大中河水库顺层岩质边坡覆盖层开挖整治模拟分析

2015-11-24沈新建

水科学与工程技术 2015年5期

沈新建

（惠州市水电建筑工程有限公司，惠州516000）

1 前言

随着国内大量水库的修建，形成了不少库岸边坡，特别是顺层岩质边坡，其稳定性问题对水库的正常运行影响很大［1-3］。大中河水库位于云南省思茅市六顺乡境内，距思茅城50km，是一座以农业灌溉为主，兼顾发电、人畜饮水和防洪的中型水利工程。为进一步合理利用水资源，在保证下游河道生态、本流域农业灌溉和生活用水需求后，引水至信房水库，向思茅坝区调水，供给城镇生活和工业用水，解决普洱市城市规模快速发展对水资源的需求问题，支撑经济社会可持续发展。调水工程完工后，预计每年可从大中河水库调入思茅城区水量4730万m3，可满足预计的用水需求。大中河水库思茅坝区引水工程2013年5月8日开工建设，工程概算总投资5.6亿元，工程直接费用4.2亿元。

大中河水库引水工程涉及大量边坡开挖，库岸边坡基岩大部分裸露，且表层覆盖较厚的第四系残坡积层，加之岩层走向近乎与坡面线平行，属于顺层岩质边坡，导致开挖边坡的稳定性很差。因此，为保障引水工程建设的顺利开展，应对库岸边坡进行整治加固。

基于大中河水库地质勘测报告，建立水库典型边坡断面，采用有限元法［4-6］对边坡覆盖层的开挖和加固过程进行模拟分析，旨在对施工过程中边坡的各项指标变化进行监测，并优化加固参数。

2 工程概况

2.1 大中河水库引水工程

大中河水库多年平均来水量7180万m3，水库死水位1039m，正常蓄水位1075.53m；水库总库容5600万m3，兴利库容4327万m3，死库容210万m3。按2030水平年，P=95%供水保证率下大中河水库可向思茅坝区调水3150万m3，以满足思茅坝区需水要求。

工程总体布置，从大中河水库坝后零级电站压力钢管取水，一级泵站提水后绕大中河水库右岸向思茅坝区方向输水，一级泵站提水至1211.5m高程，随后自流经过大中河1#箱涵、大中河水库1#隧洞、大中河水库2#箱涵、大中河水库2#隧洞等14个建筑物，到达位于曼弯村西北侧900m山脊的二级泵站，经二级泵站提水至山顶水池，水位高程1391m，随后自流经过平掌梁子箱涵、丫口寨渡槽、大地山隧洞、曼歇倒虹吸等26个建筑物，于信房水库西侧副坝右岸进入信房水库，线路全长43.64km。

2.2 二级泵站工程地质条件

二级泵站位于曼湾村西北方向900m处，泵房处于山坡坡脚下，所处区域为构造侵蚀浅切割低中山沟谷斜坡地貌，下伏基岩为中侏罗统花开左组（J2h）砂泥岩，岩层微倾向山内，倾角30°～35°，地形坡度一般30°左右，岩层走向与坡面线近平行，属于典型的顺层岩质边坡。另外，边坡表面覆盖残坡积层（Qedl），分布于区内山坡表层，主要为褐红色砂质黏土、粉土，厚度1.5～3m，胶结差，浸水后易于崩解。厂房开挖边坡为顺向坡，表面覆盖层和强风化岩石抗剪强度低，开挖边坡稳定性较差，需及时采取加固处理措施。

3 边坡模型建立与计算参数选取

根据大中河水库地质勘测报告得到了引水工程二级泵站某典型边坡断面内部岩土体岩层走向及分布，边坡断面地层从上至下可划分为：表面覆盖层、强风化带、中风化带和弱风化带，另外，选取断面内含泥质砂岩藏于中风化带内部。

基于相关勘测结果及地质资料，建立了边坡有限元模型，边坡模型高40m，长80m，坡角30°，如图1。

图1 某开挖边坡断面有限元模型及岩层分布

选取不同风化带土样进行相关土工试验，得到了数值计算所需的力学参数，如表1。

表1 边坡岩体有限元计算力学参数

4 计算结果及分析

4.1 边坡位移场

大中河水库库岸边坡覆盖层开挖后边坡发生的水平位移场，如图2。其中图2（a）为开挖不支护，图2（b）为开挖并支护，规定位移向左为正，向右为负。

图2 边坡坡积层开挖后水平位移

由图2（a）可知，当覆盖层开挖后不采取支护时，位于强风化带的岩体出露，在开挖卸荷作用的影响下，岩体应力得到释放，以前受压的岩体变为受拉，所以边坡表面发生面向临空方向的水平位移，且主要集中在边坡中上部位，最大水平位移4.75mm，而边坡坡脚位置发生位移较小；当边坡覆盖层开挖，并及时采取加固措施后（边坡表面采用网格梁植草护坡，边坡中下部加抗滑桩），边坡表面发生位移和范围均大大减小，最大水平位移也仅有1.7mm。说明边坡覆盖层开挖后，及时采取加固措施，可大大减小边坡表面发生的位移。

为进一步分析大中河水库库岸边坡覆盖层开挖前后边坡稳定性变化情况，采用边坡节点最大位移突变作为指标，计算了3种情况不同折减系数［7-9］下边坡的最大节点位移，得到了3种情况下边坡的安全系数，计算结果如图3。

图3 不同工况边坡最大节点位移随折减系数增加变化曲线

分析发现，边坡最大位移随折减系数的增加而逐渐增大，刚开始增加幅度不大，最后发生突变，急剧增加。计算结果表明：边坡在自然状态下，当折减系数增加到1.4时，位移由11mm突然增加到26mm，可认为自然状态下计算边坡的安全系数为1.4；同理，可以得出边坡开挖后（不加固）安全系数为1.9，说明削坡减压有助于提高边坡稳定性，而当采取加固措施后，安全系数进一步增加到2.6。

4.2 边坡破坏模式

通过有限元法自动搜索得到了3种工况下大中河水库库岸边坡的危险滑裂面，如图4。

图4（a）表明，自然状态下边坡的最危险位置位于距离坡脚一定高度的边坡覆盖层，容易在外界作用下发生覆盖层滑动，为了保障工程安全，应当及时对表层覆盖体进行开挖清除；当覆盖层开挖后，边坡稳定性得到一定提升，滑裂面向内扩展，危险滑裂面位于强风化层和中风化层之间，最终沿坡脚位置剪切滑出，如图4（b）；当进行加固后，如图4（c）。网格梁可有效控制边坡表面发生的位移，抗滑桩则插入到不稳定地层以下，将强风化层和中风化层连接起来，通过抗滑桩将受力传递到中风化层的岩体，大大增加了边坡的抗滑力，与上述安全系数分析结果吻合。此时，边坡破坏时的滑裂面则进一步向内扩展，位于中风化层和弱风化层之间，说明采用网格梁和抗滑桩加固边坡效果明显。