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        TP水庫泄洪沖沙洞進口邊坡穩(wěn)定計算研究

        2019-03-02 02:18:06吳戰(zhàn)營
        廣西水利水電 2019年1期
        關鍵詞:安全系數(shù)滑動斷層

        吳戰(zhàn)營

        (水利部新疆水利水電勘測設計研究院,烏魯木齊830000)

        1 工程概況

        泄水建筑物進、出口邊坡的安全與穩(wěn)定,對泄水建筑物能否安全運行至關重要。特別是對于地質條件差的邊坡,采用何種支護方案和措施,保證邊坡的穩(wěn)定、安全,是一個值得研究的問題。本文通過對TP水庫工程泄洪沖沙洞進口邊坡進行邊坡穩(wěn)定分析計算,最終確定了合理的邊坡支護方案。

        TP水庫主要任務是灌溉、防洪,工程等別為Ⅲ等,工程規(guī)模為中型。水庫總庫容6 098.93萬m3,控制灌區(qū)灌溉面積14.13萬畝。主要水工建筑物包括攔河壩(瀝青混凝土心墻壩)、溢洪洞、泄洪沖沙洞、灌溉放水洞;次要建筑物包括壩區(qū)不影響主要建筑物和設備運行的擋土墻、導流墻及護岸等;臨時建筑物包括下游圍堰。土石壩(含與大壩結合的上游圍堰)為3級建筑物,泄水建筑物、灌溉放水建筑物為3級建筑物,次要建筑物為4級建筑物,臨時建筑物為5級建筑物。

        據(jù)《新疆TP水庫地震安全性評價報告》分析:工程區(qū)基巖50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.26 g,對應的地震基本烈度為Ⅷ度。另根據(jù)1/400萬《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015),工程區(qū)50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.3 gal,地震動反應普特征周期為0.45 s,對應的地震基本烈度為Ⅷ度,與地震安全性評價報告結論基本一致。工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度,根據(jù)《水工建筑物抗震設計規(guī)范》SL203-97的規(guī)定,大壩及其它主要建筑物設防類別為丙類,大壩及其它主要建筑物抗震設計烈度為Ⅷ度。

        2 泄洪沖沙洞進口邊坡地質條件

        導流洞兼泄洪洞進口位于左壩肩壩軸線上游約370 m,進口包括引渠段和進口閘井段。引渠底板高程2 343.0 m,位于左岸Ⅱ級階地上,階地上部為含碎石粉土層,厚1~2.6 m,其下為砂卵礫石層,引渠前段基礎挖深在2.5~7.3 m,基礎多位于粉土與砂卵礫石層交界附近,閘井前段渠基最大挖深26.5 m,渠基均位于粉砂巖地層上。閘井進口邊坡走向53°左右,坡度35°~40°,基巖多裸露,僅在坡腳2 357 m高程以下分布有少量的坡積碎石土層,厚3~6.5 m,結構松散,基巖巖性為泥盆系中統(tǒng)(D2e-gv)粉砂巖夾灰?guī)r,粉砂巖呈灰褐色、紫紅色、灰綠色,薄層狀,巖層產狀280°NE∠25°,緩傾上游,局部夾0.2~1.5 m厚的灰?guī)r;粉砂巖抗風化能力差,強風化層3~5 m,巖體破碎,鉆孔巖芯以0.3~1 cm的薄片狀為主,弱風化層厚15~20 m,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體相對完整;層理與進口洞臉邊坡夾角47°,大角度相交,對洞臉和左側邊坡穩(wěn)定有利,對右側邊坡不利;據(jù)導流洞進口平洞PD3資料,閘井段共發(fā)育有5條斷層,其中在平洞8~16 m之間,平行發(fā)育3條較大的斷層,f1:275°NE∠25°~30°,破碎帶寬2~3 m,由斷層泥及碎裂巖組成,斷層泥厚20~30 cm,3斷層之間巖體破碎,成洞較困難,平洞0~16 m之間均采取支護措施;f2:290°NE∠25°,破碎帶寬5~15 cm;f3:330°SW∠35°,破碎帶寬5~10 cm;f4:45°SE∠80°,破碎帶寬5 cm;f5:65°NW∠60°,破碎帶寬5~30 cm。泄洪沖沙洞進口邊坡赤平投影圖見圖1,由圖1分析,斷層f1、f2、f3及層面組合交點和邊坡投影弧在同一側,落于天然邊坡投影弧的外側,說明結構面組合交線的傾向與邊坡傾向相對一致,傾角小于天然邊坡的坡角,即結構面組合交線在天然邊坡坡面上沒有出露,并不會切穿邊坡巖體,切割體屬于較穩(wěn)定結構面,邊坡處于較穩(wěn)定狀態(tài);斷層f3、f4組交點位于人工邊坡和天然邊坡投影弧的對側,結構面的交線與邊坡傾向相反,結構面組合切割體為傾向坡內的穩(wěn)定結構面,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。閘井洞臉邊坡在天然狀態(tài)下處于較穩(wěn)定狀態(tài),但水庫蓄水后結構面均處于水位以下,結構面強度降低,對穩(wěn)定不利,建議洞臉邊坡加強噴錨支護處理措施。進口閘井基礎地質條件相對較差,粉砂巖地基允許承載力2.0~2.5 MPa。隧洞進口斷層帶樁號0+000~0+020 m段為Ⅴ類圍巖,約占6%,巖體彈性抗力系數(shù)K0=2~3 MPa/cm,堅固系數(shù)fk=0.3~0.5,洞室不穩(wěn)定,可能會產生較大規(guī)模的掉塊和塌方,需采取有效的工程措施處理。

