摘 要:【目的】為了消除西藏某存在潛在不穩(wěn)定巖體的水電站邊坡的地質(zhì)災(zāi)害隱患,有必要對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行研究并提出治理方案?!痉椒ā恳赃吰碌刭|(zhì)勘察和結(jié)構(gòu)面分析結(jié)果為基礎(chǔ),選用3個(gè)典型剖面構(gòu)建二維邊坡,采用極限平衡法對(duì)該邊坡在3種不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算?!窘Y(jié)果】穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明,3個(gè)典型剖面在3種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果均大于1.2,該邊坡整體處于穩(wěn)定階段;根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果提出了格構(gòu)梁+預(yù)應(yīng)力錨索+主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)+監(jiān)測(cè)的治理措施?!窘Y(jié)論】研究該邊坡的穩(wěn)定性,并針對(duì)不穩(wěn)定巖體提出治理方案,可為類(lèi)似工程提供參考。
關(guān)鍵詞:水電站邊坡;邊坡穩(wěn)定性分析;極限平衡法;邊坡治理
中圖分類(lèi)號(hào):TV223 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1003-5168(2024)19-0039-05
DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.008
Study on Slope Stability Analysis and Management Scheme of
a Hydropower Station
QIN Bo1 DAI Yuchen2 FAN Yanghui1
(1.Huadong Engineering (Fujian) Corporation Limited, Fuzhou 350003, China;
2. Power China Huadong Engineering Corporation, Hangzhou 311122, China)
Abstract: [Purposes] In order to eliminate the geological hazards of a hydropower station slope with potentially unstable rock mass in Xizang, it is necessary to study its stability and propose a treatment plan. [Methods] Based on the results of geological investigation and structural analysis of the slope, three typical profiles were selected to construct a two-dimensional slope, and the stability of the slope under three different working conditions was calculated by the limit equilibrium method. [Findings] The stability calculation results show that: the stability coefficients of the three typical profiles under the three working conditions are all greater than 1.2, and the slope is in a stable stage; according to the stability calculation results, the management measures of lattice beam + prestressed anchor cable + active protection network + monitoring are proposed. [Conclusions] This study calculates the stability of the slope and puts forward the management scheme, which can provide reference for similar projects.
Keywords: hydropower station slope; slope stability analysis; limit equilibrium method; slope management
0 引言
水利水電工程是關(guān)乎民生的重要基礎(chǔ)建設(shè)工程,主要用于防洪防澇、農(nóng)業(yè)灌溉以及水力發(fā)電[1]。水電站在建設(shè)和運(yùn)行期間的安全性與邊坡的穩(wěn)定性具有較大關(guān)系[2-3]。水電站運(yùn)行期間會(huì)伴隨著水位的急劇升降,容易導(dǎo)致邊坡巖體的節(jié)理裂隙強(qiáng)度降低甚至破壞,進(jìn)而產(chǎn)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。因此,對(duì)水電站邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,并對(duì)不穩(wěn)定邊坡提出相應(yīng)的治理措施對(duì)于保證水電站的安全運(yùn)行具有重要意義[6-7]。
