卡拉贝利水利枢纽工程联合进水口边坡加固及稳定性分析

(塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 库尔勒 841000)

1 工程概况

卡拉贝利水库工程位于新疆维吾尔自治区省克孜勒苏柯尔克孜自治州境内。该工程控制流域面积13700km2。设计防洪标准为100年一遇，校核防洪标准为1000年一遇，设计洪水位1770.00m，校核洪水位1773.00m，工程主要由大坝、溢洪道、泄洪排沙洞、引水发电系统、电站厂房等建筑物组成。水库主坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高92.5m，坝顶高程1775.50m，坝顶宽12.5m，坝顶长760.7m。卡拉贝利水利工程溢洪道控制段采用驼峰堰，堰顶高程1758.50m，堰高3.50m，共3孔，设检修门和弧形工作门各一道，单孔净宽15m。坝后设电站一座，装机70MW，多年平均发电量2.61亿kW·h。总库容2.62亿m3。卡拉贝利水库工程是一座以防洪、灌溉为主，兼顾发电等诸多功能的Ⅱ等大(2)型水利枢纽工程。2010年8月，卡拉贝利水库工程开始建设，2019年1月投入使用。卡拉贝利水库工程不仅可以有效缓解下游地区的防洪压力，大幅提高防洪标准，还可缓解下游部分地区电力不足问题，对促进当地经济发展和城乡居民的生活水平具有重要意义。

工程的联合进水口布置在水库左岸，由河道向外侧依次布置1号洞、2号洞以及发电洞三条隧洞的进水口，底板高程依次为1696.00m、1715.00m和1725.00m，进水口共用一条长407m引水渠。由此形成引水渠段最大永久边坡高度为113m，最大挖坡高度为100m。该边坡的岩体易风化，饱和抗压度仅为0.80MPa，遇水软化现象十分显著。考虑到其开口线附近为阶地，因此，采取“强开挖、弱支护”开挖加固施工设计原则。

2 开挖加固方案设计

边坡强开挖后可能会出现滑坡，因此，需要采取必要的加固措施。在保证安全的前提下，采取有效、经济的加固方式，力争以最小投入，保证加固后边坡稳定，确保水利工程安全稳定运行，发挥工程最优效益。

2.1 方案一设计思路

方案一采取的是边坡全断面放缓坡的设计思路(见图1)。根据相关工程设计要求，在边坡开挖后坡脚线距离发电洞进口25m，在1750.00m高程部位设置10m宽的平台，对1750.00m高程以下分两级放坡，在1736.00m高程设置2.50m宽平台，上述两级放坡的坡比为1∶2.5；在边坡开挖完毕后，对该部位进行浆砌片石护面处理，防止库水对坡面的冲刷破坏。在1750.00m高程以上分三级台阶，按照1∶2的坡比进行放坡，同时，在1770.00m和1790.00m高程设置2.50m宽的平台。

图1 方案一设计思路

2.2 方案二设计思路

方案二采用的是全断面放陡坡+锚固设计思路(见图2)。根据相关工程设计要求，在边坡开挖后坡脚线距离发电洞进口25m，在1750.00m高程部位设置10m宽的平台，对1750.00m高程以下分两级放坡，在1736.00m高程设置2.50m宽平台，两级放坡坡比均为1∶2.5。在边坡开挖完毕后，对该部位进行浆砌片石护面处理，防止库水对坡面的冲刷破坏。

图2 方案二设计思路

1750.00m高程以上分三级台阶，按照1∶1的坡比进行放坡，同时，在1770.00m和1790.00m高程设置2.50m宽的平台。在坡面采取全长黏结性锚杆，且锚杆要深入基岩5m，锚杆的水平间距和垂直间距均为2m，单根锚杆的设计拉力为200kN。对坡面进行混凝土格沟梁加固，格沟的水平和垂直间距均为2m，横梁采用拱形梁设计，并将锚杆的锚头设置在格沟梁的交点部位。

3 开挖加固方案比选

3.1 施工难易程度比较

方案一施工主要内容是削坡，其具体工序为：边坡开挖→坡顶和马道截水沟施工→坡面绿化。方案二施工的主要内容是放陡坡、锚杆加固，具体施工工序为：开挖第一个台阶→锚杆施工→格构施工→按上述工序开挖其余台阶→坡顶、马道截水沟施工→坡面绿化。

