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        葉巴灘水電站開關(guān)站邊坡穩(wěn)定性分析與支護設(shè)計

        2020-09-23 07:17:12張志軍何建華幸享林
        水電站設(shè)計 2020年3期
        關(guān)鍵詞:開關(guān)站塊體節(jié)理

        張志軍,何建華,幸享林

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

        0 前 言

        葉巴灘水電站是一座以發(fā)電為主要任務(wù)的大型水利水電樞紐工程,是金沙江上游規(guī)劃13級開發(fā)方案中的第7級,電站裝機6臺,裝機容量2 240 MW(含200 MW泄放生態(tài)流量機組容量),年發(fā)電量(聯(lián)合運行)103.17億kW·h,為一等大(Ⅰ)型工程,主要建筑物為Ⅰ級建筑物。電站采用右岸首部式地下廠房布置方案,工程出線等級為500 kV,5回送出。地面開關(guān)站與大壩右岸纜機布置在同一平臺,均位于3 000 m高程,開關(guān)站平行布置于右岸纜機平臺內(nèi)側(cè),邊坡后緣開口線高程約3 115 m,分為正向邊坡和上游側(cè)坡,邊坡開挖高度約為115 m。

        本文基于現(xiàn)有的工程地質(zhì)資料,分析了該邊坡的失穩(wěn)模式,并對不同工況下邊坡的整體穩(wěn)定性及局部塊體穩(wěn)定性進行了計算分析,結(jié)合現(xiàn)場實際地質(zhì)條件及工程經(jīng)驗,提出了邊坡的支護方案。開關(guān)站邊坡典型剖面示意如圖1所示。

        1 工程地質(zhì)條件

        工程區(qū)岸坡陡峻,地面開關(guān)站和布置于右岸山頂3 000 m高程平臺,位于大壩右岸纜機平臺內(nèi)側(cè),平臺長185 m,寬35 m。其中,開關(guān)站平臺寬24 m,外側(cè)右岸纜機平臺寬11 m。邊坡后緣開口線高程3 115 m,分為正向邊坡和上游側(cè)坡,正向邊坡坡向S4.5° E~S21°W,上游坡向N85.5° E。

        開關(guān)站平臺及纜機平臺水平開挖深度為50~80 m,巖體弱上風化、強卸荷,卸荷裂隙發(fā)育,巖體較松弛~松弛,較破碎,為Ⅳ類巖體。開關(guān)站開挖邊坡以弱上風化、強卸荷的Ⅳ類巖體為主。1號卸荷拉裂巖體發(fā)育于平臺內(nèi)上游部位。

        圖1 開關(guān)站邊坡典型剖面(單位:m)

        勘探揭示開關(guān)站平臺與開挖邊坡發(fā)育的主要斷層見表1。此外邊坡內(nèi)還發(fā)育大量小斷層,前期勘探無法全面揭露,需根據(jù)施工開挖揭示情況進行動態(tài)分析。主要有J1、J2、J3、J4等4組優(yōu)勢節(jié)理裂隙;緩傾節(jié)理裂隙發(fā)育程度較弱,主要有J5-1、J5-3等2個方向;此外局部發(fā)育J8組節(jié)理裂隙。

        2 邊坡開挖方案

        由于開關(guān)站邊坡巖體均為IV類圍巖,且邊坡為永久邊坡,其穩(wěn)定開挖坡比為1:1,本階段根據(jù)地質(zhì)條件,結(jié)合工程類比,為了降低邊坡的開挖高度,擬定開關(guān)站邊坡開挖坡比為1:0.5,每30 m設(shè)一馬道,寬3.0 m,下游側(cè)邊坡3 060 m高程處馬道處布置消防水池,馬道開挖寬度為5.5 m。開挖邊坡平均高度約70 m,最高約115 m。邊坡主要有2個方向,正向邊坡和上游側(cè)坡,正向邊坡方位為N4.5°W,上游側(cè)坡的方位為N21.14°E。

