某抽水蓄能电站进/出水口边坡变形机理分析及加固

马飞朋

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

1 基本情况

某抽水蓄能电站由上/下水库、输水系统、地下厂房系统等建筑物组成。工程为Ⅰ等大(1)型工程，进/出水口作为本工程的主要建筑物，建筑物级别为1级，结构安全级别为Ⅰ级，相应边坡为I级A类边坡[1]。

进/出水口布置于月河右岸，地形上为“两沟夹一梁”。人工开挖边坡总体走向为近SN向，开挖后形成了高边坡，开挖高程范围为1 024.50～1 167.00 m，最大开挖高度约133 m。高程1 069.00 m以上开挖坡比采用1∶0.5，平台以下至高程1 047.00 m坡比1∶0.5，高1 047.00～1 024.50 m范围为直立坡。

边坡地层岩性为三叠系干沟门单元中粗粒花岗岩(Tg)，浅表部位为强～弱风化，块状结构。在地质构造上，边坡岩体主要发育有两条规模较大的断层f1与f2，两条断层相互切割，在边坡内形成不稳定楔形体，向NW方向变形。变形模式为：“沿f2断层滑动+f1断层方向倾倒。各断层的产状情况如表1所示，断层在边坡转弯段的出露情况如图1～3所示。

表1 边坡发育的主要断层产状及性状

根据中国地震动参数区划图，工程区地震动反应谱特征周期为0.45 s,地震基本烈度为VI度[2]。

2 边坡变形分析

进/出水口边坡开挖揭示边坡岩体内部发育有两条规模较大的断层f1与f2两组确定性III级结构面(断层)，它们之间相互切割组合的左侧边坡形成了一个潜在不稳定的楔形体。边坡开挖并初步支护完成后，通过监测发现，受断层f1与f2的影响，边坡整体有向NW向变形的趋势，且1 069.00 m平台产生了多条横向裂缝，表面喷混凝土上下游局部部位出现开裂，且存在多条纵向裂缝，少量锚索出现稳压不足，塌孔等现象，同时在上游部位出现了小型塌方。表明边坡已出现明显的变形迹象[3-4]。初步支护完成后边坡的变形状况见图4。

根据现场调查情况分析，进/出水口边坡在开挖的过程中出现明显变形迹象的原因主要是受断层f1与f2影响所致。因此，可以认为沿断层f1断层f2组成的楔体滑动破坏是该边坡的控制性失稳模式[5]。其滑动方向一般沿着左右滑面的交棱线方向。图5列出了由上述两组结构面组合形成块体的空间形状，从图中可以看出，这两组结构面的交棱线插入至下部岩体内部，未在临空面出露。若块体沿交棱线方向剪出时，其下部应由岩体内部直接剪出，显然这并不是最危险的滑动方向。

根据监测资料，进/出水口边坡布置有4个表观监测点，如图6所示。根据开挖过程中获得的监测情况，各监测点获得的不同方向的变形监测[6]情况如表2所示，相应的各监测点的运动方向如图7所示。

表2 边坡各表观监测点的变形结果

从表观监测点的监测结果可以看出，边坡的变形方向在NW0°～30°之间。但根据计算结果，断层f1与f2交棱线的产状为NE19.4°～28.9°，这表明受断层f1与f2的交棱线未在临空面完全出露的影响，楔体的滑动方向并未沿着两组底滑面的交棱线方向，而是沿着与交棱线倾向夹角为18°～45°的方向剪出。

3 边坡稳定分析计算

3.1 计算工况

采用DL/T 5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》建议的二维与三维刚体极限平衡法，对进/出水口边坡在施工期不同工况条件下的抗滑稳定性进行分析计算[7]。根据《水电水利工程边坡设计规范》，针对具体边坡工程与建筑物关系、边坡工程规模、工程地质条件复杂程度以及边坡稳定分析的不确定性等因素的分析，本工程边坡属A类Ⅰ级边坡。根据类别、工况及边坡等级，工程边坡安全系数控制标准见表3所示。

表3 A类Ⅰ级边坡设计安全系数

3.2 典型计算剖面选取

稳定分析选取与块体主滑动方向(NW25°)平行的剖面0-0、1-1、2-2、3-3、4-4、5-5、6-6、7 -7、8-8、9-9共10个剖面作为典型计算剖面，开展相关的抗滑稳定分析计算，各计算剖面位置如图8所示。

