童恩飛

（中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

1 工程概況

柘溪水電站擴(kuò)機(jī)工程位于湖南省益陽市安化縣境內(nèi)，距安化縣城12.5km。工程以發(fā)電為主，兼有防洪、航運(yùn)等綜合效益。正常蓄水位169.00m，裝機(jī)容量500MW（2×250MW）。樞紐布置為進(jìn)水口、高壓引水隧洞、地面廠房、主變場(chǎng)、尾水建筑物、敞開式開關(guān)站等。主體土建工程于2005年5月正式開工建設(shè)，2008年5月實(shí)現(xiàn)第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252—2017）和《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》（DL 5180—2003），柘溪水電站樞紐工程為Ⅰ等工程，主要建筑物按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，次要建筑物按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

2 廠房上游邊坡地質(zhì)條件

廠房上游邊坡巖性為長石石英砂巖、燧石狀石英巖、細(xì)砂巖與帶狀砂質(zhì)板巖（Ptbn2w2-28-5～Ptbn2w2-28-10），巖性堅(jiān)硬。巖層產(chǎn)狀：75～85°/NW∠60°～70°，局部走向變化為275～290°。邊坡坡面與巖層一致，為順層坡。主廠房縱軸線方向與巖層走向基本一致，呈東西向布置。

3 分析方法

根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5353—2006），廠房上游邊坡為Ⅰ級(jí)A類邊坡。本階段對(duì)廠房上游邊坡的整體穩(wěn)定性和分期開挖穩(wěn)定性采用三維彈塑性有限元和極限平衡分析方法進(jìn)行分析。

3.1 廠房上游邊坡分期開挖穩(wěn)定性的三維彈塑性有限元分析

有限元分析區(qū)域選取沿引水洞軸線280m，垂直引水洞軸線方向?yàn)?44m范圍。邊界約束條件采用垂直位移約束，荷載考慮巖體自重作用。邊坡支護(hù)方案為沿開挖坡面采用系統(tǒng)錨桿支護(hù)。模型如圖1、圖2所示。

（1）分期開挖對(duì)圍巖塑性區(qū)分布的影響。從廠房上游邊坡分期開挖圍巖塑性區(qū)分布變化情況分析可知：①原始應(yīng)力場(chǎng)塑性區(qū)出現(xiàn)在斷層帶位置和引水洞周，隨著廠房上游邊坡向下開挖，在距離邊坡較近的斷層帶和與引水洞交匯處出現(xiàn)少量塑性區(qū)。說明廠房上游邊坡和引水洞的整體穩(wěn)定性良好。②塑性區(qū)出現(xiàn)在斷層帶與引水洞交匯處，對(duì)該位置應(yīng)注意支護(hù)。由于邊坡巖層順開挖方向，施工中仍需注意不切腳，不超挖。③邊坡支護(hù)錨桿可適當(dāng)加長，使其穿過斷層帶，增強(qiáng)支護(hù)效果。

圖1 分析模型圖

圖2 分析網(wǎng)格

（2）分期開挖對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響。分期開挖邊坡應(yīng)力分布如表1所示。①廠房上游邊坡開挖后每級(jí)臺(tái)階的坡角處都出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且偏應(yīng)力最大達(dá)到4.1MPa，需引起重視。②由于引水洞、巖體斷層及邊坡多處相交導(dǎo)致邊坡應(yīng)力分布變化規(guī)律不明顯，但此相交位置切割的巖體鍥狀構(gòu)造穩(wěn)定性較差，施工中應(yīng)早支護(hù)。

表1 廠房上游邊坡分期開挖應(yīng)力變化單位：kPa

表1中邊坡位置代號(hào)如圖3所示。

圖3 邊坡開挖示意圖

表2 廠房上游邊坡位移 單位：mm

（3）分期開挖對(duì)邊坡位移變化規(guī)律的影響。分期開挖邊坡位移如表2所示。可看出，邊坡x方向位移絕對(duì)值最大值為0.29mm，y方向位移絕對(duì)值最大值為0.46mm，說明廠房上游邊坡的整體穩(wěn)定性較好。

（4）分析結(jié)論。采用三維彈塑性有限元對(duì)廠房上游邊坡分期開挖過程，邊坡及引水洞周圍巖位移絕對(duì)值小，應(yīng)力偏量也較小，塑性區(qū)出現(xiàn)在一定埋深及靠近邊坡處的斷層帶、引水洞周等處，但總體積不大。因此，邊坡整體穩(wěn)定性較好。

3.2 廠房上游邊坡極限平衡分析

（1）計(jì)算條件及內(nèi)容。庫水位驟降有利于廠房上游邊坡的整體穩(wěn)定性，因此廠房上游邊坡地下水的作用僅考慮穩(wěn)定滲流期的影響，按照施工開挖順序，邊坡分五步分別開挖至96.91m、86.94m、79.5m、71.5m、65.5m，地下水的作用按簡化法確定。計(jì)算中考慮節(jié)理面及軟弱面對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。分別用枚舉法搜索任意圓弧面和單純形法搜索任意滑裂面的最小安全系數(shù)。

（2）計(jì)算結(jié)果分析。廠房上游邊坡不同開挖步任意圓弧滑裂面的安全系數(shù)如表3所示。由于廠房上游邊坡巖體存在順層的節(jié)理面，不利于上游邊坡的穩(wěn)定，因此對(duì)過順層節(jié)理面的任意形狀滑裂面進(jìn)行了單獨(dú)計(jì)算，任意形狀滑裂面的不同開挖步的安全系數(shù)如表4所示。

