某水电站消能塘高边坡支护方案及效应分析

洪 琛

(辽宁省汤河水库管理局，辽宁 辽阳 111000)

某水电站消能塘高边坡支护方案及效应分析

洪 琛

(辽宁省汤河水库管理局，辽宁 辽阳 111000)

为了解锚固支护方案在层状岩体高边坡治理中的应用效果，本文以某水电站消能塘高边坡为例，对预应力锚索和边坡锚固支护方案进行了设计，并对锚固支护后的位移场、剪应变和应力场进行了分析和评价，为该水电站消能塘边坡的安全运行提供保障，为类似高边坡的治理提供借鉴。

层状岩体；高边坡；支护方案；效应

随着社会和经济的发展，我国也兴建了一大批水利水电、交通、市政等基础设施工程。在工程修建的过程中，常常会遇到边坡变形等引起的滑坡、崩塌等地质灾害[1-2]。尤其是在水电站的建设过程中，由于水电站常处于山区，地层岩性、岩体节理以及裂隙褶皱、断层等地质构造往往很复杂，边坡受开挖等人为因素和降雨等自然因素共同影响，极易发生变形破坏，对工程的建设和安全运行造成严重的危害[3]。在国内外都有水电站库区及近坝区发生滑坡的实例，如意大利瓦依昂水库滑坡，龙羊峡水电站右岸滑坡，隔河岩水电站导流洞岩体失稳，五强溪水电站左岸岩坡失稳等。因此，对边坡的支护设计就成为了水电站安全建设和运行的关键所在。本文以某水电站消能塘高边坡为例，对预应力锚索和边坡锚固支护方案进行了设计，并对锚固支护后的位移场、剪应变和应力场进行了分析和评价，为本水电站消能塘边坡的安全运行提供保障，为类似高边坡的治理提供借鉴。

1 工程概况及消能塘高边坡工程地质条件

某水电站位于辽宁省辽阳市，大坝为混凝土重力坝，坝长532 m，坝高50.3 m，水库总库容约为7.9亿m3，灌溉面积11万hm2，年发电量8000万kW，是一座以防洪为主，兼具灌溉、供水、发电和旅游为一体的综合水利枢纽。坝址区呈“U”型谷，宽450～800 m。坝址区地形地貌属低山丘陵地貌单元，坝址区河流向自西向东，两岸冲沟和阶地发育，见图1。坝址区及库区出露的地层岩性有：中元古界变质砾岩、石英片岩、石英岩等；古生界奥陶系石英岩、砾岩等；古生界志留系石英砂岩、石英岩等；古生界石炭系灰岩、白云岩、砂岩等；中生界侏罗系砾岩、砂岩、页岩等；中生界白垩系细砂岩、砾岩、泥岩等；新生界古近系泥岩、灰岩夹泥岩等；第四系下更新统胶结、半胶结砾岩、砂砾岩等；第四系中更新统灰褐色砾石层及黄土状亚砂土；第四系上更新统灰色砾石、灰黄色亚砂土；第四系全新统砂砾石和泥混合物。此外工程区还出露有中元古代早期花岗闪长岩、晚元古代早期片麻状花岗岩和晚古生代中粗粒花岗岩。坝址区以断裂和褶皱为主，方向为北北西向，局部呈北东向。库区、坝址区及其下游主要物理地质现象有泥石流、岩体风化卸荷、崩塌及岩溶。坝址区地下水类型主要是基岩裂隙水和第四系松散堆积层孔隙水，对混凝土无腐蚀性。坝址区地震动峰值加速度0.2 g，地震基本烈度为Ⅷ度。

图1 消能塘高边坡位置示意图

2 边坡支护设计及效应分析

2.1 支护设计

根据消能塘高边坡上布置的10个平硐所取得的地质资料，该边坡采用支护方法进行治理。针对边坡开挖后可能发生的变形和破坏的特点，对该边坡层状岩体采用锚固支护，能提高岩体的整体性和稳定性。首先应确定锚索的结构尺寸、材料、锚固类型、锚固力和预应力的大小。锚索的间距应根据地质条件、锚固力及锚索长度等确定。锚索应采用不同长度和均匀布置，防止群锚效应、浪费材料、避免内锚段应力集中及产生拉裂面，最小间距取2 m左右。锚固力应根据下式进行计算：

(1)

(2)

(3)

各式中：Ta为允许锚固力；Tu为极限锚固力；Sf为安全系数；Tw为工作锚固力；Td为设计锚固力。

根据该高边坡的地质条件及上述公式计算的锚固力等因素，边坡预应力锚索的长度自下至上分别为：边坡高度低于 80 m取60～70 m，边坡高度在80～170 m之间取120～130 m，边坡高度在170～225 m之间取200～210 m。锚索的方向为水平向下20°。锚索分布剖面如图2所示。

