水電站治理設計分析論文

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1概述

XX水電站6#山梁位于壩址左岸F5斷層下游側地段。在該處山坡布置有高線（EL.1380m）、壩頂（EL.1245m）、中線（EL.1140m）和低線（EL.1000m）四層公路，河床及岸邊布置有水墊塘二道壩、下游圍堰和導流隧洞出口等水工建筑物，在壩頂公路和高線公路之間（靠瓦斜路溝側）布置有左岸砂石加工系統。6#山梁的天然山坡及開挖邊坡的穩定程度對上述工程運行期特別是施工期的安全影響重大。

2001年9月，在公路開挖爆破過程中引發一定范圍的巖體傾倒錯落塌滑，在高線公路無法明挖通過的同時，6#山梁塌滑巖體周邊仍余留部分危巖，威脅公路和導流洞出口施工及運行安全，并可能制約截流工期；2002年6月，云南瀾滄江水電開發有限責任公司邀請國內知名邊坡專家到現場踏勘、考察和咨詢后，明確對6#山梁必須采取工程措施，確保開挖邊坡在施工期的穩定，并提高山坡整體穩定安全度。

2地形地質條件

6#山梁綜合治理的平面范圍見附圖所示。在Ⅲ級斷層F5與F23之間，大部分地段基巖裸露，僅局部山坳及沖溝中有第四系堆積物分布。山坡平均坡度約40°，局部地段分布有早期崩塌作用形成的陡壁。現公路開挖形成的邊坡形態多呈陡緩轉折的階梯狀。

出露地層主要為中深變質巖系及第四系，巖層呈單斜構造橫河分布，陡傾上游，主要巖性為黑云花崗片麻巖和角閃斜長片麻巖，它們雖均屬堅硬的塊狀巖石，但后者的抗風化能力相對較弱。第四系堆積層主要為碎石質砂粉土夾塊石及塊石層和開挖堆渣，高程1200m以上分布較薄，厚度約0.5m~5m。

巖層產狀為N70°~85°W,NEÐ65°~85°，主要結構面走向近EW及近SN，傾角多陡立。根據結構面的規模劃分，該地段主要分布有F5、F19、F23、F15四條Ⅲ級陡傾斷層和兩組Ⅳ級陡傾結構面（小斷層f和擠壓面gm）。普通發育對邊坡穩定程度關系較大的Ⅴ級結構面（節理）主要發育三組：①近SN向陡傾節理組（順河向節理），產狀為N0°~10°E，SE∠75°~90°，延伸一般2m~5m，最長可達10余米，間距20cm~50cm，在局部地段分布有寬5m~10m的節理密集帶；②NWW向節理組（橫河向節理），產狀N65°~85°W，NE∠55°~80°，延伸一般1m~3m，間距30cm~50cm；③順坡向中緩傾角節理組，產狀為N20°W~N20°E，SW~NW∠30°~45°，該組節理在微風化~新鮮巖體中相對不發育，延伸較短。

邊坡巖體以均勻風化為主，風化層厚度主要受巖性、構造和地形控制。一般在地形凸出的山脊部位風化厚度大，山坳、沖溝地段的風化層相對較薄；在坡頂和角閃斜長片麻巖分布地段的地形較平緩部位，常出現較厚的全、強風化層。

6#山梁地勢陡峻，卸荷作用強烈。卸荷現象主要表現為生成順坡向中緩傾角剪切裂隙和陡傾角拉張裂隙，岸坡常在此基礎上產生崩塌等失穩現象。

本地區地表水和地下水的最低排泄基準面為瀾滄江。地下水類型主要為裂隙潛水，由于補給來源豐富，地下水位埋藏較淺，岸坡地下水位線一般在弱風化巖體的中、下部。

3邊坡失穩機理與模式分析

6#山梁巖質邊坡失穩主要發生在山坡淺表部位的強風化、強卸荷巖體中，并常見以下幾種類型：

a.滑移型塌滑：常發生在順坡中緩傾角剪切裂隙較發育且連通率較高的邊坡表層。通常是以順坡裂隙為底滑面，順河向卸荷拉張裂隙（或節理）為后緣拉裂面，橫河向節理為側向切割面。該類塌滑一般規模較小，但它可向周邊逐漸擴展，向深部逐漸剝離。