3.3 抗滑稳定分析计算参数

稳定分析采用的边坡岩体与结构面的物理力学参数的地质建议值如表4所示。

表4 稳定分析采用的岩体与结构面力学参数的地质建议值

3.4 稳定计算结果

表5列出了进/出水口边坡采用初步加固设计方案的抗滑稳定分析成果。从计算结果可以看出，各计算剖面在施工期天然状况下的抗滑稳定安全系数在0.61～1.64之间，考虑降雨影响时的安全系数在0.56～1.55之间。计算结果表明，当采用初步加固方案时，除剖面1-1、2-2、8-8的安全系数大于1.0外，其它剖面的安全系数小于1.0，说明采用初步加固处理后边坡仍出现明显变形的状况是相符的，同时也表明计算结果较好地反映了边坡处于欠稳定状态。

表5 进/出水口边坡抗滑稳定分析成果

4 边坡加强支护处理措施及效果评价

4.1 边坡加强支护措施

通过对边坡稳定分析计算，边坡处于不稳定状态。对边坡进行加强支护具体为：预应力锚索(T=2 000 kN/m，L=60 m)+混凝土挡墙加强支护[7](如图9所示)；块体坡脚部位设置重力式混凝土挡墙(挡墙1～ 5)护坡,顶宽4 m，底宽9 m，外侧坡比1∶0.5，坡脚内侧底高程为1 028.50 m，外侧底高程为1 029.00 m，挡墙顶高程为1 042.00 m。在高程1 042.00～1 047.00 m增加一挡墙，挡墙顶宽1.0 m，底宽3.5 m，外侧坡比1∶0.5，如图10所示。

4.2 二维抗滑稳定分析

进/出口边坡的稳定性直接关系到进/出口的安全运行，因此，有必要从稳定的角度，开展进/出口边坡在施工期不同工况条件下的稳定状况的研究，同时对预应力锚索+混凝土挡墙处理措施的加固效果进行分析评价。

表6列出了各计算剖面，在施工期不同工况条件下的抗滑稳定分析成果[8-10]。图11列出了施工期天然状况条件下部分剖面的计算简图。从计算结果可以看出，施工期天然条件下，除剖面9-9的安全系数为0.91外，其它剖面的安全系数大于1.30。与仅考虑挡墙加固影响的结果相比，考虑挡墙+锚索加固后的安全系数增加了0.1～0.5。计算结果表明，采用挡墙+锚索联合加固后，除剖面9-9的安全系数小于1.0，其它各计算剖面的抗滑稳定安全系数大于1.30，满足规范要求。

表6 边坡采用加强支护方案的抗滑稳定分析

4.3 三维抗滑稳定分析

表7列出了进/出水口边坡施工期，采用挡墙+预应力锚索联合加固措施后的抗滑稳定分析成果。从计算结果可以看出，当考虑挡墙+锚索加固时，若假定以剖面9-9作为上游边界面，天然状况下边坡的三维安全系数大于1.85，考虑降雨影响时的安全系数大于1.70；若不引入上游边界面假定时，天然状况下的安全系数为1.71，考虑降雨影响时的安全系数为1.59。计算结果表明，考虑挡墙支护影响后，施工期边坡的三维抗滑稳定安全系数满足规范要求。

表7 采用支护措施的边坡三维抗滑稳定分析成果

4.4 监测成果分析

2018年9月3日开始边坡发生变形最大位移累计约30 mm，2018年12月对边坡初步进行加强支护后，边坡变形位移量有明显降低，但边坡变形量仍然较大。2019年8月边坡进行加强支护完成后至2021年8月布置在该部位多点位移计变形-时间曲线处于平缓状态(如图12所示)，与边坡在不同工况情况下二维、三维边坡抗滑稳定性计算结果相一致。边坡处于稳定状态，边坡处理达到了预期效果。

5 结 论

(1) 进/出水口边坡，沿断层f1/断层f2组成的楔体滑动破坏是该边坡的控制性失稳模式。

(2) 采用规范建议的刚体极限平衡法分析边坡在施工期的抗滑稳定状况，考虑采用挡墙+预应力锚索加强支护措施后，通过计算各剖面的抗滑稳定安全系数均满足规范要求。边坡可处于安全状态。

(3) 边坡完成加固措施后，2 a中经历汛期、冻融等不同自然条件下，多点位移计变化曲线一直处于稳定，表明边坡加强支护完成后，一直处于稳定状态，边坡处理效果达到预期。

在水库运行期间，尽量避免库水位的大幅度骤降发生。加强边坡变形观测以便及时掌握边坡的运行状态，一旦出现异常应及时处理。