1.0～1∶0.75、弱風化層1∶0.75～1∶0.5。每坡高10～15 m設(shè)置一級馬道，坡頂及兩側(cè)設(shè)截（排）水溝，坡面采取系統(tǒng)支護措施。

邊坡地質(zhì)平面和主要剖面見圖2和圖3（地質(zhì)剖面以5-5為例）。

圖2 開關(guān)站地質(zhì)平面圖Fig.2 Geology plan of switchyard

圖3 5-5地質(zhì)剖面圖Fig.3 Geology profile 5-5

3 邊坡穩(wěn)定計算分析

3.1 計算軟件簡介

Slide軟件是一款基于極限平衡分析方法的二維土質(zhì)或巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析程序，滑面可以是圓弧或者非圓弧形式，可以簡單快速地分析復雜的模型，模擬多種外部荷載、地下水和支護形式。程序計算方法基于豎直條分法極限平衡分析（例如Bishop、Janbu、Spencer等），對給定邊坡可指定已知滑面或者自動搜索滑面。

SLOPE/W與Slide軟件比較相似，可以分析用戶遇到的幾乎所有邊坡穩(wěn)定性問題，極限平衡分析方法有Morgenstern-Price、GLE、Spencer、Bishop、Ordinary、Janbu、Sarma等。

3.2 地質(zhì)參數(shù)

各巖土層地質(zhì)參數(shù)見表1。

3.3 設(shè)計工況和設(shè)計安全系數(shù)

根據(jù)DL/T 5353-2006《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》第7.2.6條，開關(guān)站邊坡設(shè)計工況分為持久、短暫和偶然三種工況。根據(jù)第5.0.4條，開關(guān)站邊坡設(shè)計安全系數(shù)取值如下：持久狀況為1.30（正常運用工況）、短暫狀況為1.20（含運行期暴雨或久雨等工況）、偶然狀況為1.10（地震工況）。

3.4 計算方法

根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》第7.4.4條：對于巖質(zhì)、土質(zhì)滑坡體，當滑面近似圓弧形時，推薦采用簡化畢肖普法，也可采用詹布法。

故采用Slide和SLOPE/W軟件自帶的簡化畢肖普法（Bishop Simplified）和簡化詹布法（Janbu Simplified）兩種方法進行計算。

3.5 初始設(shè)計

3.5.1 設(shè)計坡比

招標階段開關(guān)站邊坡設(shè)計坡比為：西南側(cè)邊坡（5-5剖面）坡比及高度，由下至上分別為1∶0.75（15 m高）、1∶1（10 m高）、1∶1（10 m高）、1∶1.2（10 m高）、1∶1.2（10 m高）、1∶1.2（至開口線）。東北側(cè)邊坡（1-1剖面）坡比及高度，由下至上分別為1∶0.75（15 m 高）、1∶1（10 m 高）、1∶1.2（10 m 高）、1∶1.2（10 m高）、1∶1.2（至開口線），馬道寬均為3 m。

表1 巖土層地質(zhì)參數(shù)表Table 1 Geology parameters of rock and soil layer

3-3剖面、4-4剖面坡比同5-5剖面，2-2剖面由下至上分別為1∶0.75（15 m高）、1∶1至開口線。

3.5.2 計算模型

選取5個斷面（1-1～5-5剖面）進行計算，以5-5剖面為例，計算模型邊界范圍為涵蓋邊坡坡頂以外的邊界，可滿足邊坡穩(wěn)定計算的需要。

邊界條件：左右兩邊界水平方向約束、底部邊界固結(jié)，由軟件自動設(shè)置。

地下水位線以上材料采用天然狀態(tài)參數(shù)，地下水位線以下材料采用飽和狀態(tài)參數(shù)。

暴雨工況假定地下水位上升至地表，所有材料均飽和。

荷載基本組合僅考慮自重+地下水壓力，暫不考慮加固力。

計算模型見圖4。

3.5.3 計算結(jié)果

開關(guān)站邊坡1-1～5-5剖面的持久、短暫與偶然工況安全系數(shù)計算結(jié)果見表2。

表2 招標階段開關(guān)站邊坡1-1～5-5剖面安全系數(shù)計算Table 2 Safety factor calculation of switchyard slope profile 1-1～5-5 in bidding stage

