水利枢纽工程联合进水口软岩高边坡稳定设计研究

2023-04-08李召良

湖南水利水电 2023年5期

李召良

（中铁十一局集团有限公司，湖北武汉 430061）

1 案例工程概述

本研究以某大型水利枢纽工程为例，项目主要为混凝土面板砂砾石坝，设计水位为200 m，位于Ⅵ度强地震烈度区，需满足抗震标准。联合进水口边坡展现为岸坡地貌，高程为1 676 m 以下坡角50°，（1 676～1 700）m 坡角30°～40°，1 700 m 以上坡角45°～50°。项目旨在调节季节流量，确保灌溉水源和电力供应。考虑到地区平均含沙量为6.94 kg/m3，工程设计与运营均需确保其安全性和可持续性。

2 高边坡问题与设计策略

2.1 高边坡问题探讨

联合进水口工程涉及3 条隧洞：1#洞、2#洞及发电洞，底板高程分别为1 696 m、1 715 m 和1 725 m。工程基岩是微晶灰岩夹灰质砾岩，裸露于进水口，增加开挖难度。开挖边坡高度达200 m，加上复杂的岩层构造和裂隙分布，使得工程稳定性和安全性受到挑战。工程设计需考虑岩层特性、岩性、抗压抗剪强度等地质因素和地形特点对边坡稳定性的影响[1]。水库正常蓄水位为1 770 m，死水位为1 740 m，年水位降落30 m，给边坡稳定性带来压力。本文针对地质情况，将使用模型分析验证设计，确保工程的安全性和持续性。

2.2 高边坡稳定性设计方案

对1 725 m 的进水口高边坡设计，综合考虑地形、地质和防灾，制定了全面的设计方案。每10 m 设置一条2 m 宽的马道，确保施工安全与效率。闸门井斜坡的开挖坡比为1∶1.15，并使用混凝土衬板和锚杆增强稳定性。重视地质环境变化，采用垂直开挖，减少交通桥长度以节约成本。施工中，所有岩石斜坡开挖与支撑同步进行。通过全面的监测设备，如多点位移计，实时监控斜坡变形，确保其稳定性。

针对抗滑稳定性问题，回填混凝土的高程设为1 745 m，使其自重能够压实边坡脚部，提高边坡的抗滑稳定性[2]。综合评价显示，这样的设计将显著提高进水口塔群在地震条件下的侧向抗滑安全系数，从而确保项目的安全并优化资源的使用。

3 边坡稳定性的模型计算与评估

3.1 计算条件设定

针对联合进水口边坡的稳定性问题，本文采用有限元法进行稳定性分析。计算模型采用了二维和三维有限元模型，其中二维模型主要用于边坡的抗滑稳定分析，三维模型则用于整体变形稳定分析。计算条件如下：

1）二维模型：采用有限元强度折减法和刚体极限平衡法进行分析，计算工况包括正常蓄水位、施工完建期、正常蓄水位+暴雨或久雨水位骤降、正常蓄水位+地震。

2）三维模型：采用三维非线性有限元法进行分析，计算工况包括正常蓄水位、施工完建期、正常蓄水位+暴雨或久雨水位骤降、正常蓄水位+地震。计算模型中采用的主要岩体物理力学参数如表1 所示。

表1 岩体物理力学参数

3.2 稳定性分析

采用有限元强度折减法和刚体极限平衡法对联合进水口边坡稳定性进行分析，结果满足规范要求。受断层影响，1 618.5 m 马道局部变形较大，但影响不大。回填混凝土的高程设为1 745 m 提高抗滑稳定性。三维非线性有限元法结果显示，初步设计后的支护满足标准，但1 号变形体安全系数相对低，需重点关注。综合模型分析，联合进水口边坡满足规范要求，三维模型更接近实际。二维计算补充了三维模型的缺陷，且由于考虑的因素限制，其结果为支护设计的基准。

4 高边坡稳定性设计策略实施与分析

4.1 环境因素与岩体特性分析

在水利水电工程中，联合进水口边坡的稳定性至关重要。该区域的边坡主要由砂岩、泥岩和砂砾岩组成，它们的特性对稳定性有显著影响，岩层倾角为30°～60°，级别为Ⅱ级[3]。卸荷裂隙和卸荷崩塌可能导致渐进式崩塌，并在水浸下降低岩体强度。设计考虑了地质特性和规范，目标是防止整体失稳。联合进水口左侧边坡高度为1 800 m，为极软岩，采用“强开挖、弱支护”策略。开挖后立即进行混凝土喷涂和锚杆支护等措施，提高工程安全性。

