劉 蕊，喻 冉，余 健，錢玉英，何 敏

（1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京市 100024；2.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350）

0 引言

河北豐寧抽水蓄能電站地處河北省承德市豐寧滿族自治縣境內(nèi)，電站安裝12臺單機容量為300WM的混流可逆式水輪發(fā)電機，總裝機容量為3600MW，分兩期開發(fā)建設。電站由上水庫、一、二期輸水系統(tǒng)、一、二期地下廠房、地面開關站及下水庫等建筑物組成。上、下水庫進/出水口之間的水平距離為3010m，額定水頭425m，距高比為7.1。隨著現(xiàn)場施工進展，豐寧抽水蓄能電站實際開挖揭露的一、二期工程下水庫進/出水口尾水檢修閘門井平臺以下邊坡的地質(zhì)條件發(fā)生了較大變化，一、二期工程下水庫進/出水口右側(cè)邊坡受沖溝影響，出現(xiàn)了高達15m的土坡；左側(cè)邊坡出現(xiàn)NW和NE兩組裂隙，走向與邊坡夾角較小，邊坡產(chǎn)生局部不穩(wěn)定塊體滑動破壞[1]。為確保豐寧抽水蓄能電站高邊坡施工期及運行期的本質(zhì)安全，設計針對實際開挖揭示的地質(zhì)條件，及時調(diào)整支護參數(shù)，采取了針對性的邊坡加強支護措施。本文以豐寧抽水蓄能電站二期進/出水口高邊坡為例，利用Geostudio和理正巖土軟件作為主要計算工具，針對下水庫二期進/出水口邊坡，分析加強支護后的邊坡穩(wěn)定性。

1 工程地質(zhì)條件

下水庫進/出水口布置于灤河左岸，距離下水庫大壩約2.4km，地形上為“兩溝夾一梁”。下水庫進/出水口洞臉開挖邊坡總體方位為近SN，基巖主要為強風化、弱風化、微風化中粗?；◢弾r，巖體主要為次塊狀結(jié)構(gòu)。巖體中主要發(fā)育有NE和NW兩組裂隙，均為共軛剪切節(jié)理，①NE10°～60°SE（NW）∠ 30°～ 80°，走向以 NE30°～ 50°居多，中、陡傾角 ；② NW280°～ 310°NE（SW）∠ 40°～ 70°，走向以NW300°～310°居多，中、陡傾角[2]。巖石物理力學參數(shù)建議指標見表1。

表1 下水庫進/出水口邊坡巖石物理力學指標建議值Table 1 Suggested values of rock physical and mechanical indexes for the inlet/outlet slope of the lower reservoir

2 初期支護設計參數(shù)

下水庫進/出水口邊坡的支護設計遵循“支護與圍巖共同作用維持邊坡穩(wěn)定，圍巖是承載的主體，支護是加固和穩(wěn)定圍巖的手段。允許圍巖有適度變形，通過支護調(diào)節(jié)，控制圍巖不出現(xiàn)有害松動，以最大限度地發(fā)揮圍巖自承能力，使工程安全、經(jīng)濟和施工方便”的原則，并按照“設計→施工→監(jiān)測→反饋→調(diào)整支護參數(shù)”的程序，進行了信息化支護設計的嘗試[3]。通過工程類比和計算分析，確定本工程的初期支護方式及局部邊坡的加強支護措施。

根據(jù)下水庫進/出水口布置及地質(zhì)條件，進/出水口邊坡開挖設計原則為：洞臉1047m高程以下按垂直開挖，1047m高程以上按1:0.5坡比開挖，每20m設一級馬道，馬道寬2m，其中1069m高程為尾水檢修閘門井平臺，平臺寬28m，為永久邊坡，最大邊坡高約133m。參照《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規(guī)范》《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》推薦的相應支護參數(shù)，初步選定了本工程的邊坡支護原則為：系統(tǒng)支護為錨噴支護，噴混凝土C20，厚10cm，安裝φ8@20×20cm鋼筋網(wǎng)，系統(tǒng)錨桿梅花形布置，短錨桿φ22，L=3m，長錨桿φ25，L=4.5m，間排距@1.5m×1.5m。

