水电站进水口边坡稳定性分析与支护设计

姚鹏程， 曲海珠

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

某在建水电站坝高112.5 m，坝前最大壅水高105 m，正常蓄水位2 370 m，死水位2 320 m。进水口底板高程为2 310 m，位于大坝上游500 m山脊处，该处边坡高约100 m，顶部为双车道四级公路，路基宽7.00 m，沥青路面宽6.5 m，高程2 390 m，在边坡2 375 m高程处布置有进水口闸门井。该边坡在天然状态下稳定，蓄水后失稳不仅会影响电站正常运行，还会影响其上部改线公路的安全通行。本文对该段边坡失稳模式进行了分析，在稳定性计算分析的基础上，结合现场地质条件提出了相应的支护设计方案。

1 工程地质条件

进水口段岸坡长约120 m，顶部改线公路高程为2 390 m，公路外侧为长约140 m的条形山脊，山脊地形坡度为30°～35°，山脊两侧坡地形坡度为40°～50°，坡高约100 m，基岩地层为薄层砂岩夹板岩、千枚岩，岩层产状为N40°W/NE∠50°。段内典型剖面见图1。

进水口闸门竖井位于若九公路下方，竖井平台高程为2 375 m，靠若九公路竖井平台内侧坡开挖坡比约1 ∶0.75， 坡高15 m， 采取了框格梁加锚索 (锚筋束)支护。竖井开挖揭示边坡及竖井围岩岩性为中～薄层砂岩夹板岩、千枚岩，岩体风化卸荷强烈，以强风化岩体为主，碎裂～散体结构。

图1 进水口边坡典型剖面

进水口位于条形山脊的正前端，底板高程为2 310 m。其洞脸边坡于2009年9月动工开挖，2010年1月开挖至2 308 m高程，边坡顶部开口线高程约为2 350 m，边坡开挖高度约42 m，2 352～2 335 m高程段开挖坡比为1 ∶1～1 ∶1.2，2 335～2 308 m高程段下游侧坡开挖坡比为1 ∶0.75。开挖揭示 23 35 m高程以上岩性主要以薄层砂岩夹板岩、千枚岩，岩层产状为N40°W/NE∠50°，岩层倾下游偏坡外，岩体风化卸荷强烈，结构松散呈散体状，坡体稳定性极差，开挖过程中曾多次发生垮塌，经设计方多次研究后，为保障进水口洞脸边坡在施工期的稳定，于2010年3月在2 330 m高程处结合框格梁布置了一排共7根20 m长的锚索，锚索吨位为1 000 kN。2 335 m高程以下岩性为中厚层砂岩夹少量薄层板岩，岩层产状为N40°W/NE∠50°，岩体卸荷强烈，裂隙最大张开宽度一般5～10 cm，充填次生泥及少量岩屑，属强卸荷岩体。

2 边坡稳定性分析

2.1 边坡稳定性初判

根据进水口系统及改线公路开挖揭示的地质条件，结合前期勘探资料分析，该条形山脊三面临空，段内板岩、千枚岩出露比例相对较高，岩体抗风化能力弱，强风化水平深度为20～30 m，强卸荷水平深度为40～60 m。该段岩层陡倾下游，走向与山脊呈大角度相交，山脊进水口边坡为横向坡，上游侧坡为逆向坡，下游为陡倾顺向坡，岩层倾角大于坡角，层面对边坡稳定不具控制性，边坡整体稳定。

经现场调查，进水口边坡已实施锚索位于强风化界线上部5 m处，由于锚索的锚固角为下倾30°，被锚固岩体多为下部强卸荷岩体，并未对强风化滑体进行有效加固，在水库蓄水运行后，该处边坡是否能保持稳定应做进一步复核计算。在调查中发现边坡表浅部岩体已有明显的溃曲变形，强风化多呈碎石土状，边坡稳定性差，在强降雨情况下会产生小规模牵引式塌滑。鉴于进水口位于条形山脊的正前端，闸门竖井侧伏埋深小，预测在水库蓄水后表浅层强风化岩体受水位变幅及浪蚀影响，可能产生库岸再造导致边坡出现较大规模的牵引式塌滑失稳，危及进水口、闸门竖井运行安全。

2.2 边坡等级、计算工况与安全系数

根据《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T5353-2006)，由边坡所影响的建筑物级别及边坡失事的危害程度综合确定边坡的级别，确定边坡最小抗滑稳定安全系数见表1。