4.2 强震条件下的边坡设计方案

1）设计策略与坡度配置。对于高程为1 725 m 的进水口边坡设计，特别考虑了闸井的宽度和马道的设置，以确保边坡的稳定性和工作通道的需求。马道每10 m 设置一级，宽为2 m，满足工作通道需求同时帮助边坡稳定。考虑到冲沙漏斗特性，闸井边坡的开挖坡比被设定为1∶1.15。引渠土质边坡的开挖坡比设定为1∶3。防护措施包括混凝土衬砌板与锚杆，旨在增强边坡稳定性。特殊运行条件，如高水流速时，会相应增强边坡防护[4]。

2）高程边坡的设计。对于高程1 725 m 以上的基岩，考虑了坡比、马道配置与开挖策略。坡比为1∶1，这样既满足规范要求，又满足工程的稳定性需求。马道同样每10 m 设置一级，宽度为2 m。在施工过程中，所有岩石边坡都将实行边开挖边支护的策略。开挖后将立即进行混凝土喷涂防护和挂网喷锚防护，混凝土防护厚度为50 mm，这是保障岩石稳定性的重要步骤。

在钻爆法施工前，进行试验性爆破以验证其可行性和安全性，确保无新的爆破裂隙出现，达到原有裂隙无错动、张开的标准。另外，岩石开挖面边坡范围内将布设PVC 排水管，以促进边坡内部的排水，减少水压对边坡稳定性的影响。

加强高边坡的变形监测是保证边坡安全的关键措施，包括设置综合测点、多点位移计以及锚杆测力计，全面、实时地监测边坡的变形情况，确保边坡稳定性。

4.3 回填混凝土弱支护策略

1）设计原则与策略。在设计过程中，回填混凝土弱支护策略是为了应对高边坡的稳定性问题，尤其是在地震工况下的整体稳定性。回填混凝土的高程设置对边坡稳定性具有直接的影响，因此本设计方案中特别关注并且详细考察了这一因素。

2）回填混凝土的高程设定。为了提高进水塔群的侧向抗滑安全系数，将回填混凝土的高程设定为1 745 m。这一设定旨在利用回填混凝土的自重压实边坡脚，从而增强边坡的抗滑稳定性。

在进行设计时，需要权衡地震惯性力与自重所产生的抗滑力，从而实现对高边坡的有效稳定。这个平衡过程是设计的关键，因为它直接决定了边坡在地震工况下的稳定性。

综合评估显示，这样的设计策略将显著提高进水塔群在地震工况下的侧向抗滑安全系数。这样不仅确保了工程的安全性，也优化了资源的使用，从而使得整个工程的经济效益和安全性得到有效提升。

4.4 风化软化岩体中的锚索实施方案

针对岩石饱和抗压强度仅为（0.8～1.2）MPa 的特殊情况，设计了专门的边坡锚索实施方案。然而，由于岩石的强度较低，给实施过程中带来了一些挑战。主要问题是如何在提供足够的稳定力的同时，避免因锚固力过大而导致边坡的进一步破坏。在设计方案时，严格控制了锚固力的大小。过大的锚固力可能会引发边坡的破坏，包括表面剥落、局部掉块和表层滑动等[5]。因此，必须仔细考虑这些破坏因素，并在设计中尽量避免它们的发生。在实际应用中，遵循了一个原则：未涉及大锚固力的锚索加固，要避免由于锚固力过大引起的边坡破坏。

5 对设计方案稳定性的全面评估

在对联合进水口高边坡设计进行评估时，依据水利水电工程边坡设计规范，对岩质以块体及层状结构的边坡进行稳定性分析。这项稳定性分析利用了不平衡推力传递法和萨尔玛法，并借助EMU 软件，针对五种不同工况下的边坡稳定性进行了计算。这五种工况包括：开挖施工期、竣工期、运行期、水位降落期以及地震工况。其中运行期水位设定为1 770 m，水位降落期蓄水位降至1 740 m。在此条件下能够全面评估设计方案的应用效果，同时还深入研究了边坡的稳定性，并使用优化后的极限平衡法对多滑移模式进行详细地搜索和计算，明确了最小安全系数与临界滑裂面的关系。

设计方案稳定性评估的结果显示，水的存在，尤其是在高水位时，对于边坡稳定性的增强具有重要的作用。其主要原因是，水压和水的自重可以有效地压实坡脚，从而增强边坡稳定性。但在低水位或发生地震的工况下，边坡稳定性的危险性显著增加，尤其是在地震及低水位的工况下，正面坡的安全系数最小，其初步计算的安全系数小于1，未能满足边坡稳定性的相关规范标准。但值得注意的是，这个计算并未包含塔体自身的抗力效应，一旦加入水平抗力（约为3 000 kN），实际的最小安全系数即可达到1.08，明显超过规定的稳定性要求。因此，必须将这些关键工况纳入设计考虑，并充分利用水的作用以提升边坡稳定性。见表2。