水利枢纽厂房整体抗滑稳定及地基应力分析

朱守虎

【摘要】在我国社会经济高速发展的过程中，水利工程建设具有重要意义，是开发利用水资源的重要基础设施。在水利工程建设过程中，水利枢纽厂房是一项关键设施，所以必须做好整体抗滑稳定性设计，并对地基应力进行妥善处理，从而保证水利枢纽厂房具有良好的抗滑性和稳定性，确保水利枢纽使用安全，是全面提高水利工程建设质量的有效方式。因此，本文将对水利枢纽厂房整体抗滑稳定及地基应力方面进行深入地研究与分析，并结合具体工程案例对其采用的施工技术进行分析，旨在进一步提高设计方案质量。

【关键词】水利枢纽厂房;整体抗滑性;稳定性;地基应力;设计优化

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.12.052

引言：

在水利工程建设过程中，受到工程环境特殊性的影响，水利枢纽厂房在使用过程中需要承受较多的应力，比如下游水位以及水利枢纽厂房内的水压力等，整体受力情况较为复杂，所以为了保证水利枢纽厂房质量，在工程设计阶段必须做好应力分析，从而提升水利枢纽厂房整体抗滑稳定性以及抗浮稳定性及安全性。为此，本文结合H市某水利工程，对其水利枢纽厂房的设计方案以及具体实施方式进行全面阐述。

1、水利枢纽厂房建设工程概况

H市某水利工程中，水利枢纽厂房建设在大坝坝脚区域，整体结构为河床式厂房。该水利工程闸坝的最大流量设计为3370m3/s，水电站桩基容量为2200kW，按照国家相关要求标准规定，本次水利枢纽工程为大型水闸，电闸为小型水电站，工程级别为2级，主要建筑物为2级，上游和下游防洪建筑物以及次要建筑物为三级，水电站挡水区域建筑物为二级建筑物，其他都为五级建筑物。水利枢纽厂房为河床式发电厂房，最大挡水高度设计不超过15m，上游和下游水头高度差要求不低于10m，设计洪水标准为30年一遇（P=3.33%），校核洪水标准为100年一遇（P=1.0%）。电站工程区域两岸岸坡陡缓不均匀，地形高低不对称，工程右岸山体相对高度差超过230m，山顶为三级剥夷面，左岸山地相对高度差超过60m，山顶为四级剥夷面，对本次工程会产生影响的基岩滑坡较多，主要包括右岸的HP1、HP2、HP3以及HP6四个规模较大的滑坡，以及左岸的HP4滑坡。其中HP1滑坡规模较大，处于坝址右岸下游，整体为基岩顺层滑动构成的不稳定体，如果将该水利枢纽厂房建设在右岸，需要对右岸进行开挖施工，那么在开挖后将对右岸边坡产生很大影响，需要采用大规模的加固处理方式，整体处理难度较大，存在较多的不稳定因素和不确定因素，安全隐患较多，工程整体控制难度较大，所以经过多方分析，需要将该水利枢纽厂房建设在大坝左岸区域[1]。

2、水利枢纽厂房建设工程地质条件分析

为了全面落实本次水利枢纽厂房建设工程，相关单位在前期开展了细致的地质勘察工作。根据地质勘察资料表明，本次水利枢纽厂房工程区域的地表残坡积碎石土承载力难以达到设计要求，需要将其进行全部清除，下伏强化清灰、灰黑色薄层状粉砂岩夹细岩，整体强度较高，达到设计标准要求。因为本次工程部分开挖需要在地下水位以下施工，在开挖过程中靠近河床下游的区域边墙碎石土层可能会发生渗水问题，在河床的影响下容易出现结构性变形，导致基坑边坡稳定性不足;强风化岩体岩层倾向山内偏上游，同时水利枢纽厂房基础埋深较大，所以不存在基础抗滑稳定性问题;根据工程裂隙组合的勘察资料显示，没有不利于结构面组合的区域，开挖边坡较为稳定[2]。因此，在工程方案设计过程中，设计方案中将强风化粉砂岩夹细砂岩作为基础持力层;水利枢纽厂房基坑边坡需要进行整体性加固和防渗处理，山内侧边坡锚杆需要适当延长;水利枢纽厂房开挖边坡比设计为：第四系碎石土水位以上设计为1：1.0-1：1.25;下伏基岩设计为1：0.5-1：0.75。在水利枢纽厂房基坑开挖过程中，需要做好排水工作，采用抽水机随时进行排水。

3、水利枢纽厂房基础处理以及整体抗滑稳定性分析

3.1厂房整体抗滑稳定性分析

本次工程为河床式水电站，主厂房需要用于挡水，所以主厂房建设需要对其基面抗滑稳定性（抗剪断和抗剪强度）、基坑应力以及厂房抗浮稳定性进行计算。电站厂房为坝后式地面厂房，厂房基础基本为弱风化石英片夹微晶片岩，岩石较为坚硬，尽管发育层间挤压破碎带，但是整体较为完整，Kv=0.6-0.8.岩石强度较高，f’=0.8-0.9，c’=0.7-0.9MPa;基础下方具有局部结构夹泥，但是不具有出现深层滑动的可能，所以该水利枢纽厂房滑动需要按照混凝土和基岩结合面作为滑动面进行计算，计算公式为：