3.5.4計算結(jié)果分析

由表2看出，除2-2剖面在無支護條件下計算安全系數(shù)大于允許安全系數(shù)外，其余斷面均存在計算安全系數(shù)小于允許安全系數(shù)的情況，尤其是4-4剖面短暫工況計算安全系數(shù)遠小于允許安全系數(shù)（主要原因是全風化層太厚），需增加支護。

根據(jù)GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》表8.2.3-2和條文8.4.2，錨桿（束）的粘結(jié)強度按表3取值。

3.6 最終設(shè)計

3.6.1 設(shè)計坡比

對于4-4地質(zhì)剖面，全風化厚度最大達到21 m，盡管增加支護可以保證邊坡的計算安全系數(shù)滿足設(shè)計要求，依然難以保證施工期的安全穩(wěn)定，且錨筋樁數(shù)量較多，投資較大。技施階段開關(guān)站邊坡開挖坡比調(diào)整如下：

表3 不同巖性、不同孔徑錨桿（束）粘結(jié)強度Table 3 Anchor cohesional strength of different lithology and drill diameter

圖5 4-4剖面短暫狀況安全系數(shù)分布圖（Slide畢肖普法）Fig.5 Safety factor distribution of profile 4-4 in short-term condition（Bishop of Slide）

西南側(cè)部分邊坡（5-5剖面）坡比及高度，由下至上分別為1∶0.75（15 m高）、1∶1.5（10 m高）、1∶1.5（10 m高）、1∶1.5（10 m高）、1∶1.5（至開口線）；東北側(cè)部分邊坡（1-1剖面）坡比及高度，由下至上分別為1∶1（15 m高）、1.5（10 m高）、1∶1.5（至開口線）。

3-3、4 -4剖面坡比同5-5剖面；2-2剖面為1∶0.75至開口線。

馬道寬均為3 m。

3.6.2 計算結(jié)果

計算模型同3.5.2。

開關(guān)站邊坡1-1～5-5剖面的持久、短暫與偶然工況安全系數(shù)計算結(jié)果見表4。

3.6.3 計算結(jié)果分析

由表4看出，1-1剖面在無支護條件下短暫工況計算安全系數(shù)小于允許安全系數(shù)，需增加支護。

短暫工況計算安全系數(shù)分別為1.286（Slide畢肖普法）和1.323（SLOPE/W畢肖普法），結(jié)果滿足設(shè)計要求。

4 開挖支護設(shè)計

根據(jù)邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果，對開關(guān)站邊坡進行開挖支護設(shè)計。

4.1 開挖設(shè)計

同3.6.1節(jié)坡比。

表4 技施階段開關(guān)站邊坡1-1～5-5安全系數(shù)計算Table 4 Safety factor calculation of switchyard slope profile 1-1～5-5 in construction stage

圖6 1-1剖面短暫工況計算模型Fig.6 Calculation model of profile1-1 in short-term condition

4.2 支護設(shè)計

第一級（由下至上，下同）邊坡采用掛網(wǎng)噴0.1 m厚C30混凝土+系統(tǒng)錨桿+0.5 m厚鋼筋混凝土貼坡支護，第一級以上邊坡采用鋼筋混凝土框格梁+錨桿（錨索）支護。

東北側(cè)邊坡（1-1剖面）共設(shè)兩級馬道，馬道寬均為3 m。第一級邊坡采用25普通砂漿系統(tǒng)錨桿支護，長6 m，間排距2 m×2 m；第二級邊坡采用25普通砂漿系統(tǒng)錨桿支護，長6 m，間排距3 m×3 m；第三級邊坡采用325錨筋樁支護，長9 m，間排距3 m×3 m。