        表1 右壩肩開關(guān)站平臺(纜機平臺)及開挖邊坡出露主要構(gòu)造匯總

        3 邊坡穩(wěn)定性分析

        3.1 邊坡等級、計算工況與安全系數(shù)

        葉巴灘電站為一等大(Ⅰ)型工程,開關(guān)站及右岸纜機平臺的安全級別為Ⅰ級,根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T5353-2006)確定開關(guān)站及纜機平臺邊坡的安全級別,計算工況、邊坡上的作用組合及設(shè)計安全系數(shù)見表2。

        表2 計算工況、作用組合及安全系數(shù)

        3.2 滑動模式及不穩(wěn)定塊體組合分析

        前期勘探揭示的地質(zhì)條件表明邊坡整體穩(wěn)定性較好,無特定的斷層或結(jié)構(gòu)面作為滑移面,可能存在斷層與裂隙組合形成的塊體。

        開關(guān)站上游側(cè)邊坡主要發(fā)育F3、f77等斷層。F3等結(jié)構(gòu)面切腳后順坡傾外,此外與開挖邊坡上游側(cè)坡平行的J1組節(jié)理切腳后順坡傾外,上游側(cè)開挖邊坡穩(wěn)定性總體較差。首先按以下模式對邊坡穩(wěn)定性作計算分析:①順坡向的J1組方向的節(jié)理(或隨機小斷層)構(gòu)成的單面滑移;②沿強卸荷巖體搜索滑面。

        此外可構(gòu)成的滑移塊體組合模式主要有:

        RK1。斷層F3與f 77組合,以NE向陡傾節(jié)理J1作為后緣切割面,可構(gòu)成確定性的楔形滑移塊體(見圖2~3),交棱線在3 020 m高程一帶切出地表,交棱線傾向S40°~45°W,傾角20°~25°。楔形塊體分布在高程3 020~3 060 m之間。F3為B5型,f77為B3型,斷層性狀較差,塊體穩(wěn)定性較差。

        圖2 F3與f77組合塊體赤平投影

        圖3 F3與J3組合塊體赤平投影

        斷層F3與NW向陡傾節(jié)理J3組合可構(gòu)成楔形滑移塊體,交棱線傾向S50°~55°E,傾角10°~15°,F(xiàn)3為B5型,交棱線傾角較緩,塊體穩(wěn)定性較好。

        此外,受近EW向的隨機小斷層或節(jié)理J1控制,可形成單面滑移塊體。滑移面走向與開挖邊坡近平行,延伸較長,傾角較陡,開挖切腳后對邊坡穩(wěn)定不利,開挖邊坡穩(wěn)定性總體較差,建議開挖邊坡作系統(tǒng)支護處理。

        開關(guān)站正向邊坡主要發(fā)育F4、f 26、f 27、f 92、f 93、f 94、f 95、f 96、 f 32-2、f 32-3、f 34-1、f 34-4等斷層。未見中緩傾順坡向傾坡外的貫通性結(jié)構(gòu)面發(fā)育。首先按以下模式對邊坡穩(wěn)定性作計算分析:①順坡向的J4組節(jié)理構(gòu)成的單面滑移;②沿強卸荷巖體內(nèi)部或底界搜索滑面。此外可構(gòu)成的滑移塊體組合模式主要為以下幾組:

        RK2。斷層f 29與f 94組合,以NE向陡傾節(jié)理J1作為后緣切割面,可構(gòu)成確定性的楔形滑移塊體(見圖4),交棱線在3 040 m高程一帶切出地表,交棱線傾向S55°~60°E,傾角20°~25°。楔形塊體分布在高程3 040~3 100 m之間。f 29為B4型,f 94為B3型,斷層性狀較差,塊體穩(wěn)定性較差。

