周宁抽水蓄能电站下库左坝头边坡稳定分析及支护调整

王栋良，徐小东，潘 兵，陈冬冬

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州，311122；2.华东勘测设计院（福建）有限公司，福建 福州，350003）

0 引言

周宁抽水蓄能电站位于福建省宁德市周宁县七步镇境内，电站装机容量1 200 MW，为一等大（1）型工程。下水库挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，坝高108 m，其左岸边坡高度约140 m。根据前期PDX06探洞勘探资料，下水库左岸边坡高高程发育f28断层（N35°～45°E SE∠15°～20°，全～强风化碎块岩、碎裂岩夹灰白色断层泥，两侧岩体受断层影响，岩体破碎）、f44断层（N55°～60°E SE∠55°～60°，强风化碎块岩、碎裂岩夹灰白色断层泥，岩体破碎）、f39断层（N25～50°E SE∠55°～70°，岩体破碎，充填碎块岩、岩屑及少量泥，铁锰质渲染，微扭，呈强～弱风化），断层性状如图1～2所示。其中，f28为顺坡缓倾断层，与f39、f44顺坡陡倾角断层组合，可形成潜在不利块体，需进行工程处理，设计在高程305.5 m 以上坡面布置6 排2 000 kN 预应力锚索进行加强支护处理。

图1 坝轴线左坝肩工程地质纵剖面示意图（可研阶段）Fig.1 Longitudinal geological profile of the left abutment (in the feasibility study stage)

根据前期揭露的f44、f39、f28断层产状推测，这三条断层均会在左岸灌浆平洞中揭露，但技施阶段从灌浆平洞、左岸绕坝隧洞开挖揭露的情况来看，仅揭露f39断层，未见f44和f28断层穿过。分析推测：（1）f44断层往上游侧性状转好，断层尖灭为节理状，或被f39等其他结构面切断；（2）根据f28断层出露情况，其产状存在一定起伏，向山体内部倾角变缓，从灌浆平洞及绕坝洞底部穿过。边坡稳定性变好，因此设计对边坡支护形式进行了调整，拟将6排2 000 kN预应力锚索调整为3 排1 000 kN 预应力锚索+3 排锚筋桩。设计对支护调整后的边坡稳定性进行了分析。

图2 左岸灌浆平洞、PDX06探洞布置示意图Fig.2 Layout of grouting holes on the left bank and the PDX06 probe hole

图3 坝轴线左坝肩工程地质纵剖面示意图（技施阶段）Fig.3 Longitudinal geological profile of left abutment (in the construction stage)

1 二维计算模型与初始条件

1.1 数值计算模型

此次数值分析采用强度折减法对边坡的稳定性进行分析，计算程序采用美国ITASCA 公司开发的离散元分析软件UDEC。强度折减方法是在岩土工程的非线性分析过程中，通过降低岩体与结构面强度参数（主要是粘聚力和摩擦角），使系统达到极限平衡状态，此时的折减系数就是相应的安全系数，强度trial折减的表达式为：

式中，c和φ分别为粘聚力和摩擦角；Fs为强度折减系数（模型不能达到平衡时的折减系数就是安全系数），ctrial和φtrial分别为折减后岩体（块）或结构面的粘聚力和摩擦角，也即计算过程中的强度参数。

根据揭露地质情况，f44断层并未向下延伸与f28断层组合形成确定性块体，但考虑到左岸NE 向顺坡陡倾优势节理发育，因此计算中按相对不利情况考虑，假设f44断层向下延伸并与f28断层相交，计算模型如图4所示。

图4 坝轴线剖面左岸边坡数值计算模型Fig.4 Numerical model of the slope on the left bank

1.2 岩体本构模型及力学参数取值

各类岩体参数建议取值如表1 所示。岩体本构模型采用Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型，强度准则是传统Mohr-Coulomb 剪切屈服准则与拉伸屈服准则相结合的复合屈服准则。

表1 岩体物理力学参数取值表Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

1.3 岩体结构面本构模型与参数取值

表2中为综合拟定的结构面力学参数建议值，结构面参数取地质建议值中值，结构面的破坏准则选用库仑剪切强度准则。

表2 结构面物理力学参数地质建议值Table 2 Physical and mechanical parameters of structural plane

1.4 计算工况及边坡稳定安全标准

根据DL/T 5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》，周宁抽水蓄能电站下水库边坡级别为A类I级，边坡设计安全系数取值见表3。