近年來(lái),眾多學(xué)者對(duì)水電站邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。廖贊[8]以某大型水電站壩址區(qū)右岸邊坡為研究對(duì)象,根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的性狀和位置,對(duì)各結(jié)構(gòu)面可能產(chǎn)生的塊體組合進(jìn)行分析,并在離散單元法中引入強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。李貴平[4]以位于大渡河流域的某水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡為例,結(jié)合該變形體邊坡的特性描述和變形過(guò)程研究了其安全治理措施。李韜等[9]結(jié)合白鶴灘水電站左岸壩肩開(kāi)挖邊坡的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及勘察認(rèn)識(shí),利用UDEC離散元軟件建立了該邊坡開(kāi)挖引起的變形的分析模型,并對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。徐奴文等[10]建立了白鶴灘水電站左岸邊坡的離散元模型,分析了該邊坡開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性,并揭示了該邊坡的變形失穩(wěn)機(jī)制。王如賓等[11]建立了錦屏水電站邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面模型,并采用有限差分法,分析了該邊坡巖體的長(zhǎng)期力學(xué)行為,揭示了該邊坡在水庫(kù)正常蓄水位下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。宋勝武等[12]在錦屏水電站地質(zhì)條件調(diào)查基礎(chǔ)上,分析左岸纜機(jī)平臺(tái)以上的順坡向傾倒變形體、左岸1 800 m高程以上的楔形變形拉裂體等坡體結(jié)構(gòu)及其破壞模式,并進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分區(qū)和計(jì)算分析,根據(jù)坡體結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了邊坡加固控制體系。羅軍堯等[13]以古水水電站泄洪出口邊坡為例,采用野外精細(xì)調(diào)查、平硐勘查、理論分析以及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)研究區(qū)工程地質(zhì)特征及邊坡穩(wěn)定性等問(wèn)題進(jìn)行了深入研究,并根據(jù)邊坡開(kāi)挖加固方案,采用離散元模擬,論證了預(yù)應(yīng)力錨索+抗剪洞支護(hù)方案的可行性。
本文以西藏某水電站巖質(zhì)邊坡為研究對(duì)象,結(jié)合其節(jié)理發(fā)育特點(diǎn),以3個(gè)典型剖面建立邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型,采用極限平衡法計(jì)算了邊坡穩(wěn)定性,并根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果提出了邊坡加固措施,以保證邊坡的安全穩(wěn)定。
1 工程地質(zhì)條件
1.1 邊坡地形地貌
該水電站位于西藏自治區(qū),是雅魯藏布江干流中游沃卡河口至朗縣縣城河段規(guī)劃的第3級(jí)電站。該水電站下壩址左岸邊坡上存在一塊潛在不穩(wěn)定巖體W5,其分布高程為3 535~3 790 m,地形坡度40°~45°,沿河方向長(zhǎng)50~230 m,分布面積約3.4×104 m2,按厚度5~15 m估計(jì),方量約37.5萬(wàn)m3。其前緣臨空,后緣以地形陡緩交界,無(wú)錯(cuò)動(dòng)或滑移拉裂等變形破壞跡象;下游側(cè)以沖溝為界,上游側(cè)與崩坡積體交界。邊坡潛在不穩(wěn)定巖體地貌如圖1所示。
1.2 邊坡結(jié)構(gòu)特征
邊坡淺表部裂隙發(fā)育密集,大部分順層節(jié)理均張開(kāi)并充填巖屑,巖體質(zhì)量類(lèi)別為Ⅴ類(lèi)。邊坡深部巖體質(zhì)量稍好,順層節(jié)理張開(kāi)度較小,前緣順層節(jié)理發(fā)育,延伸長(zhǎng),中傾坡外節(jié)理①最大可見(jiàn)延伸長(zhǎng)度為50~70 m。邊坡節(jié)理赤平投影響如圖2所示。
該邊坡主要由順坡節(jié)理控制,后緣垂直切割節(jié)理亦較發(fā)育,充填巖屑,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果,其主要發(fā)育結(jié)構(gòu)面特征如下:節(jié)理①,產(chǎn)狀N70°~85°E,SE∠35°~45°,微起伏粗糙,間距1~3 m,延伸大于20 m,最大張開(kāi)距離2 cm,局部填充巖屑,裂隙連通率為55%~75%,是底滑控制面;節(jié)理②,產(chǎn)狀N85°~90°W,NE∠40°~50°,節(jié)理面平直粗糙,局部微張開(kāi),可見(jiàn)鐵錳質(zhì)渲染,裂隙可見(jiàn)少量巖屑充填,延伸較長(zhǎng),發(fā)育間距1~2 m/條,是坡體后緣的控制邊界;節(jié)理③,產(chǎn)狀N25°~35°E,SE∠35°~45°,是斜切節(jié)理,節(jié)理面微起伏并延伸3~5 m,節(jié)理間距3~6 m/條,呈微張~張開(kāi)狀態(tài),可見(jiàn)鐵錳質(zhì)渲染;節(jié)理④,產(chǎn)狀N5°~15°W,SW∠80°,節(jié)理面起伏粗糙,延伸長(zhǎng)度大于20 m,間距0.5~1.5 m,多呈閉合狀態(tài),局部張開(kāi),無(wú)填充。