在上述公式中，K’表示为按照抗剪断强度计算的抗滑稳定性安全系数，基本组合超过3，特殊组合超过2.5;f’表示滑动面上的抗剪断摩擦系数;c’表示滑动面上的抗剪断凝聚力，104MPA;A表示基础面受压区域的截面积，单位为平方米;∑w表示全部荷载对于滑动面的法向分布，主要包括扬压力，取104MPa;∑P表示所有荷载对于滑动面的切向分布数值，主要包括扬压力，取104MPa。抗浮稳定性计算公式为：

在上述公式中，Kf表示抗浮稳定性安全系数，在所有情况下都不能低于1.1;∑w表示机组段的全部重量作用力，单位为kN;U表示作用在機组段的所有扬压力综合，单位为kN。

在对本次工程的相关参数进行计算过程中，需要按照基本荷载组合和特殊荷载组合的情况进行考虑。首先，基本荷载组合的计算，主要包括两种情况，即：（1）正常运行的设计洪水水位的情况，荷载类别包括结构自重、永久设备重量、水重量、回填土重量、静水压力、扬压力以及土压力。（2）正常运行的设计尾水位情况，荷载类别主要包括结构自重、永久设备重量、水重量、回填土重量、静水压力、扬压力以及土压力[3]。

在特殊荷载组合计算中，主要包括以下几种情况：（1）机组检修的设计尾水位情况，需要计算一台机组重量，其荷载类别主要包括结构自重、永久设备重量（机组重量）、水重量、回填土重量、静水压力、扬压力以及土压力。（2）非常运行的校核洪水位情况，其荷载类别主要包括结构自重、永久设备重量、水重量、回填土重量、静水压力、扬压力以及土压力。（3）地震的设计尾水位情况，其荷载类别主要包括结构自重、永久设备重量、水重量、回填土重量、静水压力、扬压力、土压力以及地震作用力。（4）机组没有安装的设计洪水位情况，荷载类别主要包括结构自重、水重量、回填土重量、静水压力、扬压力以及土压力。在抗浮计算过程中，主需要考虑到机组检修、非常运行以及机组没有安装三种条件。根据结合具体参数的计算，该结构自重、永久设备重量、水重量、回填土重量、静水压力、扬压力以及土压力，该水利枢纽厂房的抗滑及抗浮稳定性计算结果如下表1所示。

通过上述表格的计算结果可以明确，抗滑稳定计算安全系数最小值为6.71，超过相关规定标准的2.5;抗浮稳定计算安全系数最小值为1.36，超过相关规定标准的1.1。由此可见，该水利枢纽厂房的抗滑以及抗浮稳定计算都满足规定要求。

4、水利枢纽厂房地基应力分析

在本次工程中，水利枢纽厂房分为检修段和主机段两个区域，通过水利枢纽厂房结构和布置方式可以明确主机段的地基应力最大。为此，在对主机段的地基应力计算时，可以采用公式为：

在该公式中，∑G表示向下的垂直力总和;Wφ表示场压力;∑M表示全部水流方向荷载对于地基产生离距的代数和;B表示计算区域垂直水流方向底板宽度;L表示计算区域基础底板顺水流方向的长度。通过采用上述计算方式，对荷载组合与抗滑及抗浮稳定性进行计算，详细计算结果如下表2所示。

通過上述计算结果可以看出，在不同的工况条件以及压力条件下， 水利枢纽厂房地基最大应力都处于0.2-0.3MPa的允许范围内;在没有扬压力的情况下，水利枢纽厂房地基应力会增加0.2MPa-0.3MPa，依然符合地基承载力允许规定，从而说明该水利枢纽厂房的地基承载力能够满足相关需求，都低于0.2MPa，符合国家相关规定标准[4]。

5、水利枢纽厂房地基以及边坡处理优化措施分析

通过上文的分析可以看出，本次水利枢纽厂房建设中，抗滑稳定性技术以及地基应力都能够满足相关要求规定，所以工程设计方案可以实施。在考虑到水利枢纽厂房施工对于周围影响的情况下，需要对工程具体实施方案进行优化。因此，结合本次工程实际情况，提出如下几项有效的优化措施：

5.1水利枢纽厂地基处理优化

按照地址勘察分析，水利枢纽厂房所处区域的地质结果较为简单，表层沙壤土为4.2m厚度，砂卵砾石层厚度为4m，碳质砂岩夹层露出高程为1107.1m;基层强风化厚度为2.0m，岩石强度适中，基层弱风化岩层岩石硬度较高，强度适中，在充分考虑到水利枢纽厂房地基高层的情况下，弱风化基岩地基承载力设计为δ允许承载力=250kPa，强风化基岩地基承载力设计为δ允许承载力=200kPa。

