大寨河一级电站边坡稳定性计算与防治

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　　【摘要】：本文论述了大寨河一级电站沉砂池边坡的特征，采用刚体极限平衡法对边坡进行数值仿真分析，评价边坡在天然与开挖无支护、加支护及电站正常运行等工况下的稳定性分析及评价，并对各典型剖面进行加固措施研究和支护方案设计，使边坡治理更趋科学合理。
　　【关键词】：大寨河一级水电站 沉砂池边坡 计算模型 地质参数 稳定性计算 防治方案
　　1工程概况
　　大寨河一级水电站位于云南省临沧市大寨镇，坝段左岸岸坡地形上缓上陡，坡度平均约为34°，上覆第四系崩坡积粉土夹大量孤碎石、块石，厚5m～8m；下伏地层为印支期全、强风化黑云母二长花岗岩，中粒结构，岩石成分较为复杂，动力作用明显，溶蚀、包裹及各种变余结构、构造和残留体发育。风化深度较深，全风化土层发育深度在20m以上。
　　电站左坝肩和沉砂池边坡高约35米，由于边坡土具高压缩性且有地下水出露，边坡稳定性较差。边坡在开挖时由于堆积土体应力释放，临空面产生多级裂缝并产生了滑动。初步分析其失稳成因机制:（1）、原边坡设计的开挖坡比为下1：0.5上1：0.75，偏陡，远小于边坡土体自稳休止角，不能满足工程实际；（2）边坡在未开挖扰动时处于极限平衡状态，开挖时临空面加大，受压土体收缩，甚至在水与土压作用下产生流变，边坡沿该层土体剪出，前缘局部塌滑，并形成上部发生裂缝，土体产生牵引式变形、蠕滑和倾覆。
　　边坡的稳定性及其施工加固处理方案对工程而言至关重要，本文运用专业软件就施工期、运行期及地震作用等多种复杂工况对沉砂池边坡二维典型剖面的稳定性进行分析，评价边坡静力工况下的稳定安全度及建议支护方案的效果。
　　2计算基本原理
　　计算分析方法采用刚体极限平衡法对电站沉砂池边坡进行数值仿真分析，评价边坡的稳定性及加固方案的合理性。刚体极限平衡分析法是岩土工程中分析边坡稳定所用到的最广泛的一种方法，其基本思路是：假定岩土体的破坏是由于滑体内滑面上发生滑动而造成的，滑动体被看成是刚体，不考虑其变形，滑面上岩土体处于极限平衡状态，并满足摩尔―库伦准则。滑面的形状可以为平面、圆弧面、对数螺旋面或其它不规则面，然后通过由滑裂面形成的隔离体的经历平衡方程，确定沿滑裂面滑动的可能性大小，即该滑裂面上安全系数Fs的大小。假定不同的滑裂面就可以得到不同的安全系数值，其中安全系数Fs值最小的滑面就是最危险滑动面，其对应的安全系数值即为该边坡稳定的安全系数值。毕肖普法为边坡稳定分析常用的方法之一。
　　根据摩尔－库伦条件应有
　　（2-1）
　　由每一土条竖向力的平衡得
　　（2-2）
　　联合两式：得出
　　 （2-3）
　　
　　按滑动体对圆心的力矩平衡
　　
　　可有
　　 （2-4）
　　上式右端的Ni需要按式（2-3）进行计算。由于公式两端均含有Kc，故需要迭代求解。
　　3计算参数及计算工况确定
　　3.1计算参数及控制标准
　　在静动力计算中，边坡岩（土）体均采用弹塑性模型，岩土体物理力学参数为在地质专业提出的基础上进行反演所得，见表1。
　　表1岩土体物理力学计算参数
　　岩(土)体 变形模量 泊松比 渗透系数
　　(cm/s) 容重(g/cm3) 粘聚力(KPa) 内摩擦角(°)
　　 天然 饱和 天然 饱和 天然 饱和
　　崩坡积层 20MPa 0.375 2×10-3 1.75 1.85 15 11 25 24
　　冲洪积层 40MPa 0.345 3×10-2 2 2 0 0 25 25
　　全风化花岗岩 20MPa 0.36 1.6×10-3 1.75 1.90 20 13 26.5 25
　　强风化花岗岩 0.5-2GPa 0.28 7×10-4 2.50 2.60 250 150 35.0 33.5
　　弱风化花岗岩 2-5GPa 0.24 8×10-5 2.60 2.65 550 350 42.0 40.0
　　碾压回填碎石土
　　（93%以上压实度） 2.1 2.2 65 50 30 28
　　大寨河一级水电站工程等别为Ⅳ等小⑴型工程，根据《水利水电工程边坡设计规范》（DL/T 5353-2006）规定边坡稳定分析应区分不同的荷载效应组合或运用状况，其设计安全系数应不低于规范规定的数值。根据规范，本工程边坡属于A类枢纽工程区边坡，其级别为Ⅲ级，因此，持久工况下设计安全系数应不低于1.15～1.05，计算时采用1.08，短暂工况下安全系数不低于1.10～1.05，计算时采用1.05，偶然工况下安全系数应不低于1.00。
　　3.2计算荷载及计算工况
　　边坡设计需考虑的荷载包括自重、岸边外水压力、地下水压力、加固力、地震作用等。
　　（1）岩（土）体的自重作用：①在地下水位以上时，岩土体的自重采用天然重度；在地下水位以下时，则应根据计算方法正确选择。②坡体上的建筑物，包括加固治理结构物，应作为坡体自重计。根据典型剖面的地质剖面图，在这种地形和构造条件下，构造应力是很难集中的，而且根据初始地应力场反演的回归分析可以知道该区域内构造应力的量值较低。鉴于此，模型计算时只考虑了自重应力。（2）地下水作用：边坡各部位孔隙水、裂隙水或层间承压水的压力应根据水文地质资料和地下水位长期观测资料确定。采用地下水最高水位作为持久状态水位。（3）加固力：加固力指采用加固结构将不稳定岩体（或潜在不稳定岩体，下同）固定到滑动面以下稳定岩体的力。（4）地震作用：电站挡水建筑物为四级，50年超越概率10%的场地地表峰值加速度为0.15g，相应地震基本烈度为Ⅶ度。