两种施工方案相比，方案一为全断面放缓坡方案，一般不需要人工支护，因此，施工技术要求不高，施工风险相对较小，对施工管理的要求也相对较低；方案二为放陡坡加上锚杆施工，需要人工支护，增加了锚杆、格沟梁等施工要求，施工技术要求高，难度相对较大。由于方案二为全断面放陡坡加锚固，在边坡开挖过程中具有一定的风险，必须要制定合理、科学、安全的施工方案，因此，需要更大的安全设施成本投入。

3.2 工程造价对比分析

根据方案一的设计思路，其主要费用为征地费用、土石方费用、排水工程以及植被恢复费用，按照当地物价水平，对方案一每延米工程费用进行估算，结果见表1。

表1 方案一每延米工程费用估算结果

由表1和表2的计算结果可知，方案二与方案一相比，每延米可以节省工程投资41102元，节省费用约21.89%。因此，从工程投资视角来看，方案二为最优开挖加固方案。

表2 方案二每延米工程费用估算结果

3.3 环保与征地问题比较

方案一需要进行大量土石方开挖，因此，会产生比较大的地质环境扰动，对周边植被的破坏也相对比较严重。此外，放缓坡需要增大边坡的开挖范围，需要增大征地面积，因此，对周围的影响范围也比较大。由于边坡开挖区内有高压输电线路经过，如果采用该方案需要搬迁多个电塔，无形中增大了工程成本。方案二的放坡坡度较大，开挖土石方量明显减小，对自然环境的破坏也较小，不存在方案一的影响范围较大的问题。

4 最优方案确定

根据对上述两个方案设计思路的对比分析，方案二的工程造价较低，应优先选择；方案一在施工难度和安全性方面具有一定的优势，但是对环境的破坏大，相对于方案二，征地范围需要向外延伸近80m，土地使用成本明显较大。因此，选择方案二作为联合进水口边坡的开挖方案。

5 边坡稳定性验算

为了进一步验证方案二的合理性和可行性，利用强度折减法对自然、地震和洪水三种不同工况下的边坡稳定性进行计算，结果见表3。

由表3计算结果可知，按照方案二进行边坡开挖，

表3 方案二条件下边坡稳定性计算结果

如果没有采取锚固加固措施，在自然工况下，边坡位移量较小，岩体基本不会发生破坏，而在地震和高位洪水工况下，边坡有可能发生失稳破坏。锚固后，各种工况下的边坡稳定性系数均大于1，说明锚杆对岩体的锚固效果良好，在不同工况下均满足安全性要求，可在工程施工中采用。

6 边坡运行监测与稳定性分析

为了保证工程施工质量和施工安全，工程建设过程中建设了涵盖大坝、边坡、输水洞等关键部位的变形监测网。监测网的首级网涵盖上述部位的所有变形监测点，二级网则是监测不同部位变形的次级网络，对本次研究而言，指的是边坡监测点构成的变形网。监测所用仪器为E630G GPS接收机，采用静态相对定位方法完成数据的采集，整个系统共采用了6台接收机，其中在基准点上布置2台接收机，在监测点上采用4台接收机进行流动观测。

施工结束后，每隔30天监测1次；夏季汛期每20天监测1次，共监测15批次。观测时间依照规范要求不得少于60min。

监测结果显示，开挖支护后前三个月的边坡整体位移量较大，为15mm左右，之后逐步趋于稳定。截至目前，累积位移量为19.50mm，边坡稳定性良好。

7 结 语

边坡开挖是水利工程建设中经常面对的技术问题，对保证水利工程的顺利施工和安全运行具有十分重要的价值和作用。本次研究以卡拉贝利水利枢纽联合进水口边坡开挖为例，在野外地质调查基础上，结合边坡的具体特点，提出了放缓坡和放陡坡加锚杆支护两种不同的开挖加固方案。通过施工难易程度、经济性和环境影响等综合评价，最终确定采取放陡坡加锚杆支护的方案。边坡开挖施工完毕后的次年夏季，经历了两次超警戒水位洪水的侵袭，边坡稳定性良好，说明本次设计的施工方案是合理的和科学的。