        圖4 f29與f94組合塊體赤平投影

        RK3。斷層f 29(或f 34-4)與f 34-1組合,以NE向陡傾節(jié)理J1作為后緣切割面,可構(gòu)成確定性的楔形滑移塊體(見圖5),交棱線在3 030 m高程一帶切出地表,交棱線傾向S50°~55°E,傾角10°~15°。楔形塊體分布在高程3 030~3 070 m之間。f 29為B4型(f 34-4為B1型),f 34-1為B1型,斷層性狀較差,塊體交棱線傾角較緩,塊體穩(wěn)定性較好。

        圖5 f29與f34-1組合塊體赤平投影

        斷層f93與EW向傾下游的節(jié)理J1組合,可構(gòu)成楔形滑移塊體,交棱線傾向S65°~70°E,傾角25°~30°,塊體穩(wěn)定性較差。受節(jié)理J4控制,以J2、J3作為后緣切割面,可構(gòu)成隨機單面滑移塊體。節(jié)理J1與J3組合(或隨機發(fā)育的小斷層),可構(gòu)成隨機楔形滑移塊體。隨機組合塊體規(guī)模較小,不利條件下可能滑移、崩塌失穩(wěn),應(yīng)注意施工期安全,建議開挖邊坡作系統(tǒng)支護處理。

        開挖形成的Ⅳ類巖體邊坡,巖體卸荷松弛,由于開挖坡度較陡,坡體穩(wěn)定性較差,在開口線附近需先進行支護處理,以確保開口線以外邊坡穩(wěn)定,開挖形成的工程邊坡需作及時有效處理。

        3.3 計算參數(shù)選取

        地震工況以50年為基準期,超越概率5%的概率水準,相應(yīng)的地震動峰值加速度為205 gal。

        巖體及斷層的力學參數(shù)見表3~4;另外,結(jié)合地質(zhì)本階段提供的節(jié)理裂隙連通率,對J1、J2、J3和J4組節(jié)理裂隙的力學參數(shù)進行了加權(quán)平均,計算主要選取的參數(shù)見表5。

        3.4 整體抗滑穩(wěn)定性分析計算

        根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T5353-2006),邊坡的安全系數(shù)以極限平衡法中的下限解法進行控制,采用Bishop simplified和Janbu simplified方法進行計算,計算軟件采用Rocscience Slide。

        由于開關(guān)站及右岸纜機平臺邊坡(EL 3 000.00 m以上部分)無特定的斷層結(jié)構(gòu)面作為滑移面,因此邊坡的底滑面是通過程序進行圓弧收索。各工況下計算滑弧示意見圖6,計算成果見表6。

        表3 巖體的力學參數(shù)

        表4 巖體結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)

        表5 節(jié)理裂隙的力學參數(shù)

        圖6 開關(guān)站邊坡計算滑弧示意圖(底滑面為程序自動搜索)

        表6 開關(guān)站及右岸纜機平臺邊坡穩(wěn)定計算成果(支護前)

        根據(jù)表6計算結(jié)果可以看出,邊坡支護前在各工況下,其安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

        3.5 塊體穩(wěn)定性分析計算

        根據(jù)地質(zhì)提供資料,共對6組影響邊坡穩(wěn)定性的滑塊進行了穩(wěn)定性計算,計算采用Rocscience Swedge程序。

        開關(guān)站及纜機平臺邊坡塊體穩(wěn)定性計算結(jié)果如表7所示。從表7可以看出,開關(guān)站邊坡組合2(RK2)支護前局部塊體穩(wěn)定系數(shù)部分工況不滿足規(guī)范要求,該組合計算模型見圖7。

        由表7可以看出,部分塊體在無支護措施的情況下,偶然工況的穩(wěn)定性系數(shù)不滿足規(guī)范的要求,需要對邊坡施加錨索支護。初擬對邊坡施加1 500 kN、L=25 m及2 000 kN、L=30 m@5 m的預(yù)應(yīng)力錨索,對組合2(RK2)進行塊體穩(wěn)定性復(fù)核,錨索支護后的該組合各工況穩(wěn)定系數(shù)見表8。由表8可見施加錨索支護后,塊體穩(wěn)定性系數(shù)均滿足要求。

