垣曲抽水蓄能电站引水调压井边坡稳定分析

房恩泽,张 腾

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,长春 130021)

1 工程概况

垣曲抽水蓄能电站位于山西运城市垣曲县境内,工程枢纽主要由上水库、下水库、输水系统及地下厂房和开关站等组成。垣曲抽水蓄能电站为Ⅰ等、大(1)型工程,主要水工建筑物为1级建筑物,次要建筑物为3级建筑物,输水系统建筑物级别为1级[1]。

垣曲抽水蓄能电站装机4×300 MW,额定水头 457 m,上下水库进/出水口水平距离约3 060 m,距高比为6.71。输水系统布置在岭沟和麻沟之间的山体内,总体走向由NW247°～NW194°～NW219°～NW236°。输水系统(沿#1机)总长3467.53m。其中引水系统长2357.72m,尾水系统长1109.81m。

枢纽共布置两套独立的输水系统,每套输水系统由引水系统和尾水系统两部分组成,引水、尾水系统均采用一洞两机的布置形式。引水系统由上水库进/出水口及上水库事故闸门井、引水隧洞、引水调压室、压力管道、高压引水岔管及高压引水支管等建筑物构成;尾水系统由尾水支管、尾水事故闸门室、尾水岔管、尾水隧洞、尾水调压室、尾水检修闸门井及下水库进/出水口等建筑物组成。

抽水蓄能电站调压室的作用,主要是满足系统的调节稳定性和电站的快速响应功能。抽水蓄能电站在系统中主要承担调峰填谷、调频调相、事故备用等任务。电站跟踪负荷能力强,事故响应速度快,工况转换频繁。当电站运行工况、出力或入力发生变化时,会引起输水管道内的流量和机组转速的变化。当流量和转速变化频繁或在短时间内发生时,管道末端流速和压力随之急剧变化,在管道内发生水击现象。调压室一方面防止水击压力传入输水隧洞,另一方面改善机组运行条件,前一种作用主要针对输水系统发生的大波动过渡过程,后一种针对负荷小幅变化时输水系统发生的小波动及水力干扰过渡过程。引水调压井是垣曲抽水蓄能电站中重要的配套部位,其边坡稳定对工程建设、安全有重大影响。

2 边坡地形地质条件

2.1 地形地貌

1号、2号引水调压井均位于虎爬山南侧山梁,地形坡度一般30°,梁顶宽度25～45m,其中1号引水调压井地面高程970～1023m,2号引水调压井地面高程850～1044m。

2.2 地层岩性

1)1号引水调压井:覆盖层厚度5～8m,基岩为云梦山组一段弱风化石英砂岩、长石砂岩等。NE向缓倾角层理发育,F30断层距离调压井最近约120m;主要发育NE、NW向陡倾角2组节理。地下水位埋深约150m;岩体多属弱透水,局部属中等透水。

2)2号引水调压井:覆盖层厚度3～6m,基岩为云梦山组一段弱风化石英砂岩、长石砂岩等。NE向缓倾角层理发育,F30断层距离调压井最近约160m;主要发育NE、NW向陡倾角2组节理。地下水位埋深约150m;岩体多属弱透水,局部属中等透水。

2.3 地质构造

砂岩层理发育,产状:走向N30°～31°E,倾向SE,倾角27°～30°,局部33°～37°;F30断层距离调压井最近约160m;主要发育三组节理:

1)J1 :走向N30°E,倾向NW,倾角75°。

2)J2:走向 N40°E,倾向SE,倾角75°。

3)J3:走向N30°W,倾向NE,倾角75°。

2.4 抗震设防烈度

根据《山西省垣曲抽水蓄能电站工程场地地震安全性评价报告》,垣曲抽水蓄能电站工程场地50a超越概率10%的地震动峰值加速度为93gal,相应地震基本烈度为Ⅶ度。

上水库库岸和下水库两岸坝肩边坡工程抗震设防类别为甲类,设计地震加速度代表值取100a超越概率2%,相应的地震动峰值加速度187gal,其他主要建筑物边坡工程抗震设防类别为乙类,设计地震加速度代表值取50a超越概率5%,相应的地震动峰值加速度120gal。

引水调压室边坡为永久性主要建筑物边坡,边坡工程抗震设防类别为乙类,设计地震加速度代表值取50年超越概率5%,相应的地震动峰值加速度120gal。

3 边坡稳定计算

3.1 边坡分析

调压井边坡为层状斜向边坡,属中高边坡,一般开挖高度20～30m,最大开挖坡高约42m,坡积碎石土、全风化层坡比为1∶1.5,强风化开挖坡比为1∶1,弱风化开挖坡比为1∶0.75。覆盖层厚度5～8m,强风化层一般2～10m,下部为弱风化岩体,主要为互层状结构。

J1与洞脸边坡大角度相交,且为陡倾角节理,对边坡稳定影响不大,J2与洞脸边坡小角度相交,且倾向坡外,但J2为陡倾角节理,对边坡整体稳定影响不大,局部可能有少量不稳定块体,通过削坡与支护措施可保持稳定。

该区域砂岩发育,层理走向与边坡小角度相交,因此砂岩层理对边坡稳定不利,J1与边坡小角度相交,但倾向山里,因此对边坡稳定无影响,J2与边坡小角度相交,且倾向坡外,对边坡稳定不利,J3走向基本垂直于边坡,且为陡倾角节理,对边坡稳定无影响,J2为陡倾角节理,因此其与砂岩组合将产生不稳定滑块,因此需对引水调压井边坡进行稳定计算[2]。

