垣曲抽水蓄能电站上水库进/出水口边坡稳定分析

房恩泽，苏奕康，允贝振星，尚玉超

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

1 工程概况

垣曲抽水蓄能电站位于山西运城市垣曲县境内，距太原公路里程420 km，距运城公路里程150 km，距垣曲县公路里程46 km。垣曲抽水蓄能电站为Ⅰ等、大（1）型工程，工程枢纽主要由上水库、下水库、输水系统及地下厂房和开关站等组成。枢纽共布置2 套独立的输水系统，每套输水系统由引水系统和尾水系统两部分组成，引水系统由上水库进/出水口、引水隧洞、引水调压室、压力管道、高压引水岔管及高压引水支管等建筑物构成；尾水系统由尾水支管、尾水事故闸门室、尾水岔管、尾水隧洞、尾水调压室、下水库进/出水口等建筑物组成。

主要水工建筑物为1 级建筑物，次要建筑物为3 级建筑物，输水系统建筑物级别为1 级。

上水库进/出水口边坡为永久性主要建筑物边坡，为A 类、1 级，工程区地震基本烈度为Ⅶ度，上、下水库进/出水口抗震设防类别为甲类，其设计地震加速度代表值取100 年超越概率2%的地震动峰值加速度187 gal[1]。

2 边坡地形地质条件

2.1 地形地貌

上水库进/出水口位于右岸，距坝轴线约160 m，地面高程920～990 m，地形均相对较缓，坡度20°～30°。

2.2 地层岩性

地表覆盖层主要为坡积碎石混合土，2 号冲沟左侧厚8.00～12.00 m，右侧厚度一般为2.00～4.00 m，下伏基岩主要为云梦山组二段石英砂岩、长石砂岩、粉砂岩及泥岩和页岩等，全～强风化带岩体厚度一般为1.50～10.45 m，弱风化带岩体厚度为60.00～75.00 m，岩体中粘土质砂岩现象较为严重，但厚度一般不均一，较破碎～破碎，局部完整性差，以互层状结构为主，局部为中厚层状结构，且倾向坡外，易发生顺坡滑动。

2.3 地质构造

断层主要有NNW～NW 向F21，F25，F106，NE向F51，F105等，以中陡倾角为主，宽0.20～1.20 m，据钻孔揭露F104，F121 宽约10.00 m，主要由碎裂岩、碎块岩、角砾岩及少量断层泥和糜棱岩等组成。层面产状为N30°E/SE∠30°。节理主要发育4组，J1 走向N25°～45°E，倾向SE，倾角75°～85°；J2走向N60°～80°E，倾向SE（NW），倾角70°～85°；J3走向N10°～15°E，倾向NW（SE），倾角85°；J4走向N25°～30°W，倾向SW（NE），倾角70°～85°。

3 边坡稳定计算

3.1 边坡分析

J1，J2，J3 组节理与上水库进水口洞脸边坡走向大角度相交，倾向坡外，且均为陡倾角节理，对洞脸边坡稳定影响不大；J4 组节理与洞脸边坡交角较小，且倾向坡外，不利于边坡稳定。

洞脸边坡部位岩体层理发育，层理倾向坡外，且岩体层理为缓倾角节理，因此，岩体层理与J4 组节理相互切割可以形成不稳定块体，容易发生滑动破坏，所以需对上水库进/出水口边坡进行稳定计算。

3.2 计算方法

上水库进/出水口边坡稳定采用极限平衡分析方法，由于该边坡为Ⅰ级，采用两种方法计算，分别为M-P 法及毕肖普法计算，计算程序采用加拿大GEO-SLOPE 公司GeoStudio 系列软件。

GeoStudio 系列软件是一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件，可供岩土、水利、地质工程等专业从事工程设计和数值计算。SLOPE/W 模块是计算岩土边坡安全系数的主流软件。它能同时用8 种方法分析计算简单或复杂的边坡稳定问题，用于对简单或者复杂滑移面的形状改变，孔隙水压力状况，土体性质，不同加载方式等岩土工作问题进行分析。SLOPE/W 模块使用极限平衡原理对不同土体类型、复杂地层和滑移面形状边坡的孔隙水压力分布情况进行建模分析[2]。

3.3 计算工况

根据DL/T 5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》规定，并结合上水库进/出水口外边坡的特点，综合考虑，计算选取3 个相对不利工况进行稳定复核计算：工况1，死水位（持久状况）；工况2，死水位以下+遇暴雨（短暂工况）；工况3，死水位+地震（偶然状况）。

3.4 计算参数

稳定分析采用的岩土体与结构面物理力学参数见表1。

3.5 边坡稳定计算

上水库进/出水口有1，2 号2 个进/出水口，边坡稳定计算结果如图1，2 所示。

经计算分析，上水库1，2 号进/出水口边坡（持久工况）沿深层粘土岩层面抗滑稳定安全系数不满足规范下限要求，其中上水库1 号进/出水口边坡（持久工况）两种方法均不满足规范要求，上水库2号进/出水口边坡（持久工况）极限平衡M-P法不满足规范下限要求，毕肖普方法满足规范下限要 求。因此，上水库1号、2号进/出水口边坡均设置无粘结预应力锚索，锚固角水平0°，锚固力1 000 kN，计算不同工况下的安全系数如表2 所示。计算成果表明，上水库进/出水口边坡在各工况下安全系数均满足规范要求，开挖边坡整体稳定。

表1 边坡岩体的物理力学参数表

图1 上水库1 号进/出水口边坡计算剖面

图2 上水库2 号进/出水口边坡计算剖面

表2 上水库进/出水口边坡开挖稳定分析成果表（设置锚索）

4 结语

综上所述，上水库进/出水口边坡，未施加预应力锚索时，计算结果不满足DL/T 5353-2006 规定，施加预应力锚索后，安全系数满足规范要求。陡倾角节理倾向坡外，与较缓岩体层理相交，容易切割出不稳定岩体，不利于边坡稳定，此种破坏在工程实践中较为常见。过程通常是坡脚先发生滑动，继而其上部岩体顺岩体层理开始滑动，最后导致整个边坡的破坏，这种破坏应采取工程措施予以避免。边坡稳定计算参数对结果影响较大，施工阶段宜通过现场试验确定参数合理性，根据现场试验参数成果调整前期开挖边坡及支护形式。