2.3 计算参数选取

根据试验成果与工程类比，选取进水口边坡稳定性计算力学参数见表2。

表1 边坡设计安全系数控制标准

表2 边坡稳定性分析岩(土)体物理力学参数

2.4 边坡稳定性分析计算

根据《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T5353-2006)，边坡的安全系数以极限平衡方法中的下限解法进行控制。不同的滑面形态选用不同的计算方法，对于沿剪切破碎带滑动滑面为折线状的，采用摩根斯坦-普来斯法计算(见图2)，所使用程序为陈祖煜院士的土质边坡稳定分析程序STAB2008，采用传递系数法进行复核(见图3)。

使用STAB进行稳定性分析计算见图4，计算成果见表3。成果表明：持久工况和短暂工况下边坡局部稳定性不满足规范要求，偶然工况下死水位运行时边坡安全系数不满足规范要求。使用传递系数法计算结果见表4。分析表明，偶然工况下死水位运行时边坡安全系数不满足规范要求，使边坡在水库运行时保持稳定需要对其进行加固，以提供一定的抗滑力。

图2 摩根斯顿-普赖斯法计算简图

图3 传递系数法计算简图

图4 stab计算简图

工况边坡剖面安全系数1-12-23-3k持久状况11.211.311.191.25～1.1521.121.171.10短暂工况31.031.141.011.15～1.0541.121.161.09偶然状况51.131.201.101.0561.001.040.99

表4 传递系数法计算结果

3 边坡支护设计

进水口边坡地处条形山脊，三面临空，段内板岩、千枚岩出露比例相对较高，岩体抗风化能力弱，强风化水平深度为20～30 m，强卸荷水平深度40～60 m。山脊进水口边坡为横向坡，上游侧坡为逆向坡，下游为陡倾顺向坡，岩层倾角大于坡角，层面对边坡稳定不具控制性，边坡整体稳定。目前边坡表浅部岩体已有明显的溃曲变形，强风化多呈碎石土状，边坡稳定性差，在强降雨情况下会产生小规模牵引式塌滑。目前该边坡天然状态整体稳定，经稳定性计算分析，蓄水后边坡在水位变幅及浪蚀作用下会产生塌岸再造和小规模塌滑破坏，其变形破坏模式主要表现为牵引式塌滑。

根据STAB与传递系数法计算结果，结合现场地质条件及主体工程实际施工情况，拟采用抗滑桩对边坡进行加固处理，为防止水位变幅和浪蚀对坡面的掏蚀破坏，配合锚筋束采用框格梁对坡面强风化岩体进行防护，由于框格梁自重较大，在2 320 m高程布置混凝土贴坡式挡墙。具体支护措施如下(见图5、6)：

(1)在2 320 m、2 340 m、2 360 m、2 375 m高程设置四级马道，每级马道宽2 m；

(2)在2 340～2 350 m设置一排断面2 m×3 m的抗滑桩，间距8 m，桩长10～24 m；

(3)坡面采用框格梁+锚筋束支护，框格梁间排距4 m，每8 m设50 cm×50 cm的纵向主梁，其余为30 cm×30 cm的次梁，在2 323 m、2 334 m、2 343 m、2 354 m、2 363 m、2 369 m和2 375 m高程框格梁节点处设7排3Φ28，L=9～15 m的锚筋束，其余节点布置2Φ25，L=6 m的锚筋束,节点间布置L=1.5 m的插筋；

(4)在2 320 m高程马道设置底宽1.5 m，顶宽1 m，高3 m的贴坡式挡墙；

(5)2 375 m至公路外边缘段为水上边坡，采用钢筋网锚喷的方式支护；

(6)边坡排水采用Φ50花管，L=5 m，间排距4 m，与锚筋束间错布置，仰角5°。

图5 进水口边坡支护示意

图6 进水口侧坡支护示意

4 结 语

本文首先对某水电站进水口边坡的稳定性进行了初步分析，在稳定性计算分析的基础上，结合现场地质条件对该段边坡提出了相应的支护方式，充分体现了边坡支护设计中安全、经济的指导原则。

抗滑桩作为一种被动加固手段，其布置位置灵活、抗滑能力大、支挡效果好，能及时增加滑体抗滑力，文中边坡坡度较缓，且强风化岩体垂直深度较浅，使用抗滑桩较为适宜。

参考文献：

[1] 郑颖人，陈祖煜.边坡与滑坡工程治理(第2版)[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2] 刘兴远.边坡工程—设计、监测、鉴定与加固(第1版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.