跑马坪电站厂区边坡加固处理研究

赵 玮,毛拥政

(陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安710001)

1 工程概况

跑马坪电站位于四川凉山州木里县境内雅砻江一级支流鸭嘴河下游,厂房位于雅砻江锦屏一级电站水库库区。电站为Ⅲ等中型工程,主要任务为发电,主要由前池、压力管道及厂房等组成,主要建筑物为3级,地震设防烈度为Ⅶ度,地震动峰值加速度为0.152g,电站厂房区边坡的稳定性直接影响3级建筑物主厂房的安全,根据规范该边坡属于Ⅱ级A类边坡[1]。

2 边坡研究的意义

跑马坪电站厂区边坡最大高度112 m,边坡岩体的完整性较好,岩性为石英岩,强度较高,但边坡的岩层产状倾角39°,为顺向坡[2],开挖后被切断的层面在坡面出露,具有顺层滑动的地质条件,不利于边坡的稳定;同时边坡上分布有4组裂隙,易于形成不稳定块体,可能产生崩塌、掉块现象。因此,对电站后背开挖边坡应计算其可能滑动面的稳定性。电站厂房的前沿边坡岩层倾角与坡向一致,自然坡度约35°,为顺向坡,电站建成后,厂房前沿边坡受雅砻江锦屏一级水库水位反复升降的影响,可能造成失稳,危及厂房基础的安全。

3 边坡工程地质

3.1 边坡地形、地质条件

跑马坪电站位于雅砻江右岸斜坡,山体雄厚,边坡自然坡角35°～50°,顶部断续陡崖分布,高差大于 40 m,地表植被稀少,为强烈下切典型的高山峡谷地貌。

工程区断层不太发育,规模较大的断层为F12,产状335°/SW∠61°,断带物质为褐色糜棱岩,夹有石英脉,厚度约1 cm。裂隙边坡主要发育4组裂隙。

电站厂房后背坡高约80 m,自然坡角36°～40°,边坡形态完整,岩性为石英岩,浅灰白～灰色,坚硬,呈块状～中厚层状,强～弱风化,岩层倾角39°,为顺向坡,无不利边坡稳定结构面。厂房边坡现状整体稳定,局部裂隙切割会形成不稳定块体,可能产生崩塌、掉块现象,开挖后被切断的层面在坡面出露,具有顺层滑动的地质条件。

厂房前沿边坡为自然边坡,岩体完整,岩层倾角与坡向一致,为顺向坡,其中高程1 843 m以上为碎石土边坡,高32 m,在锦屏一级水电站水库蓄水后,水库最高洪水位1 881 m,正常蓄水位1 880m,死水位1 800 m。边坡1 880m高程以下部分下伏二云片岩,在库水长期浸泡下易软化,或在库水位变幅80 m范围内易产生较高孔隙水压力变化,沿二云片岩局部产生滑动破坏,使边坡失稳。

3.2 坡体与潜在滑动面的力学参数

岩体力学参数的确定是建立有限元数值分析的力学模型的重要内容,也是决定计算结果是否符合工程实际的关键因素,合理确定边坡潜在滑面的力学参数是进行边坡稳定分析的基础[3]。根据工程地质勘察提供的结构面参数c′=0.1 MPa、f′=0.55,边坡的初始安全系数为1.01,基本处于边坡的临界状态,根据现场实地调查,厂区边坡目前处于稳定,考虑到边坡在降雨等许多不利因素的影响下都未发生滑动,说明边坡的安全储备较高,研究以此作为依据,对岩层结构面参数进行反演分析[4],给出岩层结构面力学参数的下限为c′=0.15MPa、f′=0.55,具体见表 1。

表1 岩层结构面力学参数

4 边坡稳定性研究与支护措施

4.1 边坡潜在滑动面的确定

在跑马坪电站厂区边坡取典型研究剖面1-1,边坡岩性主要为石英岩,岩层产状为19°/SE∠39°为顺向坡,开挖被切断的岩层层面出露,边坡具备顺层滑动的地质条件。因此,厂房后背边坡滑体的底滑面确定为弱风化层下限与岩层层面(19°/SE ∠39°)的交界面,滑体的后缘面由 F12断层(245°∠61°)构成;边坡在开挖完成后,在厂房自重荷载作用,可能将其后的裂隙(340°∠60°)拉开,沿岩层层面产生滑动,在开挖坡脚处剪出,需要计算其稳定性;边坡前缘位于锦屏一级水电站库区内,在库水的长期浸泡以及库水位反复升降作用下,可能出现失稳并危及厂房基础的安全,选取的潜在滑体底滑面由弱风化层下限(即厂房前滑面1和滑面2)构成,需要通过计算分析其稳定性,见图1。

图1 跑马坪电站厂区边坡1-1剖面潜在滑动面示意图

4.2 边坡稳定计算分析

4.2.1 工况及荷载组合

影响本边坡稳定性的主要因素有∶岩体开挖卸荷、厂房自重、降雨、库水位骤降及地震。工况组合时主要考虑这些因素,具体内容如下∶

4.2.1.1 边坡施工期

工况I-1∶自坡顶开挖至高程1 910 m

荷载组合∶岩体初始地应力场+第一次开挖卸荷;

工况I-2∶开挖至高程1 874.35 m+第一步锚固

荷载组合∶岩体初始地应力场+第二次开挖卸荷+第一步预应力荷载;