图2 消能塘高边坡锚索分布剖面图

2.2 支护效应分析

采用数值模拟的方法对锚固后的高边坡进行位移场、剪应变和应力场计算，分析支护效果及边坡稳定性等特征。

2.2.1 位移场

消能塘高边坡锚固支护后的总位移数值模拟计算云图如图3所示。

图3 消能塘高边坡锚固支护后总位移云图

由图3可知：边坡在锚固支护后蠕变区域减少比较明显，且锚固区域范围内的位移很小，变形区域整体向坡内扩展；最大位移为0.48 m，出现在边坡顶部未锚固的地段，边坡顶部位移向左，会发生拉裂破坏，在边坡的底部坡脚处未锚固地段的最大位移稍小，为0.46 m，会向坡外挤出；这些部位蠕变最为明显，而其他锚固区域位移量普遍较小，说明锚固支护对边坡蠕变的限制作用十分显著，对提高边坡的稳定性作用明显。

2.2.2 剪应变

消能塘高边坡锚固支护后的剪应变数值模拟计算云图如图4所示。

图4 消能塘高边坡锚固支护后剪应变云图

由图4可知：边坡在锚固支护后其中上部未出现拉裂破坏，岩层弯曲处未出现蠕变，锚固区域和边坡内部剪应变基本无变化，说明其未发生蠕变；在边坡的底部坡脚处以及高度210 m台阶较宽的部位剪应变较为集中，说明这些部位发生了少量的蠕变；坡脚处的蠕变未向边坡中上部扩展，说明锚固支护后边坡不会产生潜在滑移面，锚索对边坡蠕变的限制作用明显，提高边坡的整体稳定性。

2.2.3 应力场

消能塘高边坡锚固支护后的最大剪应力数值模拟计算云图如图5所示，消能塘高边坡锚固支护后的主应力数值模拟计算云图如图6所示。

图5 消能塘高边坡锚固支护后最大剪应力云图

图6 消能塘高边坡锚固支护后主应力云图

由图5、图6可知：边坡下部及内部未锚固区域有剪应力集中现象，但出现的部位较少，锚固区域剪应力变化不大，基本未发生蠕变，剪应力集中部位向边坡内部扩展并逐渐减小，说明边坡内部未锚固区域会产生较小的蠕变；锚固后主应力集中区域向边坡内部扩展并逐渐减小，浅表部的应力集中现象已得到有效控制，在一定程度上降低了边坡的变形，锚索是不连续的层状岩体边坡形成相对连续的整体，加强了岩体的连续性，使其不易发生蠕变和变形破坏，提高边坡的整体稳定性。

3 结 论

通过对某水电站消能塘高边坡锚固后数值模拟计算分析，得出了以下结果：锚固区域范围内的位移很小，变形区域整体向坡内扩展，最大位移出现在边坡顶部和底部坡脚处的未锚固地段；锚固支护后边坡中上部未出现拉裂破坏，岩层弯曲处未出现蠕变，锚固区域和边坡内部剪应变基本无变化，在边坡的底部坡脚处以及高度210 m台阶较宽的部位剪应变较为集中，发生了少量的蠕变，坡脚处的蠕变未向边坡中上部扩展；边坡下部及内部未锚固区域有剪应力集中现象，但出现的部位较少，锚固区域剪应力变化不大，剪应力集中部位和锚固后主应力集中区域均向边坡内部扩展并逐渐减小，浅表部的应力集中现象已得到有效控制，在一定程度上降低了边坡的变形，锚索是不连续的层状岩体边坡形成相对连续的整体，加强了岩体的连续性，提高边坡的整体稳定性。

[1] 杨逾,郭锐. 多台阶岩质边坡的稳定性分析及加固效应[J]. 辽宁工程技术大学学报,2016, 35(6):607-612.

[2] 刘建,乔丽苹,李蒲建,等. 拉西瓦水电工程高应力坝基边坡开挖扰动及锚固效应研究[J]. 岩石力学与工程学报,2008,27(6):1094-1103.

[3] 张正虎,邓建辉,魏进兵,等. 长河坝水电站高边坡开挖扰动及支护效应研究[J]. 人民黄河,2014, 36(9):120-123,126.

Support Scheme and effect analysis of high slope support for energy dissipation pond in a hydropower station

HONG Chen

(TheAdministrationoftheTangheReservoirinLiaoningProvince，Liaoyang111000，China)Abstract：In order to research the effect of bolting scheme in high slope treatment in layered rock, we took a high slope of a hydropower station stilling for an example, and designed the prestressed supporting schemes.For analysis and evaluation the displacement,shear strain and stress after support the slope,it could provide guarantee to ensure the safety operation for the energy dissipation pond in a Hydropower Station,and provided a reference for similar treatment of high slope.

layered rock mass; high slope; support scheme; effect

洪 琛(1984-)，女，工程师，主要从事水利水电工程管理和研究工作。

TV223;TV653+.1

A

2096-0506(2016)12-0050-03