對初步選定的支護參數(shù)，分別進行了極限平衡法和三維有限元的驗算。極限平衡法計算出邊坡支護的安全系數(shù)大于2，滿足《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》對邊坡設計安全系數(shù)的要求。利用三維有限元方法，對采取上述支護參數(shù)的邊坡穩(wěn)定和施工力學參數(shù)問題進行了計算分析，擬定邊坡分期自上而下開挖[4]。在分期開挖、支護情況下邊坡圍巖應力、位移變化值見表2。

表2 分期開挖、支護下二期工程下水庫進/出水口邊坡最大主應力、位移Table 2 The maximum principal stress and displacement of the inlet/outlet slope of the lower reservoir under the second stage of excavation and support by stages

計算結(jié)果表明，初期支護措施均較好地發(fā)揮了作用，邊坡變形規(guī)律正常，下水庫二期進/出水口邊坡錨噴支護方案總體上是合理的。

3 支護設計參數(shù)的動態(tài)調(diào)整

隨著現(xiàn)場施工進展，實際開挖揭露的二期工程下水庫進/出水口尾水檢修平臺以下邊坡的地質(zhì)條件發(fā)生了較大變化，二期工程下水庫進/出水口右側(cè)邊坡受沖溝影響，出現(xiàn)了高達15m的土坡；左側(cè)邊坡出現(xiàn)NW和NE兩組裂隙，走向與邊坡夾角較小，邊坡沿層面裂隙極易形成單面滑動失穩(wěn)，或與斷層等結(jié)構(gòu)面構(gòu)成組合滑動體，邊坡產(chǎn)生局部不穩(wěn)定塊體滑動破壞。針對以上地質(zhì)條件，采取了針對性的邊坡加強支護措施，邊坡加強支護的設計原則為：基巖坡主要應解決順坡結(jié)構(gòu)面的局部失穩(wěn)，土坡主要解決沿基巖面與土坡面的滑動[5]。

（1）土質(zhì)邊坡加強支護措施。二期工程下水庫進/出水口右側(cè)邊坡靠沖溝部位開挖揭示后為土質(zhì)邊坡，目前采取的加強支護措施為：土坡上游側(cè)巖質(zhì)邊坡采用貼坡支護；土坡范圍采用厚板混凝土+網(wǎng)格梁支護；土坡下游側(cè)巖質(zhì)邊坡采用貼坡護坡。

（2）強風化邊坡加強支護措施。二期工程下水庫進/出水口左側(cè)邊坡在清坡過程中，揭示出NW295°NE∠60°和NE30°NW∠70°兩組優(yōu)勢節(jié)理面，表層具有一定厚度的強風化帶，目前邊坡基本由強風化與弱風化巖體組成，邊坡開挖支護施工過程中曾發(fā)生塌方[6]。目前采用的加強支護措施為：直立邊坡以上邊坡增加錨筋樁并采用貼坡護坡；直立邊坡采用厚板加強支護，內(nèi)設暗梁，節(jié)點采用預應力錨索。

4 邊坡穩(wěn)定性復核計算

4.1 右側(cè)土質(zhì)邊坡

該處邊坡初始設計為土質(zhì)邊坡，由于開挖支護施工過程中發(fā)生塌方和坡體開裂現(xiàn)象重新調(diào)整了開挖線，并采取加強支護措施。目前邊坡基本由弱風化巖體組成，局部位置存在一定高度的土體，邊坡高度46m左右，主要支護措施包括自進式錨桿、錨筋樁和預應力錨索等。該邊坡主要剖面的地質(zhì)情況和加強支護措施如圖1和圖2所示。

圖1 下水庫進/出水口右側(cè)土質(zhì)邊坡A1-A1剖面Figure 1 Section A1-A1 of the soil slope on the right side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

圖2 下水庫進/出水口右側(cè)土質(zhì)邊坡B1-B1剖面Figure 2 Section B1-B1 of the soil slope on the right side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