工况I-3∶开挖完

荷载组合∶岩体初始地应力场+第三次开挖卸荷+第一步预应力荷载。

4.2.1.2 边坡运行期

工况Ⅱ-1∶施工完+预应力锚固+厂房自重

荷载组合∶岩体初始地应力场+第三次开挖卸荷+预应力锚固荷载+厂房自重;

工况Ⅱ-2∶施工完+预应力锚固+厂房自重+降雨荷载

荷载组合∶岩体初始地应力场+第三次开挖卸荷+预应力锚固荷载+厂房自重+降雨荷载;

工况Ⅱ-3∶施工完+预应力锚固+厂房自重+渗透荷载

荷载组合∶岩体初始地应力场+第三次开挖卸荷+预应力锚固荷载+厂房自重+渗透体积力;

工况Ⅱ-4∶施工完+预应力锚固+厂房自重+地震力

荷载组合∶岩体初始地应力场+第三次开挖卸荷+预应力锚固荷载+厂房自重+地震荷载。

4.2.2 计算方法和结果

计算方法采用二维平面有限元仿真计算方法[5],计算模拟边坡的实际开挖方式,对边坡在施工过程中和完建后的稳定性进行有限元分析研究,并对边坡支护措施进行模拟计算分析。

4.2.2.1 开挖未处理情况

计算以边坡剖面1-1为研究对象,研究了边坡在开挖后未进行支护加固情况下的稳定性,根据计算结果,计算研究了锚索加固方案情况。

在未支护处理情况下边坡的计算稳定安全系数见表2。

在边坡开挖后未处理情况下,边坡顺坡层面是开挖边坡主要控制性结构面,从表2可以看出,开挖边坡的整体安全系数在1.04以上,边坡安全富余度低,小于Ⅱ级A类边坡短暂状况安全系数1.15～1.05中的下限值,若边坡未及时进行支护,仍存在开挖边坡局部失稳的可能。在降雨工况下,边坡整体安全系数为0.84＜1.05;在地震工况下,边坡整体安全系数为0.87＜1.05,可见厂房后背边坡在施工期和运行期都不能满足规范的要求[3],所以需要对其进行预应力锚索加固。在水位骤降时,坡体中的地下水位回落滞后,形成渗透压力,这时库水对岸坡的挤压力消失,抗滑力减少,下滑力增加,从而可能显著降低边坡的安全稳定性,对边坡的安全稳定性不利。由表2看出,水位骤降作用下基座滑面的安全系数为1.10＞1.05,能够满足要求,厂房前缘边坡在库水位骤降时的整体安全系数为1.65,满足边坡在短暂工况下稳定性要求,无需对其进行加固处理。

表2 边坡(1-1剖面)滑体未加固处理情况下稳定计算安全系数

4.2.2.2 锚索加固处理情况

锚索加固处理情况边坡锚索布置如下∶增加边坡的稳定性工程措施很多,而其中最经济合理和有效的措施为预应力加固[6],因此,本工程在高程1 940 m～1 950 m布置 2排100 t、间距9 m、长度35 m的预应力锚索;在高程1 925 m～1 940 m布置2排100 t、间距9 m、长度35 m的预应力锚索;锚索设计锚固角均为 φ=15°[7],见图2。锚索加固处理情况下边坡的计算稳定安全系数见表3。

表3 边坡(1-1剖面)锚索加固情况下稳定计算安全系数

图2 加固处理锚索布置图

采用本方案加固边坡后,厂房后边坡施工期整体安全系数为1.28＞1.05,能够满足该工况的稳定性要求;在降雨工况下,岩体的抗剪强度降低,滑面上的有效应力降低,由表3看出,边坡安全系数为1.15＞1.05,能够满足该工况的稳定性要求;在库水位骤降时,厂房基座滑面的安全系数为1.11＞1.05,满足边坡短暂工况下稳定性要求,厂房前缘边坡在库水位骤降时安全系数为1.64,在运行期遇降雨时安全系数为1.76,地震工况下的安全系数为1.81,均满足规范规定的边坡稳定性要求。

5 结 论

在无锚索加固情况下,厂房后边坡不能满足地震、降雨等工况下的安全性要求,所以需要对其进行加固;厂房基座滑面和厂房前缘滑面在无支护情况下能满足边坡在各种工况下的稳定要求,无需对其进行加固。厂房后边坡在用预应力锚索对边坡加固之后,在各种情况下计算的最小安全系数均满足规范要求,假定潜在滑体满足稳定要求,厂房边坡整体是稳定的。

本工程边坡施工已经完成,经过近一年的监测分析,边坡整体稳定,也验证了本边坡加固方案的可靠性合理性。本边坡属高山区典型岩质高边坡,其计算分析和研究方法,以及加固处理方案均可为以后类似工程提供一定的参考。

[1] DL/T 5353-2006.水利水电工程边坡设计规范[S].北京:中国电力出版社,2006.

[2] 柴波,殷坤龙.顺向坡岩层倾向与坡向夹角对斜坡稳定性的影响[J].岩石力学与工程学报,2009,28(3):628-634.

[3] 谭力良.浅议边坡岩体力学参数的确定方法[J].民营科技,2010,(1):6.

[4] 崔政权,李宁.边坡工程——理论与实践最新发展[M].北京:中国水利水电出版社,1999:185-199.

[5] 师刚,苏立海,马云峰,等.岩质边坡评价方法对比研究[J].水利与建筑工程学报,2009,7(1):109-111.

[6] 赵长海.预应力锚固技术[M].北京:中国水利水电出版社,2001:90-147.

[7] DL5176-2003.水电工程预应力锚索设计规范[S].北京:中国电力出版社,2006.