老挝南欧江五级水电站枢纽区边坡设计

李双宝，鲁　宏，马　俊

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051)



老挝南欧江五级水电站枢纽区边坡设计

李双宝，鲁宏，马俊

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051)

老挝南欧江五级水电站边坡高，地质条件复杂，边坡稳定性较差。通过对原始边坡反演分析，确定了合适的岩体物理力学参数。根据边坡失稳模式采用多种方法进行边坡稳定分析，提出了较为经济合理的边坡处理措施，最大限度地节约了工程投资，也保证了工程的顺利推进。

边坡稳定；反演分析；加固；南欧江五级水电站；老挝

1　工程概况

南欧江五级水电站位于老挝丰沙里省，是南欧江流域规划中的第5个梯级，为二等大(2)型工程。该电站开发任务以发电为主，电站装机容量240 MW，多年平均发电量9.77×108kW·h。枢纽区建筑物主要由碾压混凝土重力坝、坝身进水口及坝后式厂房、坝身溢洪道及消力池、冲沙底孔及泄槽、下游护岸工程等组成。工程的挡水及泄洪建筑物按500年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核；发电建筑物按100年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核；消能防冲建筑物按50年一遇洪水设计。

工程施工采用分期导流，左岸I期束窄河床过流、右岸Ⅱ期底孔+坝体缺口过流，两期两基坑均采用全年混凝土纵向围堰、上下游土石横向围堰。本工程施工总工期为48个月，计划2012年9月主体工程开工，2013年12月上旬截流，2015年12月底首台机组发电，2016年10月底机组全部投产。

2　设计基本资料

2.1基本地质条件

枢纽工程区出露的地层主要为石炭系下统(C1)和第四系(Q4)地层[1]。石炭系下统岩性主要为灰黑色钙质、砂质板岩，为软岩～中硬岩。第四系分为冲积层和坡积层。其中，冲积层为砂卵砾石夹粉砂、粉砂质粘土，分布于河床和右岸阶地部位；坡积层为块石、碎石质粉土，分布于两岸山坡。

工程建筑物基础及边坡开挖均集中在枢纽区，主要包括左岸坝肩、坝基边坡，右岸坝肩、坝基边坡，右岸消力池边坡等。右岸坝肩、坝基边坡最大坡高约160 m，其中坝顶以上部分约85 m。边坡地层由表及里依次为第四系覆盖层厚6～10 m；全风化岩体厚5～9 m；强风化岩体底界垂直埋深20～30 m；弱风化岩体底界垂直埋深40～56 m。地下水位埋深30～55 m。左岸坝肩、坝基边坡最大坡高约115 m，其中坝顶以上部分约40 m。边坡地层由表及里依次为第四系覆盖层厚1～5 m；全风化岩体厚2～5 m；强风化岩体底界垂直埋深一般10～20 m；弱风化岩体底界垂直埋深一般25～40。地下水位埋深20～40 m。消力池边坡位于右岸坝基边坡下游，地形平缓，最大坡高约70 m，其中消力池边墙以上高度约30 m，边坡地层由表及里依次为第四系覆盖层厚9～18 m；覆盖层以下为弱风化岩体，局部为强风化岩体，强风化岩体厚度较小，弱风化底界垂直埋深26～32 m。

左、右岸及消力池边坡等部位覆盖层和全、强风化岩体为散体结构及碎裂结构，边坡稳定条件差；弱风化岩质边坡为薄层状～中厚层状结构，未发现较大构造带分布，结构面以板理及挤压带为主，边坡稳定条件总体较好。

2.2边坡安全控制标准

根据规范[2]，本工程边坡属A类枢纽工程区边坡，影响2、3级建筑物，判断为II级边坡。右岸坝肩坝基、左岸坝肩坝基、消力池边坡等均为重要部位，取安全控制标准高值。设计采用安全控制标准见表1。