2 邊坡穩(wěn)定性分析
通過(guò)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,可以對(duì)目標(biāo)邊坡的穩(wěn)定性情況進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果來(lái)進(jìn)行不穩(wěn)定邊坡的治理方案設(shè)計(jì),可以避免盲目設(shè)計(jì)帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)或預(yù)算浪費(fèi)。為了保證該水電站建設(shè)和運(yùn)行期間的安全,防止因邊坡失穩(wěn)造成的生命和財(cái)產(chǎn)損失,以野外勘察資料為基礎(chǔ),采用極限平衡法對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析,以為潛在不穩(wěn)定巖體的治理提供參考和依據(jù)。
2.1 邊坡模型構(gòu)建
邊坡穩(wěn)定性采用簡(jiǎn)布(Janbu)法和摩根斯坦-普萊斯(M-P)法進(jìn)行計(jì)算,地震作用采用擬靜力法計(jì)算。為了使邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果更具代表性,選取上、中、下游3條代表性剖面(Ⅰ-Ⅰ'、Ⅱ-Ⅱ'、Ⅲ-Ⅲ')作為典型剖面來(lái)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算,以避免代表性剖面數(shù)量過(guò)少造成的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果代表性差的情況。選取的3個(gè)代表性剖面的平面位置及剖面如圖3所示。
由于該邊坡潛在不穩(wěn)定巖體W5表部和前緣的巖體質(zhì)量較差,巖體風(fēng)化裂隙密集發(fā)育,順層節(jié)理呈張開(kāi)狀態(tài),將巖體類(lèi)別歸為Ⅳ類(lèi);后緣及深部巖體質(zhì)量較好,順層節(jié)理張開(kāi)度較小,巖體類(lèi)別歸為Ⅲ2類(lèi)。本研究分別考慮了前緣局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性,以使邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果具有更全面的指導(dǎo)意義。底滑面均為①號(hào)節(jié)理組成的順坡長(zhǎng)大結(jié)構(gòu)面,前緣局部滑面考慮沿②號(hào)節(jié)理產(chǎn)生張拉裂縫滑出,根據(jù)3個(gè)典型剖面的節(jié)理分布情況,前緣底滑面長(zhǎng)度為50~90 m。3個(gè)代表性剖面的整體計(jì)算模型和局部計(jì)算模型如圖4所示。
2.2 計(jì)算工況和計(jì)算參數(shù)選取
在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算過(guò)程中需要考慮不同自然條件對(duì)邊坡的影響,并通過(guò)設(shè)置不同的工況,施加不同的荷載組合來(lái)模擬邊坡在不同自然條件下受到的不同影響,以使邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果更加接近真實(shí)情況。由于該邊坡為高高程非涉水邊坡,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)將各工況荷載組合設(shè)置見(jiàn)表1。由表1可知,3種計(jì)算工況分別是天然工況、暴雨工況和地震工況,分別對(duì)應(yīng)自重、自重加暴雨作用和自重加地震的荷載組合作用。
邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確性會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。本研究根據(jù)邊坡地質(zhì)勘查結(jié)果提出了邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)的建議值??紤]邊坡前緣節(jié)理張開(kāi)較為明顯,邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中前緣滑面取節(jié)理參數(shù)并進(jìn)行一定的折減,中后部滑面根據(jù)節(jié)理①連通率與Ⅲ2類(lèi)巖體參數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算,最終確定了邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型的參數(shù)取值,見(jiàn)表2。
2.3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果
3個(gè)典型剖面在各工況下的穩(wěn)定性系數(shù)見(jiàn)表3。
