瓦屋山水电站厂房边坡变形监测及稳定性分析

王一飞,陈 新,余 振

(四川大学水电学院,成都,610065)

1 工程概况

瓦屋山水电站是四川省周公河干流梯级开发中的一座承担调峰的混合式开发的中型水电站,具有多年调节性能,水库总容量 5.843亿 m3。该电站设计水头 230m,为 2台混流式机组,装机容量 2×130MW,机组额定流量 117.86m3/s,设计多年平均发电量为 6.99亿 kW·h。其中,枯期(12～4月)发电量 3.58亿 kW·h,占年电量的51.2%。

水电站厂房位于周公河左岸斜坡,主厂房设计尺寸为长 63.52m、宽 33.82m、高 45.59m,建基高程 781.30m。该段地形较为平缓开阔,地面高程 820m～840m以上为 J3p②层粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩、砂岩及泥灰岩,以下为 J3p①层泥质粉砂岩夹粉砂质泥岩及泥灰岩薄层,岩体强、弱风化带厚度分别为 3m～10m与 10m～15m,岩层产状N25°E/SE∠10°。钻孔及挖 PD14平硐揭示,在高程 815m处分布一层泥化夹层,厚 0.001m～0.005m;岩体中主要发育有 N30°～59°E/SE或NW∠42°～ 75°及 N60°～ 89°W/SW∠79°～ 83°两组构造裂隙,裂隙间距 1m～2.5m,延伸长度一般2m～3m,最长 7m。在高程 798m以下层面裂隙较为发育,裂面平直,见有石膏膜充填。钻孔压水试验表明,高程 815m～820m以上岩体 q=5.0Lu～121Lu,属微至较严重透水;以下 q=0.7Lu～3.7Lu,属中等至微透水层。

图 1 瓦屋山厂址边坡测斜孔布置

为了监测边坡的变形情况,确保枢纽建筑物在施工期和运行期的安全,根据某水电站厂区的地形、地质情况,结合地质钻孔分布,设计布置了4个深部位移监测孔(编号分别为 IN-P1～INP4),分别位于厂房的左侧和后边坡。在监测中,以边坡坡外方向为监测主方向(即 A向),顺河向为监测次方向(即 B向)。本文选取厂房左岸边坡进行分析说明。

2 边坡稳定计算综合分析

2.1 监测成果整理及分析

瓦屋山水电站厂房左侧边坡为侧向滑动边坡,边坡测斜孔(IN-P3孔)施工钻孔及埋设工作开始于 2006年10月11日,一个月后投入观测。分析选取的监测时间段为 2006年11月～2008年4月,此时间段边坡处于开挖支护后的蠕变期。通过统计分析,得到以下变形规律:

2.1.1 边坡的空间变形规律

边坡的变形总体上是向坡外变形。

从沿孔深累加位移曲线(图 3)得到,沿孔深不同高程处均发生位移,位移呈底部较小中上部较大的规律。由图 3可知,位移在孔深 30m和16.5m附近发生突变。结合地质情况分析可知,在对应高程 792.40m与 817.05m处分别有两条粉砂质泥岩夹层,变形发生在此软弱结构面附近,其对应最大变形值为 1.54mm和 3.07mm。

2.1.2 边坡的时间变形规律

孔口位移 -时间曲线(图 2)显示,该测斜孔的孔口位移值变形较小,最大孔口位移值为3.85mm。其中,在 07年8月中旬,受降雨影响,测值相比上月孔口位置值增大 1.24mm;08年1月受降雪影响,孔口位移值增大了 1.22mm;其后变形呈收敛趋势,表明边坡处于稳定状态。

综合分析监测成果,可以判定目前该孔附近边坡属于表层变形,在开挖后及时支护措施跟进下,边坡未发生深部变形,并且浅表层变形处于收敛中,边坡处于稳定状态。

图 2 IN-P3测斜孔“孔口位移 -时间曲线”

图 3 IN-P3测斜孔主滑动方向沿孔深累加位移典型线

2.2 极限平衡法分析边坡稳定

2.2.1 极限平衡法计算原理

极限平衡法计算简图如图 4所示,根据极限平衡原理,通用的安全系数计算公式为:

式中,k为安全系数;R为平行于结构面方向的抗滑力,根据 Mohr-Coulomb原理得出:

式中,L为结构面长度;c为结构面凝聚力;φ为结构面摩擦角;N为潜在结构面上的正压力;T为潜在结构面处的切向力。若只考虑重力和水压力作用,则 N和 T分别由下式确定:

式中,N1为重力在结构面上的法向分力,N1=Wcosα;T1为重力在结构面上的切向分力,T1=Wsinα;W为滑块重力,W=∑Aiγi;Ai为第i岩层总面积;γi为第 i岩层密度;α为结构面倾角;Np为外荷载在结构面上的法向分力,Np=-pxsinα+Pycosα;Tp为外荷载在结构面上的切向分力,Tp=Pxcosα+Pysinα;Px为水平方向外荷载;Py为竖直方向外荷载。

图 4 极限平衡法计算简图

若考虑地震力作用下得出:

式中,Ne为地震力在结构面上的法向分力,Ne=Esinα;Te为地震力在结构面上的切向分力,Te=Ecosα;E为水平地震作用力:

其中,Kh为水平地震系数;C为地震作用综合系数;γE为抗震重要性系数。

2.2.2 计算参数及设计标准的确定

瓦屋山水电站装机 24万 kW,根据《水利水电枢纽工程等级划分设计标准》规定,工程等级为Ⅲ级,且厂房离河床较远,因此,计算中的厂房属于 4级建筑物。

极限平衡法计算边坡稳定所需参数包括:容重 γ、凝聚力 c、内摩擦角 φ,计算参数的取值见表1。

表 1 瓦屋山水电站厂房左岸边坡岩体参数

2.2.3 计算荷载组合

滑坡变形的主要动力是滑体自重,同时有其他因素产生的附加力,如地表荷载、水作用力、地震力等。本工程边坡由于不属库区边坡,因此基本组合中不考虑岸坡外水压力作用。本地区地震设计烈度为Ⅶ度,按照《水工建筑物抗震设计规范》DL5073-2000应计入水平向地震作用。水平向设计地震加速度代表值 ah=0.1g,地震作用的效应折减系数 ξ=0.25。

故水平地震系数为:

抗震重要性系数取 1.10。

本文按下列两种设计工况进行边坡稳定验算,即:①永久设计工况:主要为边坡正常运用工况,此时应采用基本组合;②偶然设计工况:主要为遭遇地震、水库紧急放空等情况,此时应采用偶然组合。

2.2.4 计算分析

本文考虑了边坡在两种工况下的整体稳定计算,结果如表 2所示。

表 2 厂房左侧边坡稳定计算安全系数

3 结论

由《水利水电工程边坡设计规范》(DL/T5353-2006)可知,瓦屋山厂房左侧边坡属Ⅲ级边坡,计算安全系数取值为:永久设计工况,≥1.15～1.05;偶然设计状况,≥1.00。计算结果表明,该边坡的安全系数已达到规范的要求,综合监测成果分析,可以判断出该边坡为稳定边坡,可不采取锚索支护,仅布置系统锚杆及喷混凝土支护。该结论与实际边坡支护情况相符合。

〔1〕二滩水电开发有限责任公司.岩土工程安全监测手册[K].北京:中国水利水电出版社,1999.

〔2〕李 迪,杨智生,朱红五.隔河岩电站厂房高边坡监测变形稳定性分析[J].长江科学院院报,1994,11(3):64～71.

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