表1枢纽区边坡工程设计安全标准

枢纽区边坡开挖部位建筑物级别边坡设计安全级别设计安全标准持久工况短暂状况(暴雨/雾化)偶然状况(地震)左、右岸坝肩及消力池边坡2II1.251.151.05

2.3边坡岩体力学参数

边坡稳定计算采用的物理力学参数分岩体类型取值。左、右岸边坡各部位岩体物理力学参数取值见表2、3。

表2左岸边坡主要物理力学参数

岩体类型天然容重/kN·m-3饱和容重/kN·m-3抗剪断指标ϕ/(°)c'/MPa第四系崩坡积层17.918.60.3250.04基岩全风化19.519.50.400.05强风化21.521.50.550.15弱风化26.626.60.80.5微～新风化26.926.90.950.85

3　边坡稳定分析

3.1边坡失稳模式判断

左、右岸边坡中上部均由覆盖层及强风化岩体构成，岩体为散体～碎裂结构，极易产生沿接触面的塌滑；弱风化岩体板理明显，岩体呈薄层状结构，无大的构造带分布和较大不利结构面，可产生小规模的零星掉块或崩塌破坏，但边坡整体稳定条件较好。因此，左、右岸边坡主要变形失稳模式为沿接触面(主要是强、弱风化界线)的塌滑或圆弧型滑移失稳破坏。

表3右岸边坡主要物理力学参数

岩体类型天然容重/kN·m-3饱和容重/kN·m-3抗剪断指标ϕ/(°)c'/MPa第四系崩坡积层17.918.60.3250.04基岩全风化18.219.50.4250.05强风化20.521.50.5750.1弱风化26.226.60.80.5微～新风化26.526.90.950.85

3.2边坡稳定分析方法

首先对天然状态边坡进行反演分析，进一步分析确定各地层物理力学参数的合理性；再对开挖后边坡进行计算分析。边坡稳定分析中，主要考虑的荷载可分为基本荷载、特殊荷载。

(1)基本荷载。包括岩体自重、孔隙水压力和作用在边坡表面的外荷载。①岩土体自重。当边坡岩体无外水作用时，在边坡内部浸润线以上的岩土体采用天然容重计算自重，浸润线以下的岩体采用饱和容重计算自重。② 孔隙水压力[3]。正常和地震工况下，取1/5滑块高度，取值大于2.0 m时按2 m取。③作用在边坡表面的外荷载。包括抗滑支挡结构对边坡提供的阻滑力(锚固力)、荷载压重等。

(2)特殊荷载。包括地震荷载、水库水位骤降或强降雨后边坡孔隙水压力的增大等。①地震荷载。采用拟静力法计算地震惯性力，输入的基岩水平向地震加速度ah为0.12g，地震作用的效应折减系数取0.25，不考虑竖向地震作用效应[4]。②暴雨及库水骤降对孔隙水压力的影响。对于全、强风化及坡积层滑面，因潜在滑面均搜索收敛于岩层接触面，故岩层分界面上的短时间滞留孔隙水对滑面安全影响较大。考虑瞬时集中暴雨滞留渗漏效应，地下水取1/4滑块高度，取值大于5.0 m时按5 m取。

选取右岸1- 1剖面、2- 2剖面和左岸3- 3剖面、4- 4剖面等4个典型剖面进行计算。根据规范[5]要求，分别对正常运行工况(持久工况)、正常运行地震工况(偶然工况)进行计算。

3.3计算成果

3.3.1参数反演成果

采用中国水利水电科学研究院陈祖煜院士编制的岩质高边坡稳定分析程序EMU(EMU能量法)进行分析。首先对天然状态下右岸天然坡进行计算，以此对边坡岩体物理力学参数进行校验。各工况安全系数计算结果见表4。从表4可知，天然状态下各工况安全系数均大于1.0，根据现场调查和历史观测记录，工程区右岸天然岸坡并无滑移崩塌变形记载，可以判断右岸坝肩天然边坡属于稳定状态，计算结果与实际情况相符。因此，采用的岩体物理力学参数是合理的。

表4右岸坝肩自然边坡稳定安全系数

潜在滑面正常运行工况暴雨工况地震工况备 注11.2581.1391.142坡积层底界21.2291.1081.120强风化底界31.2431.1241.131强风化底界41.3421.1631.227强风化底界