b.錯落型崩塌：常出現在由花崗片麻巖構成的陡坡地段，其失穩機理是：邊坡巖體在卸荷過程中順河延伸的拉張裂隙逐漸構通，陡坡下部巖體被壓碎并出現剪切破裂面（常追蹤順坡節理），在某些觸發因素作用下即發生崩塌。6#山梁在高線公路開挖過程中發生的較大范圍的崩塌屬此類型。

c.傾倒型崩塌：此類崩塌常發生在兩種巖層交界面或有Ⅱ、Ⅲ級斷層等軟弱巖帶分布的逆層坡地段。其失穩機理是：山坡下部分布有相對易風化的巖層或軟弱巖帶，它們在風化卸荷過程中逐漸被壓縮，使其上部的相對較堅硬的巖體發生傾倒、折斷，當下部巖體被壓碎出現剪切破壞時即發生崩塌。

4平面穩定分析

4.1巖體物理力學參數

由于地勘資料的缺乏和不足，本次計算依據前期地質、試驗資料和開挖暴露面所揭示的地質條件，并對山坳塌方體進行地質參數反演分析（反演成果見表一注），綜合以上因素,擬定邊坡平面穩定計算的物理力學參數見表一。

表一邊坡平面穩定巖土力學參數計算采用值（峰值強度）

編號

巖土類別

Φˊ

(°)

Cˊ

(kN/m2)

天然容重

(kN/m3)

飽和容重

(kN/m3)

1

坡積體

30.1

40

18.5

20.0

2

堆積體

38.0

50

20.6

23.5

3

堆積體接觸帶

32.0

50

20.6

23.5

4

全風化帶

29.0

40

21.0

22.0

5

強風化、強卸荷帶

山梁部位

29.0

60

26.0

26.7

山坳部位

32.0

110

26.0

26.7

6

弱風化、卸荷帶

35.0

340

26.3

26.7

注：對山坳部位塌方體處于0.95安全系數條件下,固定Φˊ=32°,干坡反演Cˊ=0.084Mpa,雨季反演Cˊ=0.145Mpa；固定Cˊ=0.11Mpa,干坡反演Φˊ=27,雨季反演Φˊ=36

4.2穩定計算方法

切取典型剖面，按平面剛體極限平面問題考慮，不考慮動力效應對巖土參數取值的影響。計算采用陳祖煜教授編制的EMU程序進行。

4.3平面穩定計算邊界條件與控制標準

（1）邊坡滑動方向與計算剖面選取

根據地質條件分析，為簡化計算，6#山梁邊坡失穩的邊界條件如下：

a.沿強風化、強卸荷帶順坡中緩傾角結構面的剪切滑移破壞；

b.向河床、溝谷等臨空面方向的傾倒崩塌破壞；

c.中緩傾角節理與陡傾結構面相互切割、組合，構成對邊坡不利的楔體破壞模式。

考慮到XX工程樞紐區中緩傾角節理及卸荷裂隙發育的主要產狀為近SN向，基本垂直的兩組陡傾結構面也以近SN向相對發育，計算剖面為一近EW向和其它三個接近天然地形最陡方向剖面。

（2）地下靜水壓力取值

6#山梁地區天然地下水位基本上處于強風化、強卸荷帶以下部位，計算分析中采用暴雨條件下的地下靜水壓取值標準采用：取1/5滑塊高度。

（3）地震慣性力

地震工況下地震慣性力按擬靜力法計算，僅考慮水平向地震作用。取100年超越概率10%水平峰值加速度a水平=0.169g，地震效應折減系數ζ=0.25,動態分布系數ai=1.875，相應的水平地震力綜合系數取值為Kh=0.08。

（4）計算工況及安全系數控制標準

6#山梁綜合治理措施考慮一次到位實施，避免二次上山不考慮分期進行，因而計算分析考慮正常運行、地震和泄洪工況，其中壩頂公路以下邊坡將結合導流洞出口開挖、泄洪霧化保護等，下一步作綜合治理研究，故本次計算無泄洪工況。本區域距工程主體拱壩尚有一定距離，壩頂公路以上邊坡又接近天然邊坡，安全等級按低于主體工程邊坡考慮，取為二級邊坡，各工況對應的平面穩定安全系數控制標準見表二。