廠房邊坡主要有四組節(jié)理切割，其中兩組與邊坡走向正交，一組為順層反傾節(jié)理，巖體表面存在強(qiáng)風(fēng)化帶及弱風(fēng)化帶，而且地下水位較高，地下水沿著節(jié)理裂隙運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)了風(fēng)化作用，因此要采取措施防止局部滑坡和巖塊塌方。圖4～圖8為不同開挖步最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，滑動(dòng)面通過坡腳。

（3）計(jì)算結(jié)果。通過極限平衡法對(duì)施工期及運(yùn)行期廠房上游邊坡在不同工況下的整體穩(wěn)定性分析，得出以下結(jié)論：

①從表3、表4可以看出，表中安全系數(shù)均較大，即使采用比較保守的瑞典條分法，計(jì)算得出的安全系數(shù)也大于2.0，因此廠房上游邊坡整體穩(wěn)定性好，滿足規(guī)范要求。②從圖4～圖8可以看出各剖面在不同開挖步的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面及運(yùn)行期兩種工況下的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，均為較深層的滑弧，淺層滑弧安全系數(shù)較大，錨桿及錨索對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性作用不大；但是巖體表面存在強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶以及存在節(jié)理面，存在局部零星掉塊的可能性，因此在巖體表面需要進(jìn)行錨噴支護(hù)。

表3 上游邊坡不同開挖步圓弧滑裂面整體穩(wěn)定性計(jì)算成果表

表4 上游邊坡不同開挖步任意滑裂面整體穩(wěn)定性計(jì)算成果表

圖4 邊坡開挖至96.91m最危險(xiǎn)滑動(dòng)面

圖5 邊坡開挖至86.94m最危險(xiǎn)滑動(dòng)面

圖6 邊坡開挖至79.5m最危險(xiǎn)滑動(dòng)面

圖7 邊坡開挖至71.50m最危險(xiǎn)滑動(dòng)面

圖8 邊坡開挖至65.5m最危險(xiǎn)滑動(dòng)面

總之，采用多種邊坡極限平衡分析方法分析了廠房上游邊坡穩(wěn)定性，其分析結(jié)果表明，邊坡的抗滑安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，廠房上游邊坡整體是穩(wěn)定的，與有限元分析結(jié)果吻合。從穩(wěn)定性分析結(jié)果來看，防止邊坡淺層滑坡和局部零星掉塊，坡面采取錨噴支護(hù)是必要的；對(duì)斷層帶、節(jié)理裂隙與引水洞、邊坡相交處等薄弱位置的應(yīng)采取加強(qiáng)措施支護(hù)。為了防止邊坡深層滑動(dòng)，必要時(shí)，在坡角部位布置一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力錨索。

4 廠房上游邊坡處理

4.1 基本支護(hù)措施

根據(jù)廠房邊坡穩(wěn)定性分析成果，結(jié)合柘溪地質(zhì)實(shí)際情況，廠房上游邊坡的處理原則如下：基本為順層剝離，即高程135.00m以上，保持原始邊坡，不作處理。高程135.00～117.00m原則主要是自上而下順層開挖，坡面采用噴錨支護(hù)防止局部塌方和巖塊滑落；高程117.00m以下，根據(jù)廠房體形分臺(tái)階采用順巖層層面開挖至肘管底部高程65.50m；在高程135.00m馬道，結(jié)合老廠電纜道改建，用混凝土護(hù)面，修整原排水溝，減少地表水沿裂隙或?qū)用婊顒?dòng)；在坡面布設(shè)排水孔引排地下水，孔深3m，并在高程108.10m設(shè)置一條平行于廠房上游邊坡的排水洞，減少地下水的活動(dòng)，改善邊坡穩(wěn)定條件。在廠房上游邊坡自高程135.00m以下坡面采用噴C25混凝土150mm，系統(tǒng)錨桿Φ25@1.500m×1.500m，錨桿長度為6m；在坡角處布設(shè)T=100kN的張拉錨桿Φ32@1.500m×1.500m，錨桿長度為12m。

4.2 支護(hù)參數(shù)調(diào)整

實(shí)際施工時(shí)，當(dāng)開挖至高程116.00m時(shí)，施工放樣復(fù)核發(fā)現(xiàn)，若繼續(xù)順層開挖，則下部開挖斷面不能滿足廠房體形要求，而此時(shí)高程116.00m以上已支護(hù)完畢，無法再進(jìn)行第二次開挖，為此調(diào)整設(shè)計(jì)開挖坡比，即在主機(jī)間及副安裝間段高程116.00m以下由分臺(tái)階順層開挖改為切腳開挖。開挖坡比以滿足設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求為原則，控制在1∶0.3～1∶0.4，支護(hù)調(diào)整為高程135.00～117.00m坡面，采用掛網(wǎng)噴C25混凝土150mm，系統(tǒng)錨桿Φ25@1.500m×1.500m，錨桿長度為6m、8m間隔布置。在坡角同樣加設(shè)T=100kN的張拉錨桿Φ32@1.500m×1.500m，錨桿長度12m。并在高程109.00m及104.00m布置間距為4m、T=2000kN的預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索，與廠房上游邊坡排水洞對(duì)穿，副安裝間段基本按原設(shè)計(jì)施工。

5 結(jié)論

邊坡開挖成形后，經(jīng)邊坡預(yù)埋觀測(cè)儀器的觀測(cè)成果顯示各項(xiàng)觀測(cè)數(shù)據(jù)無異常，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。上游邊坡的處理方案效果良好，消除了工程安全隱患，確保了工程安全。