3.2 计算方法

根据根据NB / T 10512-2021《水电工程边坡设计规范》规定,边坡稳定分析的基本方法应采用极限平衡分析方法,并采用单一安全系数法进行评价。对于Ⅰ级、Ⅱ级的高边坡、特高边坡及超高边坡,宜采取 2 种或 2种以上的计算分析方法。

垣曲抽水蓄能电站引水调压井边坡稳定采用极限平衡分析方法,由于该边坡为Ⅰ级,采用两种方法计算,同时考虑该边坡非常重要,因此采用极限平衡法的下限解法进行抗滑稳定计算,分别采用摩根斯坦-普莱斯法及毕肖普法计算,边坡抗震稳定计算可采用拟静力法,计算程序采用加拿大 GEO-SLOPE 公司 GeoStudio 系列软件。

GeoStudio系列软件是一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件,可供岩土、水利、地质工程等专业从事工程设计和数值计算。SLOPE/W模块是计算岩土边坡安全系数的主流软件。它能同时用8种方法分析计算简单或复杂的边坡稳定问题,用于对简单或者复杂滑移面的形状改变,孔隙水压力状况,土体性质,不同加载方式等岩土工作问题进行分析。SLOPE/W 模块使用极限平衡原理对不同土体类型、复杂地层和滑移面形状边坡的孔隙水压力分布情况进行建模分析。

3.2 计算工况

根据NB / T 10512-2021《水电工程边坡设计规范》规定,并结合引水调压井边坡边坡的特点,综合考虑,计算选取3个相对不利工况进行稳定复核计算:

1)工况1:正常运行工况(持久状况)。

2)工况2:施工期+遇暴雨(短暂工况)。

3)工况3:正常运行工况+地震(偶然状况)。

3.3 计算参数

稳定分析采用的岩土体与结构面物理力学参数见表1。

表1 边坡岩体的物理力学参数表

3.4 边坡稳定计算

引水调压井有2个,分别为#1引水调压井,#2引水调压井,挑选 2 个典型剖面,即最大坡高边坡,坡高分别为42m,35m。采用 GeoStudio 软件SLOPE/W 模块进行分析计算,#1引水调压井,#2引水调压井地下水埋藏较深,在边坡坡脚之下,因此持久状况和偶然状况不考虑地下水对边坡的影响,仅在施工期考虑地下水对边坡影响,施工期边坡截排水措施未完全建立,存在排水不及时情况,边坡遇暴雨时,边坡受雨水影响,因此施工期遇暴雨工况应考虑地下水对边坡影响。

计算结果如表2显示,#1引水调压井、#2引水调压井边坡摩根斯坦-普莱斯法及毕肖普法方法均大于规范要求的安全系数,#1引水调压井、#2引水调压井边坡开挖边坡整体稳定,开挖坡比设计合理,满足引水调压井安全使用要求[3]。

表2 引水调压井边坡开挖稳定分析成果表

分析计算结果,#1引水调压井、#2引水调压井边坡在持久状况下安全系数较高,施工期+遇暴雨(短暂工况),正常运行工况+地震(偶然状况)两种工况安全系数与之相比较低,这表明,暴雨及地震荷载对边坡安全系数影响较大,因此应做好边坡截排水工程措施,并加强支护以保证边坡安全。

根据枢纽区边坡工程分析成果:地震作用(偶然设计工况)下枢纽区自然边坡和开挖后工程边坡的稳定性均较好,能够满足规范设计要求。根据边坡分析成果和认识,并参考国内边坡工程的抗震实践经验,对枢纽区边坡采取以下综合工程措施:

1)坡面砂浆锚杆:考虑到边坡开挖后将导致岩体的卸荷松弛和风化加剧,为提高坡面岩体的完整性,在开挖坡面布置系统或随机砂浆锚杆,系统锚杆选用Φ25,L=4.5m和Φ28、L=6.0m,间距2×2m;随机锚杆选用Φ25,L=6.0m和Φ28、L=9.0m;锚杆垂直坡面梅花形布置。必要时可采用自进式锚杆代替砂浆锚杆,系统锚杆与挂网钢筋焊接成整体。

2)坡面防护:岩质边坡喷C25 混凝土厚15cm,局部考虑挂Φ8@20×20cm钢筋网。土质边坡采用水土保持植物措施防护。

3)坡面排水:整个开挖坡面布置系统排水孔,分为浅排水孔和深排水孔两种类型:浅排水孔孔径φ65mm,间距4×4m,孔深5m;每级边坡坡面靠近马道处(马道以上1.5m)设一排深排水孔φ90mm,间距4m,孔深10m,两种排水孔均仰倾角5°～10°布置,排水孔视边坡岩体质量是否设滤管。在各级马道设置排水沟,并设置跌水槽连接。

4 结 语

1)采用GeoStudio软件进行边坡稳定计算,对垣曲抽水蓄能电站引水调压室边坡进行各个工况计算,计算结果均满足规范要求,开挖边坡整体稳定,开挖坡比设计合理。

2)地震荷载作用于边坡时,可能会引起边坡表面滑动,参考国内边坡工程的抗震实践经验,引水调压井边坡采取坡面支护措施,以加强表面防护,保证坡面的稳定。

3)垣曲地区地质条件复杂,边坡稳定影响因素较多,根据计算结果显示,暴雨等工况下,边坡安全系数较低,边坡稳定分析中的水位降落工况,较为复杂,因此应及时做好边坡截排水措施,并注重边坡表面水土流失防护,并及时监测边坡排水情况,这样才能更全面地分析该地区边坡稳定情况。

4)边坡稳定计算参数对结果影响较大,施工阶段宜通过现场试验确定参数合理性,根据现场试验参数成果调整前期开挖边坡及支护形式。