        4 邊坡支護設(shè)計

        根據(jù)開關(guān)站邊坡穩(wěn)定性計算成果可知,開關(guān)站開挖后邊坡整體穩(wěn)定分析均滿足規(guī)范要求,但塊體穩(wěn)定在部分工況下不能滿足規(guī)范要求;且由于邊坡巖體風化、卸荷強烈,本階段開關(guān)站邊坡勘探工作有限,從壩區(qū)工程地質(zhì)條件分析,總體上,本工程地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,開關(guān)站邊坡依然存在潛在的不確定地質(zhì)構(gòu)造,以及隨機不穩(wěn)定塊體組合,同時考慮到開關(guān)站邊坡作為永久建筑物邊坡,下游部位開關(guān)站平臺布置有大量的機電設(shè)備,為了保證運行期開關(guān)站建筑物與設(shè)備及運行人員的安全,對邊坡采用以下支護措施(開關(guān)站正、側(cè)邊坡支護示意見圖8~9):

        表7 開關(guān)站邊坡塊體分析計算結(jié)果(支護前)

        表8 開關(guān)站邊坡塊體分析計算結(jié)果(支護后)

        圖7 組合2(PK2)計算模型示意

        (1)在3 030.00 m、3 060.00 m和3 090.00 m三個高程處布置三級馬道。

        (3)對開關(guān)站邊坡進行系統(tǒng)噴錨支護,主要采取掛網(wǎng)噴混凝土進行支護,并布置系統(tǒng)錨桿。

        (4)于高程3 000.00~3 030.00 m之間邊坡布置兩排2 000 kN,L為30 m錨索,水平間距8 m;其余部位邊坡間隔布置1 500 kN、L=25 m及2 000 kN、L=30 m錨索,其中上游側(cè)邊坡間排距為6 m、下游側(cè)邊坡間排距為5 m。

        (5)對邊坡局部不穩(wěn)定塊體采用隨機錨索進行支護,支護錨索為1 000 kN、L為20 m或2 000 kN、40 m。

        (6)在距邊坡開口線靠山內(nèi)側(cè)設(shè)置0.5m×0.5 m的截水溝,在各級馬道設(shè)置0.3 m×0.3 m的截水溝;在坡面設(shè)置排水孔,排水孔直徑Φ50、L=5 m,間排距5 m;同時在開口線及各級馬道處設(shè)置一排排水孔,排水孔直徑Φ100、L為10 m,間距8 m。

        圖8 開關(guān)站正邊坡支護示意

        圖9 開關(guān)站側(cè)邊坡支護示意

        (7)在邊坡開口線靠山內(nèi)側(cè)設(shè)置一道5 m高的SNS柔性支護網(wǎng)。

        5 結(jié) 語

        葉巴灘水電站地面開關(guān)站邊坡規(guī)模大,地質(zhì)條件相對復(fù)雜,斷層裂隙的組合較多。本工程通過先對邊坡的滑動模式進行分析,篩選出可能形成的塊體及滑動模式,確定潛在不穩(wěn)定塊體組合,通過整體抗滑穩(wěn)定性與塊體穩(wěn)定性分析計算,同時結(jié)合工程現(xiàn)場實際地質(zhì)情況,并參考類似工程,對開關(guān)站邊坡提出了支護方案。

        邊坡工程是系統(tǒng)工程,施工前的計算分析通常是基于前期勘探揭示的地質(zhì)情況進行的,施工期應(yīng)根據(jù)實際揭示的地質(zhì)條件,對大型邊坡進行監(jiān)測、監(jiān)控設(shè)備布置,并結(jié)合監(jiān)測信息、施工組織方案等多方面的情況,對邊坡支護方案進行動態(tài)調(diào)整和完善。

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