        圖1 泄洪沖沙洞進口邊坡赤平投影圖

        3 泄洪沖沙洞進口邊坡支護設計方案

        進口閘井后邊坡2 361 m高程以下垂直開挖,2 370~2 390 m沿高程10 m一級馬道,巖石開挖邊坡為1∶0.5,馬道寬2.0 m,2 392.8 m高程以上邊坡沿斷層順層面進行剝離;進口閘井后側邊坡2 361~2 390 m高程的邊坡采用錨索進行支護,錨索為25 m和30 m長,100 t,5 m×5 m間隔布置;進口閘井后側邊坡2 390~2 395.8 m高程的邊坡采用錨索進行支護,錨索為35 m長,100 t,5 m×5 m布置。在2 390~2 395.8 m、2 349.9~2 370 m設置錨筋樁,長度為9 m,采用3根Φ25鋼筋,間排距為3 m,梅花形布置;整個邊坡采用C30混凝土噴護,噴護厚度100 mm,并掛Φ8@200 mm×200 mm的鋼筋網,砂漿錨桿長4.5 m,直徑25 mm,間距2 m、排距2 m,并在閘井兩側和后部回填C15素混凝土,降低永久邊坡的高度,保證進口建筑物的穩(wěn)定。泄洪沖沙洞進口閘井后邊坡開挖后地形見圖2,泄洪沖沙洞進口閘井后邊坡支護設計方案見圖3。

        圖2 泄洪沖沙洞進口閘井后邊坡開挖后地形圖

        圖3 泄洪沖沙洞進口閘井后邊坡支護設計方案

        4 邊坡穩(wěn)定計算

        4.1 計算原則和方法

        本文以二維極限平衡法為主要分析方法,對泄洪沖沙洞進口閘井后邊坡在施工期(坡內外無水)、穩(wěn)定滲流期以及遭遇地震工況條件下支護前、后的整體與局部穩(wěn)定性進行分析評價,計算程序采用中國水利水電科學研究院研發(fā)的《巖質邊坡穩(wěn)定計算軟件—EMU2007》。

        4.2 計算工況

        為考慮進水口布置的水工建筑物對邊坡的影響,本次計算主要對進水口邊坡以下幾種工況的穩(wěn)定性進行復核:

        (1)工況一:施工期,坡體內外無水,無混凝土回填,無附屬建筑物;

        (2)工況二:水庫正常運用期,當水庫蓄水至正常蓄水位2 394.52 m,主要復核穩(wěn)定滲流期的穩(wěn)定狀況;

        (3)工況三:遭遇地震的穩(wěn)定狀況。

        4.3 計算參數(shù)

        根據(jù)邊坡產狀及巖層走向分析,滑動面由順層面滑動及順斷層滑動控制,根據(jù)《TP水庫地質報告》選定計算參數(shù),巖體物理力學參數(shù)見表1。

        因巖體呈層狀分布,巖體較破碎,且有5條斷層,計算參數(shù)取值時,采用巖體物理力學參數(shù)下限值。斷層計算參數(shù)的取值嚴格按照斷層物理力學指標進行取值。根據(jù)滑動模式選擇不同參數(shù),整體及局部順層滑動模式因滑動角度與順層坡度基本相同,采用順層層間參數(shù)控制邊坡穩(wěn)定。

        4.4 滑動模式

        根據(jù)對泄洪沖沙洞進口閘井后邊坡開挖后的地形特征,巖體產狀與邊坡產狀的關系進行分析,剖面可能滑動模式有3種,分別是沿f1斷層整體滑動、沿f5斷層滑動、沿f1~f5斷層組成的滑裂面滑動,分別在不同工況下,對這3種滑動模式進行支護前和支護后的邊坡穩(wěn)定計算。

        表1 巖體物理力學參數(shù)

        4.5 邊坡計算結果

        不同工況下各方案邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表2。

        表2 不同工況下各方案邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

        根據(jù)《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》(SL386-2016)規(guī)定:邊坡與水工建筑物的相互關系。泄洪沖沙洞進口閘井后邊坡的級別為4級。因此,工況一安全系數(shù)應大于1.10,工況二安全系數(shù)應大于1.15,工況三安全系數(shù)應大于1.05。

        由表2計算結果可知:在不同工況下,邊坡沿f5斷層滑動的可能性最大,邊坡支護前安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。進口邊坡巖石破碎、強度低,邊坡支護后與支護前對比,安全系數(shù)都有所提高,支護后的安全系數(shù)滿足規(guī)范要求,為了保證進口永久邊坡的穩(wěn)定性及安全性,對進口邊坡采用錨索、錨筋樁、掛網錨噴的支護方案是可行的。

        5 結語

        通過對TP水庫泄洪沖沙洞進口邊坡進行穩(wěn)定計算分析,得出以下結論:

        (1)不同工況下,邊坡沿f5斷層滑動的可能性最大,其次是沿f1斷層滑動,沿f1~f5斷層滑動的可能性最小。

        (2)泄洪沖沙洞進口閘井后邊坡開挖后,如不采取支護措施,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求,很有可能邊坡失穩(wěn)。

        (3)對進口邊坡采用錨索、錨筋樁、掛網錨噴的支護方案后,安全系數(shù)都有所提高,滿足規(guī)范要求,此支護方案是合理、可行的。

        (4)此邊坡支護方案能夠為相似工程邊坡設計和計算提供參考,對其它工程具有借鑒與應用意義。

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