　　4计算模型建立
　　结合边坡地质条件，选取典型剖面进行边坡稳定研究。根据边坡地质特征及岩土体分层情况，选取冲坡积层、崩坡积层、下伏基岩的全、强、弱风化程度作为分区边界建立软件二维刚体极限平衡法计算模型，Slide提供模型的基本框架并将模型的左右边界和底边界设置为约束边界。针对选取典型剖面采用软件Slide进行边坡稳定性分析。
　　5基于当前开挖状态下边坡稳定性分析
　　基于表1的岩（土）体物理力学参数，运用专业岩土分析软件Rocscience Slide校核当前开挖状态下边坡典型剖面的稳定性。图1给出了Bishop法的计算结果。
　　从图1在当前开挖状态下典型剖面稳定性分析示意图可以看出，边坡稳定的安全系数为0.985，根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范DZT0219-2006》规定，安全系数介于0.95～1.00之间，边坡处于整体变形～滑动的区间内，此时的边坡出现裂缝到滑动的临界状态下，并且滑弧的位置与实际边坡滑动的位置相似，因此，反演的结果和实际较为相符。
　　
　　图1当前开挖状态下典型边坡剖面稳定计算图
　　6重新开挖后边坡在无支护工况下稳定性分析
　　在提出建议支护方案之前，需要对重新开挖后边坡（未施加支护措施）的稳定性有一个大概了解，求解典型剖面开挖后（无支护）的安全系数，以便于支护方案的设计。
　　根据现场实际条件，边坡在1391m～1401m间拟按1:1开挖，1401m～1411m之间的开挖坡比为1:1.25，1411m高程以上边坡的开挖坡比也为1:1.25，开挖无支护计算成果见图2。
　　开挖后未采取支护措施的边坡安全系数为0.923，小于施工期安全系数允许值1.05。边坡的剪出面较低，和沉砂池底板开挖高程基本一致，滑弧基本穿过坡积层和全风化层。在施工过程中极易发生滑坡现象，开挖过程中必须采取合理的支护措施。

　　7建议支护方案下边坡稳定性分析
　　基于提出的岩土体物理力学参数，针对典型剖面进行建议支护方案下的边坡稳定性分析。重点研究施工期以及运行期下的边坡稳定性，验算是否符合边坡稳定要求，同时对典型剖面提出最优建议支护方案。
　　建议支护方案：边坡挂网喷护C20砼厚15cm；在1411m～1421m边坡上布设两排100吨级预应力锚索（锚索间距4米，排距4米），在1401m～1411m间布设5排长锚杆，长度为9m，桩距2.0m，排距2.0m，采用φ25钢筋。在实际边坡治理中，锚筋桩端头设置锚拉板，预应力锚索端头设置网格梁，这些措施均作为安全裕度考虑，计算模型中不予以考虑。计算结果见图3，推测最危险滑动面位置在河边剪出。
　　从图3建议支护方案下典型剖面稳定性分析示意图可以看出，边坡稳定的安全系数为1.058，符合短暂工况下安全系数不低于1.10～1.05的要求，能满足施工期的稳定。
　　
　　图2施工期无支护边坡稳定计算图
　　
　　图3建议支护方案工况下边坡稳定计算图
　　8正常运行期边坡稳定性分析
　　8.1正常运行期稳定性分析
　　边坡按建议支护方案完成边坡治理后下挖至沉砂池建基面且待沉砂池建筑物浇筑完成后，在沉砂池的混凝土边墙与坡脚间回填石渣（93%压实度）至上坝公路。计算结果见图4，从图4稳定性分析示意图看出，边坡稳定的安全系数为1.211，符合持久工况下设计安全系数应不低于1.15～1.05的要求。
　　
　　图4 运行期边坡稳定计算图
　　8.2地震工况下稳定性分析
　　电站挡水建筑物为四级，50年超越概率10%的场地地表峰值加速度为0.15g，相应地震基本烈度为Ⅶ度。运行期如遇地震，其计算结果见图5，从图5稳定性分析示意图看出，边坡稳定的安全系数为1.123，符合地震工况下的安全的要求。
　　
　　图5 地震工况下边坡稳定计算图
　　9结论
　　在建议采取建议用锚索、锚筋桩、网格梁支护方案下，电站沉砂池边坡典型剖面在不同工况下基于Bishop法得到的安全系数均大于规范规定的允许值，能满足边坡稳定要求，故建议支护方案是合理可行的。
　　
　　参考文献
　　[1]《大寨河一级电站工程地质勘察报告》 庞崇林等 中水十四局勘察设计院 2007年11月
　　[2]《大寨河一级电站沉砂池边坡处理报告》 庞崇林、项国松等中水十四局勘察设计院2010年12月
　　[3]《水电水利工程边坡工程地质勘察技术规程》DZ/T5337-2006
　　[4]《水电水利工程边坡设计规范》DZ/T5353-2006
　　
　　作者简介：
　　作者简介：赵德章（1973-），男，云南景东人，工程师，从事岩土地质勘察与安全监测设计方向。
　　何艳红（1972-），女，云南宜良人，学士，工程师，从事岩土地质勘察与施工管理。 庞崇林（1974-），男，广西博白人，学士，高级工程师，主要从事岩土工程勘察与水工建筑物设计工作。
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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