叶巴滩水电站开关站边坡稳定性分析与支护设计

2020-09-23 07:17张志军何建华幸享林

水电站设计 2020年3期

张志军，何建华，幸享林

(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

叶巴滩水电站是一座以发电为主要任务的大型水利水电枢纽工程，是金沙江上游规划13级开发方案中的第7级，电站装机6台，装机容量2 240 MW(含200 MW泄放生态流量机组容量)，年发电量(联合运行)103.17亿kW·h，为一等大(Ⅰ)型工程，主要建筑物为Ⅰ级建筑物。电站采用右岸首部式地下厂房布置方案，工程出线等级为500 kV，5回送出。地面开关站与大坝右岸缆机布置在同一平台，均位于3 000 m高程，开关站平行布置于右岸缆机平台内侧，边坡后缘开口线高程约3 115 m，分为正向边坡和上游侧坡，边坡开挖高度约为115 m。

本文基于现有的工程地质资料，分析了该边坡的失稳模式，并对不同工况下边坡的整体稳定性及局部块体稳定性进行了计算分析，结合现场实际地质条件及工程经验，提出了边坡的支护方案。开关站边坡典型剖面示意如图1所示。

1 工程地质条件

工程区岸坡陡峻，地面开关站和布置于右岸山顶3 000 m高程平台，位于大坝右岸缆机平台内侧，平台长185 m，宽35 m。其中，开关站平台宽24 m，外侧右岸缆机平台宽11 m。边坡后缘开口线高程3 115 m，分为正向边坡和上游侧坡，正向边坡坡向S4.5° E～S21°W，上游坡向N85.5° E。

开关站平台及缆机平台水平开挖深度为50～80 m，岩体弱上风化、强卸荷，卸荷裂隙发育，岩体较松弛～松弛，较破碎，为Ⅳ类岩体。开关站开挖边坡以弱上风化、强卸荷的Ⅳ类岩体为主。1号卸荷拉裂岩体发育于平台内上游部位。

图1 开关站边坡典型剖面(单位：m)

勘探揭示开关站平台与开挖边坡发育的主要断层见表1。此外边坡内还发育大量小断层，前期勘探无法全面揭露，需根据施工开挖揭示情况进行动态分析。主要有J1、J2、J3、J4等4组优势节理裂隙；缓倾节理裂隙发育程度较弱，主要有J5-1、J5-3等2个方向；此外局部发育J8组节理裂隙。

2 边坡开挖方案

由于开关站边坡岩体均为IV类围岩，且边坡为永久边坡，其稳定开挖坡比为1:1，本阶段根据地质条件，结合工程类比，为了降低边坡的开挖高度，拟定开关站边坡开挖坡比为1:0.5，每30 m设一马道，宽3.0 m，下游侧边坡3 060 m高程处马道处布置消防水池，马道开挖宽度为5.5 m。开挖边坡平均高度约70 m，最高约115 m。边坡主要有2个方向，正向边坡和上游侧坡，正向边坡方位为N4.5°W，上游侧坡的方位为N21.14°E。

表1 右坝肩开关站平台(缆机平台)及开挖边坡出露主要构造汇总

3 边坡稳定性分析

3.1 边坡等级、计算工况与安全系数

叶巴滩电站为一等大(Ⅰ)型工程，开关站及右岸缆机平台的安全级别为Ⅰ级，根据《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T5353-2006)确定开关站及缆机平台边坡的安全级别，计算工况、边坡上的作用组合及设计安全系数见表2。

表2 计算工况、作用组合及安全系数

3.2 滑动模式及不稳定块体组合分析

前期勘探揭示的地质条件表明边坡整体稳定性较好，无特定的断层或结构面作为滑移面，可能存在断层与裂隙组合形成的块体。

开关站上游侧边坡主要发育F3、f77等断层。F3等结构面切脚后顺坡倾外，此外与开挖边坡上游侧坡平行的J1组节理切脚后顺坡倾外，上游侧开挖边坡稳定性总体较差。首先按以下模式对边坡稳定性作计算分析：①顺坡向的J1组方向的节理(或随机小断层)构成的单面滑移；②沿强卸荷岩体搜索滑面。

此外可构成的滑移块体组合模式主要有：

RK1。断层F3与f 77组合，以NE向陡倾节理J1作为后缘切割面，可构成确定性的楔形滑移块体(见图2～3)，交棱线在3 020 m高程一带切出地表，交棱线倾向S40°～45°W，倾角20°～25°。楔形块体分布在高程3 020～3 060 m之间。F3为B5型，f77为B3型，断层性状较差，块体稳定性较差。

图2 F3与f77组合块体赤平投影

图3 F3与J3组合块体赤平投影

断层F3与NW向陡倾节理J3组合可构成楔形滑移块体，交棱线倾向S50°～55°E，倾角10°～15°，F3为B5型，交棱线倾角较缓，块体稳定性较好。

此外，受近EW向的随机小断层或节理J1控制，可形成单面滑移块体。滑移面走向与开挖边坡近平行，延伸较长，倾角较陡，开挖切脚后对边坡稳定不利，开挖边坡稳定性总体较差，建议开挖边坡作系统支护处理。

