TP水库泄洪冲沙洞进口边坡稳定计算研究

吴战营

（水利部新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000）

1 工程概况

泄水建筑物进、出口边坡的安全与稳定，对泄水建筑物能否安全运行至关重要。特别是对于地质条件差的边坡，采用何种支护方案和措施，保证边坡的稳定、安全，是一个值得研究的问题。本文通过对TP水库工程泄洪冲沙洞进口边坡进行边坡稳定分析计算，最终确定了合理的边坡支护方案。

TP水库主要任务是灌溉、防洪，工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型。水库总库容6 098.93万m3，控制灌区灌溉面积14.13万亩。主要水工建筑物包括拦河坝（沥青混凝土心墙坝）、溢洪洞、泄洪冲沙洞、灌溉放水洞；次要建筑物包括坝区不影响主要建筑物和设备运行的挡土墙、导流墙及护岸等；临时建筑物包括下游围堰。土石坝（含与大坝结合的上游围堰）为3级建筑物，泄水建筑物、灌溉放水建筑物为3级建筑物，次要建筑物为4级建筑物，临时建筑物为5级建筑物。

据《新疆TP水库地震安全性评价报告》分析：工程区基岩50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.26 g，对应的地震基本烈度为Ⅷ度。另根据1/400万《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），工程区50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.3 gal，地震动反应普特征周期为0.45 s，对应的地震基本烈度为Ⅷ度，与地震安全性评价报告结论基本一致。工程区地震基本烈度为Ⅷ度，根据《水工建筑物抗震设计规范》SL203-97的规定，大坝及其它主要建筑物设防类别为丙类，大坝及其它主要建筑物抗震设计烈度为Ⅷ度。

2 泄洪冲沙洞进口边坡地质条件

导流洞兼泄洪洞进口位于左坝肩坝轴线上游约370 m，进口包括引渠段和进口闸井段。引渠底板高程2 343.0 m，位于左岸Ⅱ级阶地上，阶地上部为含碎石粉土层，厚1～2.6 m，其下为砂卵砾石层，引渠前段基础挖深在2.5～7.3 m，基础多位于粉土与砂卵砾石层交界附近，闸井前段渠基最大挖深26.5 m，渠基均位于粉砂岩地层上。闸井进口边坡走向53°左右，坡度35°～40°，基岩多裸露，仅在坡脚2 357 m高程以下分布有少量的坡积碎石土层，厚3～6.5 m，结构松散，基岩岩性为泥盆系中统（D2e-gv）粉砂岩夹灰岩，粉砂岩呈灰褐色、紫红色、灰绿色，薄层状，岩层产状280°NE∠25°，缓倾上游，局部夹0.2～1.5 m厚的灰岩；粉砂岩抗风化能力差，强风化层3～5 m，岩体破碎，钻孔岩芯以0.3～1 cm的薄片状为主，弱风化层厚15～20 m，节理裂隙较发育，岩体相对完整；层理与进口洞脸边坡夹角47°，大角度相交，对洞脸和左侧边坡稳定有利，对右侧边坡不利；据导流洞进口平洞PD3资料，闸井段共发育有5条断层，其中在平洞8～16 m之间，平行发育3条较大的断层，f1：275°NE∠25°～30°，破碎带宽2～3 m，由断层泥及碎裂岩组成，断层泥厚20～30 cm，3断层之间岩体破碎，成洞较困难，平洞0～16 m之间均采取支护措施；f2：290°NE∠25°，破碎带宽5～15 cm；f3：330°SW∠35°，破碎带宽5～10 cm；f4：45°SE∠80°，破碎带宽5 cm；f5：65°NW∠60°，破碎带宽5～30 cm。泄洪冲沙洞进口边坡赤平投影图见图1，由图1分析，断层f1、f2、f3及层面组合交点和边坡投影弧在同一侧，落于天然边坡投影弧的外侧，说明结构面组合交线的倾向与边坡倾向相对一致，倾角小于天然边坡的坡角，即结构面组合交线在天然边坡坡面上没有出露，并不会切穿边坡岩体，切割体属于较稳定结构面，边坡处于较稳定状态；断层f3、f4组交点位于人工边坡和天然边坡投影弧的对侧，结构面的交线与边坡倾向相反，结构面组合切割体为倾向坡内的稳定结构面，边坡处于稳定状态。闸井洞脸边坡在天然状态下处于较稳定状态，但水库蓄水后结构面均处于水位以下，结构面强度降低，对稳定不利，建议洞脸边坡加强喷锚支护处理措施。进口闸井基础地质条件相对较差，粉砂岩地基允许承载力2.0～2.5 MPa。隧洞进口断层带桩号0+000～0+020 m段为Ⅴ类围岩，约占6%，岩体弹性抗力系数K0=2～3 MPa/cm，坚固系数fk=0.3～0.5，洞室不稳定，可能会产生较大规模的掉块和塌方，需采取有效的工程措施处理。