邊坡巖土體的計算參數(shù)按飽水情況下取值：土層容重19kN/m3，內(nèi)摩擦角25°，黏聚力5kPa；弱風化層容重26.2kN/m3，內(nèi)摩擦角43°，黏聚力1000kPa。邊坡采用主要加強支護措施為在1055m高程以上位置采用貼坡混凝土（部分區(qū)域采用網(wǎng)格梁+錨桿+預應力錨索），1055m高程以下采用厚板，暗梁節(jié)點處施工預應力錨索（1000kN，20m和37m兩種）和錨筋樁（3根直徑25mm，12m）搭配。邊坡支護措施的間距、長度和傾角均嚴格按圖紙執(zhí)行，其計算參數(shù)為：錨桿直徑25mm自進式，作用可變，荷載范圍0～100kN；錨筋樁3根直徑25mm鋼筋，作用可變，荷載范圍0～350kN；預應力錨索1000kN級別，作用恒定，荷載值1000kN。

（1）不考慮水位驟降工況下的穩(wěn)定性計算。補強支護后該邊坡的整體穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖3所示（由于該邊坡位置無順傾節(jié)理裂隙面不利作用，因此失穩(wěn)模式設定為內(nèi)部圓弧滑動失穩(wěn)）。根據(jù)計算結(jié)果，邊坡采用目前的加強支護方式處理后，邊坡各剖面的整體安全系數(shù)均較高，具備足夠的安全儲備，無須進行額外的加固措施。

圖3 下水庫進/出水口右側(cè)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果（不考慮水位驟降）Figure 3 The stability calculation result of the soil slope on the right side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（without consider the sudden drop in water level）

（2）考慮水位驟降工況下的穩(wěn)定性計算。考慮水位由1061.00m驟降至1042.00m的不利情況，對2個代表性剖面計算結(jié)果如圖4所示。根據(jù)計算結(jié)果，邊坡加強支護后，水位驟降情況下邊坡各剖面的安全系數(shù)降低1.1～1.2，但是安全儲備依然足夠，無須 采取額外的補強支護措施。

圖4 下水庫進/出水口右側(cè)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果（考慮水位驟降）Figure 4 The stability calculation result of the soil slope on the right side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（consider the sudden drop in water level）

4.2 左側(cè)土質(zhì)邊坡

該處邊坡為土質(zhì)邊坡，邊坡由外向內(nèi)由土層、強風化巖層和弱風化巖層三種材料組成，土層厚度約6～8m，采用的主要支護措施為系統(tǒng)錨噴支護。該邊坡主要剖面的地質(zhì)情況和加強支護措施如圖5和圖6所示。

圖5 下水庫進/出水口左側(cè)土質(zhì)邊坡A2-A2剖面Figure 5 Section A2-A2 of the soil slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

圖6 下水庫進/出水口左側(cè)土質(zhì)邊坡B2-B2剖面Figure 6 Section B2-B2 of the soil slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

邊坡巖土體的計算參數(shù)按飽水情況下取值：土層容重19kN/m3，內(nèi)摩擦角25°，黏聚力5kPa；強風化層容重21.5kN/m3，內(nèi)摩擦角24°，黏聚力400kPa；弱風化層容重26.2kN/m3，內(nèi)摩擦角43°，黏聚力1000kPa。為保障工程安全，內(nèi)比附近的邊坡支護工程措施，增加布置間排距3m的混凝土網(wǎng)格梁，并在網(wǎng)格梁節(jié)點處設置由3根直徑25mm鋼筋構(gòu)成的錨筋樁，長度12m，錨筋樁的計算參數(shù)為3根直徑25mm鋼筋，作用可變，荷載范圍0～350kN。

（1）不考慮水位驟降工況下的穩(wěn)定性計算。加強支護之后該邊坡的整體穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖7所示。通過計算結(jié)果可以看出，當在已施工的系統(tǒng)錨噴工程基礎上（錨桿長度按6.5m考慮），增加布置間排距3m的12m錨筋樁后，邊坡代表性剖面在不考慮水位驟降條件下的穩(wěn)定性計算結(jié)果均較高，具有很好的安全儲備。