3.3.2EMU能量法计算成果

安全系数控制标准：持久状况1.25；暴雨工况1.15；地震工况1.05。对1- 1剖面～4- 4剖面开挖后坡面进行稳定计算分析。计算结果见表5。从表5可知，1- 1剖面沿全风化底界、强风化底界的稳定安全系数均不满足规范要求，需要进行主动加固。施加加固力后(潜在滑面2加固力为500 kN/m，潜在滑面3加固力为1 000 kN/m)，边坡稳定安全系数满足规范要求。2- 2剖面、3- 3剖面和4- 4剖面各滑面稳定安全系数均满足规范要求。

表5安全系数计算成果

剖面编号潜在滑面正常运行工况暴雨工况地震工况1-11(不加固)2.1682.1812.0112(不加固)1.1981.1811.1033(不加固)1.2371.2371.1412(加固)1.2561.2391.1543(加固)1.2791.2791.1772-21(不加固)1.4061.2951.2422(不加固)1.7991.6531.6083(不加固)3.3193.0873.0653-31(不加固)4.8534.8064.5582(不加固)2.6042.5732.4533(不加固)3.5493.4553.3544(不加固)2.9062.8342.7394-41(不加固)2.7322.7072.5252(不加固)2.1112.0881.9683(不加固)2.5312.4762.3744(不加固)3.2653.1813.076

3.3.3其他方法计算成果

根据规范要求，除采用EMU法进行边坡稳定分析外，还应采用其他解法进行复核对比。本文采用摩根斯顿法下限解法(M-P法)[6]，对1- 1剖面和3- 3剖面采用相同的潜在固定滑裂面、物理力学参数、外荷载、取同种工况进行复核计算。计算结果见表6。从表6可知，各种工况下，M-P法的计算结果较EMU计算结果总体呈现略小的趋势，安全系数均能够满足安全控制标准下限值的要求。采用Bishop法、Spencer法的计算结果也能得到相同的结论。因EMU能量法属上限解法，故本工程边坡安全控制标准采用规范上限值是合理的，根据上限解法搭配上限值控制标准制定边坡加固处理措施是经济可行的。

表6安全系数计算成果

剖面编号潜在滑面正常运行工况暴雨工况地震工况1-12(不加固)1.1411.1061.0273(不加固)1.2351.2031.1302(加固)1.1951.1581.0893(加固)1.2681.2371.1463-32(不加固)2.3682.3352.3253(不加固)3.4653.4143.3674(不加固)2.5472.4782.334

3.3.4计算结果分析

右岸地质条件较差，全、强风化层较厚，弱风化埋深较大，边坡开挖后出露基本为全、强风化岩层，稳定计算安全系数虽均大于1.0，但沿全风化和强风化底界的滑动安全系数不满足安全控制标准，需设置主动加固处理措施。

左岸地质条件较右岸稍好，全、强风化层及弱风化埋深均较右岸浅。计算表明，各种工况下各滑面安全系数满足安全标准控制要求。由于强、弱风化岩体节理裂隙较为发育，顺坡向节理较为普遍，工程施工过程中时有局部坍塌。因此，为确保边坡稳定和施工安全，需要做好坡面防护。

消力池边坡由于原始坡度较缓，开挖后各种工况下滑面安全系数均远高于规范控制标准。因此，消力池边坡仅需常规坡面防护和喷锚支护即可。

4　边坡综合治理措施

4.1开挖支护原则

为尽可能做到技术可行，经济合理，经多方案研究比选，最终确定右岸边坡开挖原则为缓挖方案，即弱风化岩体开挖坡比1∶0.1～1∶0.3，强风化岩体1∶0.6～1∶0.75，全风化、覆盖层1∶1.1～1∶1.2；左岸边坡开挖原则为陡挖方案，即弱风化岩体开挖坡比1∶0.1～1∶0.3，强风化岩体1∶0.45～1∶0.6，全风化、覆盖层1∶0.7。边坡开挖每20～25 m设1条宽3.0 m的马道。