图1 泄洪冲沙洞进口边坡赤平投影图

3 泄洪冲沙洞进口边坡支护设计方案

进口闸井后边坡2 361 m高程以下垂直开挖，2 370～2 390 m沿高程10 m一级马道，岩石开挖边坡为1∶0.5，马道宽2.0 m，2 392.8 m高程以上边坡沿断层顺层面进行剥离；进口闸井后侧边坡2 361～2 390 m高程的边坡采用锚索进行支护，锚索为25 m和30 m长，100 t，5 m×5 m间隔布置；进口闸井后侧边坡2 390～2 395.8 m高程的边坡采用锚索进行支护，锚索为35 m长，100 t，5 m×5 m布置。在2 390～2 395.8 m、2 349.9～2 370 m设置锚筋桩，长度为9 m，采用3根Φ25钢筋，间排距为3 m，梅花形布置；整个边坡采用C30混凝土喷护，喷护厚度100 mm，并挂Φ8@200 mm×200 mm的钢筋网，砂浆锚杆长4.5 m，直径25 mm，间距2 m、排距2 m，并在闸井两侧和后部回填C15素混凝土，降低永久边坡的高度，保证进口建筑物的稳定。泄洪冲沙洞进口闸井后边坡开挖后地形见图2，泄洪冲沙洞进口闸井后边坡支护设计方案见图3。

图2 泄洪冲沙洞进口闸井后边坡开挖后地形图

图3 泄洪冲沙洞进口闸井后边坡支护设计方案

4 边坡稳定计算

4.1 计算原则和方法

本文以二维极限平衡法为主要分析方法，对泄洪冲沙洞进口闸井后边坡在施工期（坡内外无水）、稳定渗流期以及遭遇地震工况条件下支护前、后的整体与局部稳定性进行分析评价，计算程序采用中国水利水电科学研究院研发的《岩质边坡稳定计算软件—EMU2007》。

4.2 计算工况

为考虑进水口布置的水工建筑物对边坡的影响，本次计算主要对进水口边坡以下几种工况的稳定性进行复核：

（1）工况一：施工期，坡体内外无水，无混凝土回填，无附属建筑物；

（2）工况二：水库正常运用期，当水库蓄水至正常蓄水位2 394.52 m，主要复核稳定渗流期的稳定状况；

（3）工况三：遭遇地震的稳定状况。

4.3 计算参数

根据边坡产状及岩层走向分析，滑动面由顺层面滑动及顺断层滑动控制，根据《TP水库地质报告》选定计算参数，岩体物理力学参数见表1。

因岩体呈层状分布，岩体较破碎，且有5条断层，计算参数取值时，采用岩体物理力学参数下限值。断层计算参数的取值严格按照断层物理力学指标进行取值。根据滑动模式选择不同参数，整体及局部顺层滑动模式因滑动角度与顺层坡度基本相同，采用顺层层间参数控制边坡稳定。

4.4 滑动模式

根据对泄洪冲沙洞进口闸井后边坡开挖后的地形特征，岩体产状与边坡产状的关系进行分析，剖面可能滑动模式有3种，分别是沿f1断层整体滑动、沿f5断层滑动、沿f1～f5断层组成的滑裂面滑动，分别在不同工况下，对这3种滑动模式进行支护前和支护后的边坡稳定计算。

表1 岩体物理力学参数

4.5 边坡计算结果

不同工况下各方案边坡稳定安全系数见表2。

表2 不同工况下各方案边坡稳定安全系数

根据《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2016）规定：边坡与水工建筑物的相互关系。泄洪冲沙洞进口闸井后边坡的级别为4级。因此，工况一安全系数应大于1.10，工况二安全系数应大于1.15，工况三安全系数应大于1.05。

由表2计算结果可知：在不同工况下，边坡沿f5断层滑动的可能性最大，边坡支护前安全系数不满足规范要求。进口边坡岩石破碎、强度低，边坡支护后与支护前对比，安全系数都有所提高，支护后的安全系数满足规范要求，为了保证进口永久边坡的稳定性及安全性，对进口边坡采用锚索、锚筋桩、挂网锚喷的支护方案是可行的。

5 结语

通过对TP水库泄洪冲沙洞进口边坡进行稳定计算分析，得出以下结论：

（1）不同工况下，边坡沿f5断层滑动的可能性最大，其次是沿f1断层滑动，沿f1～f5断层滑动的可能性最小。

（2）泄洪冲沙洞进口闸井后边坡开挖后，如不采取支护措施，边坡稳定安全系数不满足规范要求，很有可能边坡失稳。

（3）对进口边坡采用锚索、锚筋桩、挂网锚喷的支护方案后，安全系数都有所提高，满足规范要求，此支护方案是合理、可行的。

（4）此边坡支护方案能够为相似工程边坡设计和计算提供参考，对其它工程具有借鉴与应用意义。