圖7 下水庫進/出水口左側(cè)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果（不考慮水位驟降）Figure 7 The stability calculation result of the soil slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（without consider the sudden drop in water level）

（2）考慮水位驟降工況下的穩(wěn)定性計算?？紤]水位由1061.00m驟降至1042.00m的不利情況，對2個代表性剖面，按照系統(tǒng)錨桿長度6.5m并增設錨筋樁加強支護的工程措施，穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖8所示。通過計算結(jié)果可以看出，當在已施工的系統(tǒng)錨噴工程基礎上（錨桿長度按6.5m考慮），增加布置間排距3m的12m錨筋樁后，邊坡代表性剖面在考慮水位驟降條件下的穩(wěn)定性計算結(jié)果仍然較高，邊坡整體有足夠的安全儲備。

圖8 下水庫進/出水口左側(cè)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果（考慮水位驟降）Figure 8 The stability calculation result of the soil slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（consider the sudden drop in water level）

4.3 B2-B2剖面開挖線上方考慮水位驟降情況下的穩(wěn)定性

下水庫進/出水口左側(cè)土質(zhì)邊坡B2-B2剖面開挖坡頂高程為1052.74m，其上方為自然邊坡，在設計時對該位置未進行任何支護處理。由于處于水位升降帶范圍內(nèi)，對于該自然邊坡需進行穩(wěn)定性分析以保證安全。通過設定滑動面搜索范圍和半徑，對B2-B2剖面開挖坡頂上方的自然邊坡進行穩(wěn)定性計算，如圖9（a）所示，其在水位驟降情況下安全系數(shù)為0.988，處于極限平衡狀態(tài)。為保證工程安全，建議對B2-B2剖面開挖坡頂上方的自然邊坡，按原設計的系統(tǒng)錨噴支護工程的間排距向上增設2排錨桿，其在水位驟降工況下的計算模型和穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖9（b）所示，其穩(wěn)定性計算結(jié)果為1.334，基本滿足安全儲備要求，可以保障工程安全。

圖9 下水庫進/出水口左側(cè)土質(zhì)邊坡B2-B2剖面上方自然邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果Figure 9 The stability analysis result of the natural slope above the B2-B2 section of the soil slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

4.4 左側(cè)強風化層邊坡

該處邊坡根據(jù)地層揭露情況為巖質(zhì)邊坡，表層具有一定厚度的強風化帶，開挖支護施工過程中B3-B3曾經(jīng)發(fā)生塌方，因此重新調(diào)整了開挖線并采取加強支護措施，目前邊坡基本由強風化與弱風化巖體組成，邊坡高度44m左右，主要支護措施包括自進式錨桿、錨筋樁和預應力錨索等。該邊坡主要剖面的地質(zhì)情況和加強支護措施如圖10和圖11所示。

圖10 下水庫進/出水口左側(cè)強風化層邊坡A3-A3Figure 10 Strongly weathered slope A3-A3 on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

圖11 下水庫進/出水口左側(cè)強風化層邊坡B3-B3Figure 11 Strongly weathered slope B3-B3 on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir

邊坡巖土體的計算參數(shù)按飽水情況下取值：強風化層容重21.5kN/m3，內(nèi)摩擦角24°，黏聚力400kPa；弱風化層容重26.2kN/m3，內(nèi)摩擦角43°，黏聚力1000kPa，裂隙面內(nèi)摩擦角21.8°，黏聚力10kPa。邊坡采用的主要支護措施為錨筋樁（3根直徑25mm，12m）和長錨桿（直徑32mm，9m）交替梅花形布置，對于曾經(jīng)發(fā)生過垮塌的部位設置預應力錨索加強支護。邊坡支護措施的間距、長度和傾角均嚴格按圖紙執(zhí)行，其計算參數(shù)為：錨桿直徑32mm自進式，作用可變，荷載范圍0～120kN；錨筋樁3根直徑25mm鋼筋，作用可變，荷載范圍0～350kN；預應力錨索1000kN級別，作用恒定，荷載值1000kN。