表二邊坡平面穩定計算最小安全系數控制標準

平面穩定計算工況

正常運行

泄洪霧化

運行地震

安全系數控制標準

1.20

1.12

1.03

4.4平面穩定分析計算成果

根據初步推測的地質剖面與初擬地質物理力學參數進行了初步分析計算，各剖面相應位置滑塊平面穩定計算安全系數及所需錨固力計算成果見表三。

表三壩頂公路以上邊坡控制性滑塊平面穩定計算安全系數成果表

項目

干坡核算

計算工況

所需

錨固力

（t/m）

剖面序號

滑塊位置

無水干坡

正常運行

運行地震

1

EL.1425m～EL.1320m

現狀體型

1.14

1.06

0.94

150

清坡體型

1.42

1.30

1.11

2

EL.1440m～EL.1295m

現狀體型

1.05

0.97

0.85

600

清坡體型

1.16

1.06

0.93

290

3

EL.1520m～EL.1425m

1.03

0.93

0.85

500

EL.1320m～EL.1265m

2.03

1.93

1.72

4

EL.1515m～EL.1410m

1.58

1.50

1.37

EL.1360m～EL.1230m

1.57

1.46

1.29

5邊坡穩定性評價

從表三可以看出，目前現狀條件下導流出口壩頂公路以上邊坡的穩定程度以2剖面最差，1剖面次之，3剖面稍好，4剖面處于整體穩定狀態；控制性強風化、強卸荷滑動層的厚度一般不超過20m。

從高程分布來看，高線便道以上塌方體陡壁部位因坡度因素控制，3剖面滑塊的安全系數最低，干邊坡狀態為1.03，正常狀態為0.93，基本處于臨界失穩狀態，與目前現狀估計是吻合的；4剖面塌方體陡壁部位在剖面方向上處于整體穩定狀態。剖面顯示，本區（

Ⅰ-2亞區）塌方體陡壁邊坡與后部天然山坡相連，不宜開挖也缺乏壓坡條件，是預應力錨固鎖口處理的重點區域。高線便道至壩頂公路間邊坡穩定性好于塌方體陡壁部位，3、4剖面整體穩定，但剖面顯示，該區（Ⅱ-3亞區）淺表層為松散堆積物，邊坡局部存在圓弧破壞和塌滑破壞，若清除山坳內的松散堆積物，將增大其兩側山坡的側向臨空程度，故在坡腳（壩頂公路）處設樁板墻擋護更能確保邊坡穩定。1、2剖面干邊坡安全系數在1.05～1.14之間，正常狀態為0.97～1.06之間，處于臨界穩定狀態，需采用工程措施提高其穩定程度。剖面顯示，本區（Ⅰ-1亞區、Ⅱ-1亞區、Ⅱ-2亞區）坡形有相對凸出現象，并存在薄層浮渣和全風化巖體分布，強卸荷巖體在坡形凸出部位一般不超過10m，具備清坡條件。

6綜合治理設計原則和工程措施

6.1綜合治理設計原則

由于6#山梁地段山坡陡峻，地質結構較為復雜，巖體風化、卸荷深度較大，天然山坡的穩定性較差。因樞紐總體布置的需要不可避免地要對6#山梁的岸坡進行一些工程開挖，根據各工程開挖的具體情況并本著安全、經濟、合理的原則，確定6#山梁壩頂公路以上邊坡設計思路如下：

（1）工程布置盡可能地避免明挖，公路用隧洞通過，盡量減少對山坡的擾動。

（2）以排水措施作為提高山坡總體安全度的基本手段，采取清坡、減載、支擋、錨固、護坡相結合的綜合措施進行全面治理。

（3）對邊坡上已出現的不穩定體，采取預應力錨索加固。

（4）對于開口線以外的浮石、危石，可用主動和被動網防護。

（5）加強安全監測，并根據施工過程中揭示的地質條件，及時調整和優化設計。

6.2工程措施

根據地形、地質條件和工程布置、邊坡穩定條件和計算結果等情況，將6#山梁地段的邊坡分為三個區（Ⅰ區：高線便道以上邊坡；Ⅱ區：高線便道至壩頂公路間邊坡；Ⅲ區：壩頂公路以下邊坡。）和若干亞區，具體見附圖。其中壩頂公路以下邊坡（Ⅲ區）將結合導流洞出口開挖、泄洪霧化保護等，下一步作綜合治理研究。