边坡支护常规措施为：全风化体、坡积层采用钢筋混凝土网格梁进行坡面防护；强风化岩体采用常规喷锚支护，视需要挂网；弱风化及微新岩体采用常规喷锚支护；主动加固措施则根据计算确定。

4.2主动加固

主动加固布置方案为在445、460 m和480 m高程马道以上每台坡面布置1 000 kN级预应力锚索2排，间排距为6 m×6 m，锚索深度进入弱风化岩层不小于6.0 m。根据以上布置计算，以全风化底界为滑动面的潜在滑面2有3排锚索加固，单宽加固力500 kN/m；以强风化底界为滑动面的潜在滑面3有6排锚索加固，单宽加固力1 000 kN/m。经上述措施加固后，各工况所有滑面安全系数均能满足规范要求，加固布置方案合理可行。

左岸边坡总体虽是稳定的，但由于边坡开挖较陡，顺坡向不利结构面极为发育，开挖过程中曾出现多次局部垮塌。为保证施工安全，采用钢筋混凝土板+预应力锚索进行处理。

消力池边坡在开挖过程中曾发生较大范围的变形、开裂，其原因是全、强风化底界较陡，具有阻滑作用的下部岩体开挖后产生的。采取上部削坡、下部采用小挡墙处理后，边坡运行正常。

4.3截排水设计

为降低边坡地下水位，减少渗水压力，改善边坡稳定条件，采用截、排地表水措施，具体为：①为减少地表水汇入坡面后下渗，在坡面开口线外一定范围内设置坡顶截水沟，截水沟接入水平排水系统。②在开挖坡面布置系统排水孔(或反滤式排水盲管)，在马道内侧设置地面排水沟，地下渗流和地表径流一并经马道排水沟排走。③马道采用混凝土封闭保护，防止雨水下渗。

4.4安全监测

右岸边坡共设置10个表面变形观测点，2个测斜孔和1个多点位移计，6个监测锚索测力计；左岸边坡共设置9个表面变形观测点，2个多点位移计，5个监测锚索测力计。截至目前，安全监测成果表明，边坡处于稳定状态，与计算成果相吻合。

5　结　语

对老挝南欧江五级水电站枢纽区各主要边坡经反演分析确定合理的物理力学参数后，采用多种方法进行稳定计算分析。根据计算成果和工程实践经验，在采取合理的开挖、常规支护和主动加固方案，并辅以坡面防护、截排水以及安全监测等综合处理措施后，保证了边坡在施工期和运行期的稳定安全。

[1]李双宝， 鲁宏， 喻建清， 等. 老挝南欧江五级水电站可行性研究报告[R]. 昆明： 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司， 2012.

[2]DL 5180—2003水电枢纽工程等级划分及设计安全标准[S]．

[3]DL/T 5353—2006水电水利工程边坡设计规范[S]．

[4]DL 5073—2000水工建筑物抗震设计规范[S]．

[5]DL 5077—1997水工建筑物荷载设计规范[S]．

[6]陈祖煜. 土力学经典问题的极限分析上、 下限解[R]. 北京： 中国水利水电科学研究院岩土工程研究所， 2002．

(责任编辑杨健)

Slope Treatment Design for Nam Ou 5 Hydropower Station in Laos

LI Shuangbao, LU Hong, MA Jun

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China)

The bank slopes of Nam Ou 5 Hydropower Station in Laos are high, the geological conditions are complex and the stability of slopes is poor. The reasonable physical mechanical parameters of rock mass are determined through the inversion analysis on original slopes. According to slope instability model, the slope stability analyses are also carried out by using a variety of methods. Reasonable and economic slope treatment measures are finally put forward, which can not only maximize the saving of investment, but also ensure the smooth progress of project construction．

slope stability; inversion analysis; reinforcement; Nam Ou 5 Hydropower Station; Laos

2016- 03- 08

李双宝(1976—)，男，云南建水人，教授级高工，主要从事水电站水工设计工作．

TU457

A

0559- 9342(2016)05- 0053- 04