蘭紹華

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 邊坡開挖方式

水墊塘峽谷段兩岸岸坡走向與巖層走向近于垂直，巖層走向與坡向交角較大，為橫向坡。岸坡卸荷影響帶寬度較大，局部地段可達 30～40 m，邊坡高度120～160 m，右岸邊坡開挖高度普遍比左岸小。左岸高程550.00 m處設(shè)一級6m寬馬道，高程495.00～550.00 m 之間單級坡為直立坡，478 m 高程以上其他部位設(shè)計開挖邊坡坡比為 1∶0.2，每15 m高設(shè)一級3 m寬馬道；478 m高程順地勢設(shè)寬5.2～20.2 m馬道，高程427～478 m之間坡比 1∶0.3，427 m高程設(shè)寬9 m馬道，高程 427 m 至塘底409 m間坡比3：1。右岸高程525.00 m處設(shè)一級 6 m 寬馬道，高程 495.00～570.00 m之間為垂直邊坡，478 m高程以上其他部位設(shè)計開挖邊坡坡比為1：0.2，每15 m高設(shè)一級3 m 寬馬道；478 m高程順地勢設(shè)寬 5.1～14.2 m 馬道，高程 427～478 m 之間坡比1∶0.5，427 m 高程設(shè)寬9 m馬道，高程427 m至塘底409 m 間坡比3∶1。

2 邊坡的系統(tǒng)支護

水墊塘邊坡采用噴錨支護，并設(shè)有地表及山體排水系統(tǒng)，以保證邊坡的穩(wěn)定，具體支護型式：坡面采用掛網(wǎng)噴混凝土的型式進行坡面保護，對于硬巖段噴層厚度 10 cm，軟巖段為 12 cm；錨桿采用系統(tǒng)錨桿(Φ 25L=6m@2.5 m×2.0 m)加鎖口錨桿(Φ 28L=9 m@2.5 m×2.0 m,各級坡頂，兩排)；排水采取坡面截、排水溝及坡面排水孔的地表排水系統(tǒng)與山體排水洞及洞內(nèi)鉆孔形成的排水幕的地下排水系統(tǒng)相結(jié)合的綜合排水措施，以提高邊坡整體穩(wěn)定性。坡面排水孔深為1.5m，布置形式為4 m×3 m，水墊塘邊坡混凝土澆筑前沿墻背排水溝加鉆孔深3m間距3m 排水孔；山體排水洞左岸右岸各布置5條，高程分別為590 m、550 m(右岸 545.0 m)、495 m、462.0 m(右岸 464.0 m)、430 m(右岸 420 m),排水洞斷面為2×2.5 m。為減輕泄洪霧化對邊坡穩(wěn)定的影響，在水墊塘左右兩岸630 m高程至開挖邊坡出口區(qū)域設(shè)泄洪霧化保護區(qū)，霧化保護區(qū)應清挖表面植被、覆蓋層和孤石后噴12 cm厚混凝土，內(nèi)鋪機編鍍鋅鋼絲網(wǎng)Ф4@10 cm×10 cm。

3 穩(wěn)定分析方法

水墊塘邊坡地層巖性為茅口組和棲霞組灰?guī)r地層(P1m1-1～P1q1)，以灰?guī)r為主，巖性為中厚層或塊狀生物碎屑灰?guī)r。兩側(cè)邊坡陡峭，高達200多米，坡度多在60°左右，部分近于直立。

邊坡穩(wěn)定分析方法較多，一般根據(jù)邊坡類型、滑移機制、邊坡變形與穩(wěn)定控制要求等進行選擇。針對構(gòu)皮灘電站水墊塘的特性及破壞型式，對峽谷段水墊塘硬巖邊坡，采用彈塑性有限單元法對邊坡開挖施工過程進行仿真模擬，對邊坡的應力狀態(tài)、變形及屈服情況進行分析；并對邊坡的整體穩(wěn)定性、加固效果進行評價。