6.2.1排水

6#山梁采用以地下排水為主，地表排水為鋪的綜合排水措施，盡可能降低邊坡巖體中的地下水位，減少滲水壓力，以改善邊坡穩定條件，提高邊坡穩定性。

（1）地下排水系統

在1310m高程設置一層地下排水洞，且利用高線公路隧洞在1380m高程增設一條排水支洞。排水洞內均鉆設排水孔。

排水孔在松散體、斷層破碎帶或土層等特殊部位用反濾透水管作特殊處理，透水管選用HMY-95K塑料盲溝管，外包土工布200g/m2，其長度應貫穿破碎帶，端部用土工布封扎。

（2）地表排水

為減少降雨和泄洪雨霧的入滲量，充分發揮地下排水系統的疏排效果，加強了邊坡表層的排水系統。

6.2.2邊坡加固支護措施

根據以上計算成果和分析判斷，6#山梁壩頂公路以上部位邊坡采用清坡、減載、支擋、錨固、護坡相結合的綜合措施進行全面治理。

（1）Ⅰ-1亞區

a.盡量清除邊坡表部附近部位呈干砌塊石狀的和山坡表層顯著變形錯位的強卸荷巖體，理順坡形。

b.Ⅰ-1區清坡前，先在清坡開口線以上設置兩排1000kN級預應力錨索鎖口；清坡后，在清坡范圍開口線以下設置三排1000kN級預應力錨索；其它部位根據需要設置隨機預應力錨索。

c.6#山梁上游側現高線隧洞出口的洞臉擋墻考慮有一定高度并在其上設置防護網，以攔擋滾石和F5溝內可能發生的局部塌方體。

（2）Ⅰ-2亞區

目前，6#山梁下游側邊坡塌方段范圍EL.1450m以下已布設有1000kN級預應力錨索；根據計算分析判斷，對EL.1450m以上陡壁部位增加1000kN級系統預應力錨索。

（3）Ⅱ-1亞區和Ⅱ-2亞區

a.清除坡面浮渣、覆蓋層、破碎分離巖體、孤石、危石、變形錯位的表層強卸荷巖體及淺表層全風化巖體。

b.Ⅱ-1區清坡后在EL.1380m附近設置兩排1000kN級預應力錨索；其它部位根據需要設置隨機預應力錨索。

c.Ⅱ-2區“爬石”（三個特定的分離巖體）部位先設置隨機預應力錨索將其錨固，再跳槽清除其下側的破碎巖體，并及時回填混凝土壓腳，最后在回填混凝土部位設置預應力錨索；Ⅱ-2區清坡后在EL.1330m附近設置兩排1000kN級預應力錨索。

Ⅱ-1亞區和Ⅱ-2亞區在壩頂公路邊坡開口線上下均設置兩排1800kN級預應力錨索。

為保證清坡工作安全順利進行，以上清坡各區在壩頂公路、高線便道路面上均設置兩排3Φ32錨筋樁。

（5）Ⅱ-3亞區

a.清除坡面浮渣。

b.在壩頂公路部位的山坳段設置長約100m的錨拉樁板式擋墻,錨拉樁板式擋墻段頂部考慮設置防護網。

以上清坡及塌方表面除Ⅱ-3亞區外均布置系統錨桿并噴混凝土護面,強風化、強卸荷帶及坡、堆積體坡表均掛機編活絡網。

綜合治理設計布置如附圖所示。

7結語

由于缺乏足夠的地勘資料，為滿足施工進度需要，按反演分析估計強度參數指標，通過平面穩定計算及分析判斷，作為治理設計依據，先提出初步設計處理方案。根據設計方案施工準備工作完成，目前已進入具體實施階段。基于巖土工程的復雜性，認識難于與實際完全相符，根據地勘工作和施工過程中揭示的地質條件，將及時作設計優化調整，并完善對Ⅲ區的處理設計方案。