开关站正向边坡主要发育F4、f 26、f 27、f 92、f 93、f 94、f 95、f 96、 f 32-2、f 32-3、f 34-1、f 34-4等断层。未见中缓倾顺坡向倾坡外的贯通性结构面发育。首先按以下模式对边坡稳定性作计算分析：①顺坡向的J4组节理构成的单面滑移；②沿强卸荷岩体内部或底界搜索滑面。此外可构成的滑移块体组合模式主要为以下几组：

RK2。断层f 29与f 94组合，以NE向陡倾节理J1作为后缘切割面，可构成确定性的楔形滑移块体(见图4)，交棱线在3 040 m高程一带切出地表，交棱线倾向S55°～60°E，倾角20°～25°。楔形块体分布在高程3 040～3 100 m之间。f 29为B4型，f 94为B3型，断层性状较差，块体稳定性较差。

图4 f29与f94组合块体赤平投影

RK3。断层f 29(或f 34-4)与f 34-1组合，以NE向陡倾节理J1作为后缘切割面，可构成确定性的楔形滑移块体(见图5)，交棱线在3 030 m高程一带切出地表，交棱线倾向S50°～55°E，倾角10°～15°。楔形块体分布在高程3 030～3 070 m之间。f 29为B4型(f 34-4为B1型)，f 34-1为B1型，断层性状较差，块体交棱线倾角较缓，块体稳定性较好。

图5 f29与f34-1组合块体赤平投影

断层f93与EW向倾下游的节理J1组合，可构成楔形滑移块体，交棱线倾向S65°～70°E，倾角25°～30°，块体稳定性较差。受节理J4控制，以J2、J3作为后缘切割面，可构成随机单面滑移块体。节理J1与J3组合(或随机发育的小断层)，可构成随机楔形滑移块体。随机组合块体规模较小，不利条件下可能滑移、崩塌失稳，应注意施工期安全，建议开挖边坡作系统支护处理。

开挖形成的Ⅳ类岩体边坡，岩体卸荷松弛，由于开挖坡度较陡，坡体稳定性较差，在开口线附近需先进行支护处理，以确保开口线以外边坡稳定，开挖形成的工程边坡需作及时有效处理。

3.3 计算参数选取

地震工况以50年为基准期，超越概率5%的概率水准，相应的地震动峰值加速度为205 gal。

岩体及断层的力学参数见表3～4；另外，结合地质本阶段提供的节理裂隙连通率，对J1、J2、J3和J4组节理裂隙的力学参数进行了加权平均，计算主要选取的参数见表5。

3.4 整体抗滑稳定性分析计算

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法中的下限解法进行控制，采用Bishop simplified和Janbu simplified方法进行计算，计算软件采用Rocscience Slide。

由于开关站及右岸缆机平台边坡(EL 3 000.00 m以上部分)无特定的断层结构面作为滑移面，因此边坡的底滑面是通过程序进行圆弧收索。各工况下计算滑弧示意见图6，计算成果见表6。

表3 岩体的力学参数

表4 岩体结构面力学参数

表5 节理裂隙的力学参数

图6 开关站边坡计算滑弧示意图(底滑面为程序自动搜索)

表6 开关站及右岸缆机平台边坡稳定计算成果(支护前)

根据表6计算结果可以看出，边坡支护前在各工况下，其安全系数均满足规范要求。

3.5 块体稳定性分析计算

根据地质提供资料，共对6组影响边坡稳定性的滑块进行了稳定性计算，计算采用Rocscience Swedge程序。

开关站及缆机平台边坡块体稳定性计算结果如表7所示。从表7可以看出，开关站边坡组合2(RK2)支护前局部块体稳定系数部分工况不满足规范要求，该组合计算模型见图7。

由表7可以看出，部分块体在无支护措施的情况下，偶然工况的稳定性系数不满足规范的要求，需要对边坡施加锚索支护。初拟对边坡施加1 500 kN、L=25 m及2 000 kN、L=30 m@5 m的预应力锚索，对组合2(RK2)进行块体稳定性复核，锚索支护后的该组合各工况稳定系数见表8。由表8可见施加锚索支护后，块体稳定性系数均满足要求。

4 边坡支护设计

根据开关站边坡稳定性计算成果可知，开关站开挖后边坡整体稳定分析均满足规范要求，但块体稳定在部分工况下不能满足规范要求；且由于边坡岩体风化、卸荷强烈，本阶段开关站边坡勘探工作有限，从坝区工程地质条件分析，总体上，本工程地质构造复杂，开关站边坡依然存在潜在的不确定地质构造，以及随机不稳定块体组合，同时考虑到开关站边坡作为永久建筑物边坡，下游部位开关站平台布置有大量的机电设备，为了保证运行期开关站建筑物与设备及运行人员的安全，对边坡采用以下支护措施(开关站正、侧边坡支护示意见图8～9)：