圖1 計算斷面

4 峽谷段穩(wěn)定分析

4.1 荷載

(1)邊坡巖體自重

(2)開挖過程中的荷載：由開挖卸荷產(chǎn)生

構(gòu)皮灘水電站工程區(qū)域構(gòu)造應力較低，初始應力主要由自重產(chǎn)生，所以初始應力場按自重進行模擬。水墊塘邊坡區(qū)域天然情況地下水較低，運行期對水墊塘邊坡進行了封閉，且兩岸布置了山體排水洞，計算時對水墊塘峽谷段及峽谷出口段邊坡進行穩(wěn)定分析時未考慮地下水的影響。

4.2 約束

計算域兩側(cè)及底部邊界采用法向約束，臨空面自由。

4.3 計算斷面

選取水墊塘樁號0+100 m典型斷面進行平面有限元分析，如圖1所示，計算斷面內(nèi)材料分區(qū)從上到下依次為 P1m1-1、P1q4、P1q3、P1q2、P1q1，各巖層靠近臨空面附近均存在一定范圍的卸荷帶。

4.4 計算范圍及有限元網(wǎng)格

計算坐標系取 X 軸為水平方向，Y 軸為鉛直方向。計算范圍及有限元網(wǎng)格見圖2。整個計算域共有8 369個節(jié)點，8 199 個單元。按平面應變問題考慮。

4.5 計算參數(shù)及材料本構(gòu)關(guān)系

計算中所用到的巖體力學參數(shù)見表 1，計算時卸荷帶外巖體所采用的計算值為表中的低值，卸荷帶巖體力學參數(shù)按卸荷帶外巖體的0.6倍進行計算。巖體材料的本構(gòu)關(guān)系采用Drucker-Prager準則。

表1 巖體(石)力學參數(shù)建議值表

圖2 有限元網(wǎng)格

4.6 計算工況

為便于分析卸荷、開挖及錨固等各種因素對邊坡變形與穩(wěn)定的影響，共擬定了3個計算工況，分別如下：

工況 1：天然情況(自重應力場)

工況 2：邊坡開挖，不考慮系統(tǒng)錨固措施

工況 3：邊坡開挖，考慮系統(tǒng)錨固措施

圖3 屈服區(qū)分布圖

4.7 加固措施模擬方法

錨桿對巖體力學參數(shù)的改善，采用下述經(jīng)驗公式：

tgφ1=c1/c0tgφ0

式中c0、φ0、c1、φ1分別為原巖體及錨固巖體的凝聚力和內(nèi)摩擦角，τ、S分別為錨桿材料的抗剪強度及橫截面積；a、b為錨桿的縱、橫向間距， 為綜合經(jīng)驗系數(shù)，一般 2～5，巖性較軟時取高值。本次計算時η取3。

5 結(jié)語

(1)邊坡巖體的位移場主要是由開挖應力釋放和調(diào)整引起的。開挖完成后，左右岸邊坡的最大水平位移都發(fā)生在邊坡的中下部。邊坡采用系統(tǒng)錨固措施加固后，左岸最大水平位移 1.92 mm，位于492.0 m高程。右岸最大水平位移1.41 mm，位于442.00 m高程。坡底最大回彈變位 6.29 mm。

(2)開挖面附近大主應力(第一主應力)方向接近垂直開挖面方向，局部由主壓應力變?yōu)橹骼瓚?，?jīng)采用系統(tǒng)錨固措施加固后，主拉應力在 0.0～0.68 Pa 之間。次主應力方向(第三主應力)接近于平行開挖面方向，基本處于壓應力狀態(tài)。在邊坡開挖臺階的拐角處存在不同程度的應力集中現(xiàn)象，最大壓應力值 17.5 MPa。

(3)采用系統(tǒng)錨固措施加固后，左右岸邊坡的屈服區(qū)有較大的減小，表明錨固效果較好。采用系統(tǒng)錨固措施邊坡屈服區(qū)分布見圖3。塑性區(qū)分布范圍較小，且未貫穿任一級坡，表明整體是穩(wěn)定的。

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