西南側(cè)邊坡（5-5剖面）共設(shè)四級馬道，馬道寬均為3 m。第一級邊坡采用25普通砂漿系統(tǒng)錨桿支護，長6 m，間排距2 m×2 m；第二級邊坡采用25普通砂漿系統(tǒng)錨桿（長6 m）和系統(tǒng)壓力分散型預應力錨索（長25 m，設(shè)計張拉力值1 000 kN）支護，間排距均為3 m×3 m；第三、四級邊坡采用25普通砂漿系統(tǒng)錨桿支護，長6 m，間排距3 m×3 m；第五級邊坡采用325錨筋樁支護，長9 m，間排距3 m×3 m。

4.3 截排水設(shè)計

截水溝為鋼筋混凝土截水溝，布置在邊坡開口線外約10 m左右，梯形斷面，凈寬1.1 m，最小凈高0.8 m，斜坡坡比為1∶0.5，厚度0.3 m。為有效截排沖溝洪水（見圖1，重現(xiàn)期50年洪水2.13 m3/s），截水溝與沖溝交匯處設(shè)消力池，凈長5.4 m、凈寬3.2 m、凈高2 m、厚0.3 m。

邊坡設(shè)系統(tǒng)排水孔，土質(zhì)邊坡設(shè)φ100排水孔，長5 m，內(nèi)插PVC排水花管（DN90，長5 m）；巖質(zhì)邊坡設(shè)φ50排水孔，長5 m，內(nèi)插PVC排水花管（DN40，長2 m），間排距均為3 m×3 m。坡面框格梁設(shè)導流坎，馬道設(shè)橫向排水溝與截水溝相連或至坡外沖溝，排水孔出水和坡面雨水經(jīng)由框格梁導流坎、馬道排水溝排向坡外。要求截、排水溝出口處坡面坡度大于10%時設(shè)置跌水，跌坎寬度控制在0.25～0.4 m，高度控制在0.3 m以內(nèi)。

4.4 坡面防護

被動防護網(wǎng)布置在距截水溝外側(cè)約2 m左右，高3 m，能量等級為250 kJ。

4.5 監(jiān)測設(shè)計

為監(jiān)測邊坡變形和支護結(jié)構(gòu)受力，沿1-1、3-3和5-5剖面共設(shè)置3個監(jiān)測斷面。

沿邊坡開口線和1-1、5-5剖面共設(shè)置10個表面位移測點，5-5剖面錨索部位設(shè)置1套四點式變位計、2個地下水位孔，兩點、三點式錨桿應力計共設(shè)置9套，錨索測力計共設(shè)置3套。

邊坡開挖支護典型斷面見圖7。

5 結(jié)語

安徽金寨抽水蓄能電站開關(guān)站邊坡較高，為Ⅰ級邊坡，直接影響到開關(guān)站GIS室、繼保樓和出線架的安全。主要結(jié)論如下：

（1）邊坡地形、地質(zhì)條件復雜，邊坡開挖、支護從可研到技施歷時兩年半之久，期間對邊坡的位置、開挖坡比、支護型式進行了大量的方案調(diào)整。

（2）Slide和SLOPE/W兩種軟件的計算結(jié)果非常接近，有時甚至完全一樣，表明兩種軟件的計算原理是相同的，為邊坡的開挖、支護提供了重要的理論依據(jù)。

（3）對邊坡穩(wěn)定的幾個基本問題，如有效應力法和總應力法、暴雨工況的假定等并未展開討論，實際上這些基本問題將直接影響計算結(jié)果，進而影響到邊坡的開挖、支護設(shè)計。

（4）邊坡開挖坡比、支護設(shè)計還有進一步優(yōu)化的空間。

目前邊坡已基本開挖完成，各項監(jiān)測資料正常，根據(jù)監(jiān)測資料對日后類似工程邊坡的開挖、支護進行優(yōu)化調(diào)整，可提高邊坡穩(wěn)定計算和支護設(shè)計的水平。

圖7 5-5剖面開挖支護圖Fig.7 Excavation and support of profile 5-5

[1]安徽金寨抽水蓄能電站可行性研究報告第六篇工程布置及建筑物[R].杭州:中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,2013.

[2]安徽金寨抽水蓄能電站招標設(shè)計報告第三篇工程地質(zhì)[R].杭州:中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,2014.

[3]GB 50330-2013,建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].

[4]DL/T 5353-2006,水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范[S].

[5]NB 35047-2015,水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S].