（1）不考慮水位驟降工況下的穩(wěn)定性計算。根據(jù)對該位置的補強支護情況，針對該位置邊坡兩處代表性剖面穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖12所示（圖中一般考慮1049.00m平臺沿裂隙面傾角向下剪出、1069.00m平臺與1024m坡腳之間沿裂隙面傾角剪出兩種情況，如果兩條裂隙距離較大，額外考慮在預設裂隙中間剪出的情況）。根據(jù)計算結(jié)果，邊坡采用目前的加強支護方式處理后，邊坡整體安全系數(shù)均具備足夠的安全儲備，無須進行額外的加固措施。

圖12 下水庫進/出水口左側(cè)強風化層邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果（不考慮水位驟降）Figure 12 The stability calculation results of the strong weathered layer slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（without consider the sudden drop in water level）

（2）考慮水位驟降工況下的穩(wěn)定性計算?？紤]水位由1061.00m驟降至1042.00m的不利情況，對兩個代表性剖面穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖13所示。根據(jù)計算結(jié)果，邊坡加強支護后，水位驟降情況下邊坡沿巖層裂隙節(jié)理面滑動的最不利方式均與不考慮水位驟降情況下一致，均為1069.00m平臺整體沿巖層節(jié)理面向下滑動，安全系數(shù)降低0.2～0.4，但是最小安全系數(shù)仍達1.5以上，安全儲備足夠。

圖13 下水庫進/出水口左側(cè)強風化層邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果（考慮水位驟降）Figure 13 The stability calculation results of the strong weathered layer slope on the left side of the inlet/outlet slope of the lower reservoir（consider the sudden drop in water level）

5 邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場揭露的地質(zhì)情況和邊坡支護措施，二期工程下水庫進/出水口邊坡布置了6個監(jiān)測剖面，布置了多點位移計、錨桿應力和錨索測力計等監(jiān)測設備。

（1）邊坡位移監(jiān)測。截止到目前觀測到的多點位移計最大累計變形值為86.71mm（M7-1-4，下水庫一期進/出水口右側(cè)邊坡1034m高程），本周觀測值較上周減少0.02mm。下水庫進/出水口其他多點位移計位移變化范圍為-0.36～1.31mm，變化量較小。

（2）錨桿應力監(jiān)測。根據(jù)錨桿應力計觀測成果顯示：本周觀測到的錨桿應力計最大應力值為178.30MPa（測點Rm2-5，高程1044m）較上周減少1.58MPa。下水庫進/出水口其他錨桿應力計應力值變化量范圍-8.63～19.82MPa，變化量較小。

（3）錨固力監(jiān)測。下水庫進/出水口邊坡其他部位測力計荷載值變化范圍為-8.27～14.77kN，荷載較為穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

（1）豐寧抽水蓄能電站下水庫進/出水口邊坡首先通過理論計算，在開挖前初步確定了邊坡的錨噴支護參數(shù)，在施工過程中，根據(jù)揭露的實際地質(zhì)條件、監(jiān)測資料、施工狀態(tài)及開挖跟蹤反分析和圍巖穩(wěn)定分析結(jié)果，對下水庫邊坡嘗試了信息化支護設計[7]。通過綜合分析，對邊坡部分區(qū)域的支護參數(shù)進行了調(diào)整，較好地符合了本工程地質(zhì)構(gòu)造的特點，各實測點的圍巖變形均小于參考控制標準，邊坡穩(wěn)定的各項指標正常，說明支護參數(shù)是科學合理的。

（2）豐寧抽水蓄能電站下水庫進/出水口邊坡在開挖過程中出現(xiàn)不同程度的塌方、掉塊等地質(zhì)缺陷，為確保高邊坡施工期及運行期的本質(zhì)安全，針對實際開挖揭示的地質(zhì)條件，及時調(diào)整支護參數(shù)，采取了針對性的邊坡加強支護措施，并利用Geostudio和理正巖土軟件對加強支護后的高邊坡穩(wěn)定性進行了計算分析，優(yōu)化和完善了合理的邊坡支護參數(shù)[8]，在確保施工安全的前提下有效降低了建設成本，使工程安全經(jīng)濟，其成果對工程應用及類似邊坡的防護措施有指導和借鑒意義。