表3 周宁抽水蓄能电站下水库边坡稳定安全标准Table 3 Safety criteria for slope stability

根据DL/T 5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》，在地震基本烈度为VII 度及VII 度以上的地区，应计算地震作用力的影响。本工程坝址区地震基本烈度为VI 度，可不考虑地震作用力对边坡稳定的影响。

稳定分析分为自然边坡、边坡开挖施工期和永久运行期，计算工况及荷载组合如表4所示。施工期组合块体基本在地下水位线以上，为简化计算，不考虑地下水的影响，而运行期块体有一部分在正常蓄水位以下，其中f28断层基本在水位线以下，因此计算中需要考虑水荷载的影响。降雨对边坡影响主要包括两个方面：一是引起地下水位上升，裂隙充水、孔隙水压力增高；二是降低岩体和结构面强度。由于降雨条件下地下水位上升幅度影响因素较多，难以确定，因此本次计算中暴雨工况按岩体和结构面参数折减0.9倍等效考虑。

表4 边坡稳定性计算工况组合表Table 4 Working conditions in the slope stability calculation

2 边坡稳定分析成果

2.1 开挖施工期边坡稳定性分析

施工期工程开挖边坡变形破坏模式与自然边坡一致，仍主要是受f28、f44断层控制，沿结构面发生复合式滑移破坏，其中f28断层为控制性底滑面，如图5 所示。各工况下组合块体安全系数见表5，受边坡开挖影响，组合块体安全系数有一定程度降低，在优化后支护方案中，持久工况组合块体安全系数为1.54，短暂工况安全系数为1.38，均满足规范要求的最低安全系数标准，并具备一定安全裕度。

表5 施工期边坡稳定性计算成果（坝轴线剖面）Table 5 Results of slope stability calculation during construction

图5 施工期工程开挖边坡变形破坏模式Fig.5 Deformation and failure mode of the slope during con⁃struction

2.2 运行期蓄水状态下边坡稳定性分析

运行期蓄水状态下边坡稳定仍主要受f28和f44断层控制，如图6 所示，蓄水会在一定程度上降低f28和f44断层组合块体的安全系数，持久工况下组合块体安全系数为1.35，短暂工况下安全系数为1.29，仍能满足规范要求的最低安全系数标准，并具备一定的安全裕度。

图6 运行期蓄水状态下工程边坡变形破坏模式及安全系数Fig.6 Deformation and failure mode and safety factor of slope in operation period

3 最终采取的支护型式

根据计算分析，拟采用的支护参数满足稳定需求，具体支护参数如下：

（1）边坡上部布置三排1 000 kN、L=30 m/40 m无粘结型预应力锚索，具体布置高程为327.5 m、323.50 m和319.50 m，间距4.0 m，下倾8°。

（4）挂网喷混凝土：挂网筋φ8@20 cm×20 cm，喷C25混凝土，厚15×cm。

（5）系统排水孔：φ59排水孔，L=5 m@3 m×3 m，矩形布置；马道上部50 cm布置一排深排水孔，φ100，L=10 m@9 m，仰角5°。

图7 技施阶段最终采用的支护措施Fig.7 The supporting measures adopted in the construction stage

4 结论与建议

根据开挖揭露的地质情况，对下水库左坝头边坡稳定性进行分析，并复核当前优化支护方案的合理性，主要结论和建议如下：

（1）边坡稳定性及支护设计参数调整的主要认识：数值计算表明，左坝头边坡305.5 m高程以上支护设计参数优化调整后，按地质建议的结构面参数中值，施工期及运行期各工况下，f44和f28断层组合块体安全系数仍能够满足规范要求，并具有一定安全裕度，即优化后的支护方案整体是合适的。

（2）考虑到组合块体安全系数对结构面参数取值较敏感，而结构面参数取值仍有一定不确定性，开挖边坡应埋设相关监测仪器，为后续边坡稳定性评价提供数据支撑。