坪头水电站柳洪沟下游侧变形土体稳定分析及加固设计

庞明亮，张 敬，田启文

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪头水电站为单一发电工程，无灌溉、防洪等综合利用要求，电站开发方式为闸坝引水式开发，主要建筑物由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽三大部分组成。首部枢纽位于柳洪沟下游650m附近，建筑物从右岸至左岸依次由右岸挡水坝、三孔泄洪闸、一孔冲砂闸及进水口等建筑物组成。闸顶高程915.00m，最大闸高38.50m，闸线总长约115.00m，各建筑物均为混凝土结构。进水口布置在河床左岸，其前缘线与拦河闸轴线呈120°夹角，由拦污栅、明渠渐变段和正方形引水隧洞段等建筑物组成。

柳洪沟下游侧变形土体位于闸址进水口上游约30.0～40.0m、1 043.00m高程以上，在地形上为一小冲沟，组成物质为古滑坡堆积的块碎石土，坡面天然坡度35°～45°。目前，变形土体已存在明显的拉裂缝，稳定性较差，在暴雨的条件下，有可能失稳。由于该土体位于进水口上方，高程相差约150.0m，如其失稳，失稳土体将直接冲击进水口，且下冲势能巨大，对进水口形成巨大的威胁，严重影响电站的安全运行。

2 变形土体地形地质条件

柳洪沟下游侧坡洪积变形土体在1 043.00m高程以下为基岩陡壁，以上为覆盖层斜坡。在1 043.00m高程以上发育有一凹槽，凹槽上游侧在1 043.00～1 100.00 m高程，地形坡度为25°～35°，1 100.00m高程以上，地形坡度为10°～15°；下游侧在1 043.00～1 130.00 m高程，地形坡度为30°～40°，1 130m高程以上，地形坡度为15°～20°；后侧(缘)在1 043.00～1 125.00m高程，地形坡度为35°～45°，1 125.00m高程以上，地形坡度为15°～20°。该凹槽陡坡段顺河长120～150m，横河宽110～160m。目前已变形坡洪积土体就处于凹槽内中心部位，其分布高程在1 043.00～1 103.00m，顺河长30～45m，横河宽90～100m。天然条件下受降雨冲刷，在凹槽内1 103.00m高程以下土体已出现浅表蠕滑变形现象，浅表部分土体沿凹槽沟心呈牵引式下滑至美姑河内。在凹槽后侧陡坡靠沟心1 102.00～1 103.00m高程可见多条拉裂缝，拉裂缝一般长3～5m、宽5～10cm，可见深度大于2m，裂缝两侧存在明显错台，高度一般在数厘米间。在后侧1 118.00～1 120.00m的高程可见个别拉裂缝，拉裂缝一般长1～2m、宽2～5cm，可见深度大于0.5m。虽在凹槽后侧1 118.00～1 120.00m高程可见个别拉裂缝，但在凹槽上、下游侧均未见有拉裂缝等变形迹象。

凹槽内除变形土体外，上部陡坡为古滑坡堆积的块碎石土，结构较紧密，其间夹较多的大块石、孤石，细粒土含量较高。在已变形坡洪积土体的后侧(即1 103.00m高程以上)布置了两个钻孔，勘探揭示处于凹槽顶部的覆盖层厚18～30m，其组成物为古滑坡块碎石土，结构较紧密，其间所夹的细粒土层厚2～4m，视倾坡外，倾角约4°，土体内未见地下水。岩层层面倾坡外偏上游。前缘变形土体以古滑坡堆积物为主，部分为经后期物理地质作用所形成的坡洪积堆积物，其在1 103.00m高程以下，厚度小于10m，结构较松散，后缘1 102.00～1 103.00m高程存在明显的拉裂缝及错台，变形土体总体上处于浅表，并发生于雨季，变形表现为前缘土体牵引式蠕滑，规模较小，局部土体沿凹槽沟心滑落至美姑河中。降雨后在沟心土体内有细股状地下水出渗，估算凹槽内1 102.00～1 103.00m高程拉裂缝以下，目前已蠕滑变形的土体约有3 000m3。

3 稳定性分析

3.1 设计标准

根据水工建筑物边坡等级划分标准，柳洪沟下游侧变形土体为Ⅱ级边坡，在采用极限平衡方法稳定分析时，其设计安全系数不低于表1规定的数值。

表1 边坡抗滑稳定安全系数控制标准

3.2 失稳模式和计算剖面

柳洪沟下游侧变形土体在地形上处于一凹槽内，坡面天然坡度35°～45°。在1 043.00m高程以下为基岩，凹槽顺河宽30.0～40.0m在1 043.00m高程以上为覆盖层，组成物质为古滑坡堆积的块碎石土，凹槽顺河宽逾100m。覆盖层厚5.0～30.0m，根据钻孔资料揭示，覆盖层为古滑坡体块碎砾石土，其中下部为砾石粉砂土，黄褐色粉砂土约占50%～70%，下覆基岩为奥陶系下统红石崖组灰绿色泥质粉砂、页岩。

柳洪沟下游侧变形土体地质平面见图1。根据变形土体地形、地质结构等基本特征，以及目前出现的蠕滑变形现象，柳洪沟下游侧变形土体失稳的主要模式为：变形土体沿基覆界线相对软弱土体滑移。对于横Ⅱ典型剖面(见图2)，后缘面位于高程1 103.00m，即变形土体地表出现变形位置，前缘剪出口位于高程1 060.00m，土体主要沿基覆界线相对软弱土体变形滑移。