5.2边坡处理措施

本次工程中水利枢纽厂房受到位置和地形的限制，在开挖后会产生一定高度的边坡。因此，在对水利枢纽厂房进行布置时，需要充分考虑到山体挖侧移动情况，并对水利枢纽厂房布置情况进行优化调整，从而尽量降低边坡开挖高度。边坡高出河床40m左右的区域为45°陡崖，基岩呈现裸露状态，主要为石英片夹微晶片岩;山坡上部区域坡度较缓，铺地为15°左右，地面覆盖10m第三系沙土，下部受到断裂带的影响，岩石破碎情况较为严重，能够明显观察到断层泥、角砾岩以及压碎岩等，且岩石具有一定的胶结性，产状较为平缓，岩层呈现薄层状态。山体为反向破结构，岩层产状对于山坡开挖具有一定有利条件。水利枢纽厂房受到断裂带的影响，边坡高度较高，边坡岩石包括压碎岩、角砾岩以及断层泥构成，岩层具有一定的自稳能力，整体强度适中，但是如果不对其进行特殊处理，会容易出现边坡不稳定的问题[5]。

水利枢纽厂房平台高度为1119.60m，到安装间端部预留3m的宽度施工空间后进行起坡施工，如果根据地质建议的坡比进行开挖施工，则需要开挖的工程量较大，经过深入分析后，决定采用1：0.75的坡比进行起坡施工，每10m处高一台，每台宽度设计为1.5m，分3台削坡到1150m的高承重，并预留9m栾杜用于公路建设，公路按照1：0.75向上进行削坡，每10m出高一台，分为3台削坡后则能够与地形线缄灭，最上面的一台因为是削除边坡覆盖层，坡度放缓到1：1;在安装间回车场下游区域只有尾水建筑物，同时边坡基岩受到断裂带影响较小，所以边坡的坡度相对更陡，从1：0.75过渡到1：0.5，最后设计为1：0.3与公路相连接;沿着1150m上坝公路修筑高度为2m的混凝土边坡挡墙，从而能够防止边坡滚石，保障行车安全;永久边坡高度最高设计为80m，大部分高度为50-60m，在考虑到1150m高程公路对于边坡的分割影响后，高炉以下的边坡高度设计为30m，公路以上边坡设计为20-50m，除了最上面的两台需要开挖到覆盖层边坡区域，采用浆砌石贴坡支护方式之外，其他边坡都采用挂网喷锚支护措施。

在挂网喷锚施工技术应用过程中，挂网喷锚边坡支护技术的应用最为广泛，主要是因为该支护技术施工环节较少、技术简单且需要的成本较低，所以具有良好的适用性。在本次水利枢纽厂房的边坡支护施工过程中，喷锚网施工技术的应用流程为：施工人员将土钉固定在边坡结构中的准确位置，对该区域进行灌浆作业，在灌浆作业完成后，对混凝土强度等性能进行检测，判断是够满足标准要求，如果不能满足则对灌浆混凝土进行强化，如果满足要求则开展后续施工。通过与边坡实际情况的结合，挂网喷锚边坡支护方式取得良好的效果，使得边坡稳定性进一步提升，是提高本次水利枢纽厂房整体工程质量的关键措施。在经过整体优化后，本次水利枢纽厂房建设工程效果达到预期目标，抗滑稳定性、地基应力以及边坡稳定性等，都符合国家相关要求标准，说明设计方案以及具体技术优化措施取得良好效果。

结语：

综上所述，本文结合H市某水利枢纽厂房工程的具体案例，对其抗滑及抗浮稳定性进行准确计算，同时对地基应力进行全面分析，最后提出多项有效的施工技术优化措施，结果证明该水利枢纽厂房设计抗滑稳定性技术和地基应力都能够满足相关规定要求，说明本次工程设计方案具有良好的效果，能够全面提高水利枢纽厂房建设质量，希望能够对相关水利工程建设起到一定的借鉴和帮助作用，不断提高我国水利工程建设质量。

参考文献：

[1]彭兆轩，吴涛，柳莹.重力坝冲沙泄洪闸左导墙抗滑稳定及静动应力分析[J].中国水利水电科学研究院学报，2020，18（05）：9.

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[3]韦贞景，于景宗，张冬冬.大藤峡水利枢纽泄水闸坝段深层抗滑稳定性问题[J].长江科学院院报，2020，37（08）：5.

[4]李龙仲，林飞.高烈度地震区水电站厂房复杂地基应力及变形分析[J].湖南水利水电，2021（04）：5.

[5]舒建国，程昌勇.基于有限元超载法的重力坝深层抗滑稳定分析[J].广东水利水电，2021，02（01）：6.