由于該邊坡潛在不穩(wěn)定巖體位于左岸大壩及發(fā)電廠房上方,根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5353—2006)規(guī)定,該邊坡按A類(lèi)Ⅱ級(jí)邊坡設(shè)計(jì),持久工況、短暫工況及地震工況下穩(wěn)定設(shè)計(jì)安全系數(shù)分別取1.20、1.10、1.05。由表3可知,該邊坡Ⅰ-Ⅰ'剖面整體最小穩(wěn)定性系數(shù)為2.131,前緣最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.203;Ⅱ-Ⅱ'剖面整體最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.873,前緣最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.224;Ⅲ-Ⅲ'剖面整體最小穩(wěn)定性系數(shù)為2.551,前緣最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.244。3個(gè)典型剖面在3種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果均大于1.2,表明其整體穩(wěn)定性好,并且各剖面安全系數(shù)均滿足要求,且有較大的安全裕度。而且3種工況下3個(gè)典型剖面的前緣局部塊體穩(wěn)定性系數(shù)均分別低于整體穩(wěn)定性系數(shù),但依舊滿足穩(wěn)定性要求。由此可見(jiàn),該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。
3 邊坡治理方案
盡管穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明該邊坡在3種工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài),但是為了進(jìn)一步排除安全隱患,需要進(jìn)行治理以提高其穩(wěn)定性,防止其對(duì)水電站的建設(shè)和安全運(yùn)行帶來(lái)威脅。該邊坡在天然狀態(tài)下整體穩(wěn)定性較好,但由于其前緣的臨空卸荷作用,局部松動(dòng)塊體在特殊工況下的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提高。結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果,提出以下治理措施。
第一,對(duì)該邊坡前緣進(jìn)行系統(tǒng)錨固以增強(qiáng)其穩(wěn)定性。沿邊坡前緣布置格構(gòu)梁+系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固,框格梁采用C30混凝土澆筑,斷面尺寸為50 cm×50 cm,間排距為5 m×5 m;預(yù)應(yīng)力錨索采用2 000 kN級(jí),長(zhǎng)度為30~40 m,間距和排距為5 m×5 m;局部塊體采用直徑32 mm、長(zhǎng)度9 m的錨桿進(jìn)行加固。
第二,采用主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和攔擋措施。對(duì)于坡面局部穩(wěn)定性較差的部位,采取APS-075/P型主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù),以防止邊坡上的零碎落石對(duì)周?chē)h(huán)境安全造成威脅,并在其下部設(shè)置多道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)攔截可能滾落的碎石。
第三,為了及時(shí)了解邊坡的變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài),在邊坡上布置監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。邊坡的表面變形采用GNSS法監(jiān)測(cè),在該區(qū)域布置了兩個(gè)主要監(jiān)測(cè)斷面,在各斷面沿不同高程布置3~4個(gè)表面變形測(cè)點(diǎn),同時(shí)在該區(qū)域分界線邊緣布置4個(gè)表面變形測(cè)點(diǎn),在左岸邊坡平面控制網(wǎng)點(diǎn)旁的穩(wěn)定基巖位置布置兩個(gè)GNSS基站,作為該區(qū)域邊坡表面變形的觀測(cè)基準(zhǔn),其穩(wěn)定性可以通過(guò)平面控制網(wǎng)進(jìn)行校測(cè)。根據(jù)邊坡支護(hù)方案,在邊坡中選擇典型錨索布置5套錨索測(cè)力計(jì),以掌握邊坡支護(hù)錨索受力情況。
4 結(jié)論
為了消除存在不穩(wěn)定巖體的邊坡對(duì)西藏某水電站建設(shè)和運(yùn)行期間的安全威脅,本研究選取該邊坡的3個(gè)典型剖面,建立了3個(gè)穩(wěn)定性二維計(jì)算模型,采用極限平衡法對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,并結(jié)合穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果提出了相應(yīng)的治理措施,得出以下結(jié)論。
①選取的3個(gè)典型剖面在3種工況下采用Janbu法和M-P法計(jì)算出的穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.2,且分別大于相應(yīng)的安全系數(shù),表明該邊坡在3種工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。
②為了進(jìn)一步提高邊坡穩(wěn)定性,以防止其對(duì)水電站帶來(lái)安全隱患,提出采用格構(gòu)梁+預(yù)應(yīng)力錨索+主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)+監(jiān)測(cè)的治理方案。
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