3.3 稳定计算

3.3.1 计算方法和计算工况

平面刚体极限平衡分析采用spencer法，计算程序为中国水利水电科学研究院编制的边坡稳定分析程序STAB。

图1 变形土体地质平面

图2 变形土体典型剖面

计算分别考虑4种工况：

工况1：天然无水状态；

工况2：天然无水状态+地震(7度地震)；

工况3：暴雨状态下土体饱水，饱水高度为1/4土体高；

工况4：暴雨状态下土体饱水，饱水高度为1/2土体高。

3.3.2 计算参数

根据地勘成果，在进行稳定性计算时，柳洪沟下游侧变形土体岩土体物理力学强度参数取值见表2，各典型剖面计算结果见表3。

3.4 稳定分析主要结论

通过宏观稳定判断、稳定计算及敏感性分析，柳洪沟下游侧变形土体稳定分析主要结论是：

表2 变形土体岩土体物理力学强度参数

表3 变形土体抗滑稳定计算成果

(1)天然状态下、不考虑地下水的作用，柳洪沟下游侧变形土体横Ⅱ典型剖面整体变形滑移模式稳定安全系数为1.02，大于1.0但略小于安全系数控制标准1.15，表明柳洪沟下游侧变形土体在天然状态下，不考虑地下水的作用时欠稳定，处于临界稳定状态。

(2)当考虑地震作用时，柳洪沟下游侧变形土体整体变形滑移模式安全系数为0.99，变形土体欠稳定。

(3)在暴雨条件下，变形土体开始饱和，出现渗流，安全系数降低。当饱和土体高度为1/4土体高时，安全系数为0.91；当饱和土体高度为1/2土体高时，安全系数为0.80；随饱和土体高度增加，安全系数降低，土体不稳定性增加。

(4)由于柳洪沟下游侧变形土体地形较陡，在考虑暴雨条件下变形土体存在渗流作用时，变形土体安全系数有大幅度的降低，表明渗流作用是影响边坡稳定的最主要因素。在变形土体加固设计中，应首先考虑截、防、排工程措施以降低地下水渗流对变形土体稳定的影响。

4 加固方案

4.1 方案论证

根据稳定分析成果和工程经验，地下水对变形土体的稳定有较大的影响。为了降低地下水对变形土体的影响程度，尽量提高边坡稳定性，保证暴雨状态下土体饱水，饱水高度为1/4土体高度设计加固工况的合理性，加固方案首先考虑地表截、排水措施，截水措施主要为变形土体周边截水沟，排水措施主要为冲沟排水沟。在此基础上，为保证变形土体在设计工况下的稳定性，布置预应力土体锚索及混凝土框格梁加固变形土体。

4.2 方案布置

4.2.1 坡面截排水

根据DL/T5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》规定，地表排水按20年一遇降雨强度进行设计。

排水主沟布置在变形土体左侧天然冲沟部位，顺沟心纵向布置，主要作用是将冲沟范围内汇水尽快排走，防止冲沟汇水进入变形土体，减少进入变形土体地表汇水量。排水主沟采用梯形断面，底宽0.8m，深0.5m，材料采用M7.5浆砌石，表面2.0cm厚砂浆抹面。由于冲沟纵向坡度较大，排水主沟在纵向布置为台阶状。

截水沟布置在变形土体右侧天然浅沟部位，主要作用是防止变形土体右侧地表汇水进入变形土体，并在变形土体范围以外较高高程设置周边截水沟，以拦截变形土体上部坡面汇水，将汇水分别引向上、下游较远的部位。截水沟采用梯形断面，底宽0.5m，深0.5m，材料采用M7.5浆砌石，表面2cm厚砂浆抹面。

4.2.2 锚索+混凝土框格梁

采用锚索混凝土框格梁对变形土体进行护坡，护坡范围为高程1 067.50～1 095.50m，高28.0m，宽73.0m。预应力锚索采用750kN级拉力分散型无粘结锚索，布置在混凝土框格梁结点上，间、排距6.0m×6.0m，深15.0～18.0m，穿过变形土体，锚入岩体。混凝土框格梁采用C20钢筋混凝土结构，间、排距3.0m×3.0m，断面尺寸0.4m×0.6m。

4.3 方案加固后边坡稳定

方案加固后，计算典型剖面工况1、工况2及工况3的抗滑稳定性计算结果见表4。

表4 变形土体加固后抗滑稳定计算成果

5 结束语

柳洪沟下游侧变形土体目前已存在明显的拉裂缝，稳定性较差，在暴雨条件下，有可能失稳。如其失稳，失稳土体将直接冲击进水口，且下冲势能巨大，对进水口形成巨大的威胁，影响电站的安全运行。因此，应对柳洪沟下游侧变形土体进行适当的工程处理。经方案论证，柳洪沟下游侧变形土体加固方案首先考虑地表截、排水措施，在此基础上，采用锚索+混凝土框格梁加固变形土体。边坡稳定计算成果表明：采用前述方案加固后的变形土体稳定安全性有明显的改善，加固后的稳定安全系数满足规范的要求。