原標題:大寨河一級水電站邊坡穩定性計算與防治
摘要:介紹大寨河一級電站沉砂池邊坡的特征,采用剛體極限平衡法對邊坡進行數值仿真分析,評價邊坡在天然與開挖無支護、加支護及電站正常運行等工況下的穩定性分析及評價,并對各典型剖面進行加固措施研究和支護方案設計,使邊坡治理更趨科學合理。該電站已經發電1年,邊坡穩定,說明邊坡地質參數取值可靠,計算合理。
關鍵詞:大寨河一級水電站;沉砂池邊坡;計算模型;地質參數;穩定性計算;防治方案
1、工程概況
大寨河一級水電站位于云南省臨滄市大寨鎮,壩段左岸岸坡地形上緩下陡,坡度平均約為34°,上覆第四系崩坡積粉土夾大量孤碎石、塊石,厚5~8m;下伏地層為印支期全、強風化黑云母二長花崗巖,中粒結構,巖石成分較為復雜,動力作用明顯,溶蝕、包裹及各種變余結構、構造和殘留體發育。風化深度較深,全風化土層發育深度在20m以上。
電站左壩肩和沉砂池邊坡高約35m,由于邊坡土具高壓縮性且有地下水出露,邊坡穩定性較差。邊坡在開挖時由于堆積土體應力釋放,臨空面產生多級裂縫并產生了滑動。初步分析其失穩成因機制:①原邊坡設計的開挖坡比為下1∶0.5上1∶0.75,偏陡,遠小于邊坡土體自穩休止角,不能滿足工程實際;②邊坡在未開挖擾動時處于極限平衡狀態,開挖時臨空面加大,受壓土體收縮,甚至在水與土壓作用下產生流變,邊坡沿該層土體剪出,前緣局部塌滑,并形成上部發生裂縫,土體產生牽引式變形、蠕滑和傾覆。
邊坡的穩定性及其施工加固處理方案對工程而言至關重要,運用專業軟件就施工期、運行期及地震作用等多種復雜工況對沉砂池邊坡二維典型剖面的穩定性進行分析,評價邊坡靜力工況下的穩定安全度及建議支護方案的效果。
2、計算基本原理
采用剛體極限平衡法對電站沉砂池邊坡進行數值仿真分析,評價邊坡的穩定性及加固方案的合理性。剛體極限平衡分析法是巖土工程中分析邊坡穩定所用到的最廣泛的一種方法,其基本思路是:假定巖土體的破壞是由于滑體內滑面上發生滑動而造成的,滑動體被看成是剛體,不考慮其變形,滑面上巖土體處于極限平衡狀態,并滿足摩爾—庫倫準則。
滑面的形狀可以為平面、圓弧面、對數螺旋面或其它不規則面,然后通過由滑裂面形成隔離體的經歷平衡方程,確定沿滑裂面滑動的可能性大小,即該滑裂面上安全系數Fs的大小。假定不同的滑裂面就可以得到不同的安全系數值,中安全系數Fs值最小的滑面就是最危險滑動面,其對應的安全系數值即為該邊坡穩定的安全系數值。畢肖普法為邊坡穩定分析常用的方法之一。
根據摩爾-庫倫條件
上式右端的Ni需要按式\\(3\\)進行計算。由于公式兩端均含有Kc,故需要迭代求解。
3、計算參數及計算工況確定
3.1計算參數及控制標準
在靜、動力計算中,邊坡巖\\(土\\)體均采用彈塑性模型,巖土體物理力學參數為在地質專業提出的基礎上進行反演所得,見表1。
大寨河一級水電站工程等別為Ⅳ等?、判凸こ?根據DL/T5353-2006《水利水電工程邊坡設計規范》\\)規定邊坡穩定分析應區分不同的荷載效應組合或運用狀況。根據規范,該工程邊坡屬于A類樞紐工程區邊坡,其級別為Ⅲ級,因此,持久工況下設計安全系數應不低于1.05~1.15,計算時采用1.08,短暫工況下安全系數不低于1.05~1.10,計算時采用1.05,偶然工況下安全系數應不低于1.00。
3.2計算荷載及計算工況
邊坡設計荷載包括自重力、岸邊外水壓力、地下水壓力、加固力、地震作用等。
1\\)巖\\(土\\)體的自重力:①在地下水位以上時,巖土體的自重力采用天然容重;在地下水位以下時,則應根據計算方法正確選擇。②坡體上的建筑物,包括加固治理結構物,應作為坡體自重力計。根據典型地質剖面圖,在地形和構造條件下,構造應力很難集中,而且根據初始地應力場反演的回歸分析知道該區域內構造應力的量值較低。鑒于此,模型計算時只考慮了自重應力。
2\\)地下水作用:邊坡各部位孔隙水、裂隙水或層間承壓水的壓力根據水文地質資料和地下水位長期觀測資料確定。采用地下水最高水位作為持久狀態水位。
3\\)加固力:加固力指采用加固結構將不穩定巖體\\(或潛在不穩定巖體,下同\\)固定到滑動面以下穩定巖體的力。
4\\)地震作用:電站擋水建筑物為四級,50年超越概率10%的場地地表峰值加速度為0.15g,相應地震基本烈度為Ⅶ度。
4、計算模型建立
結合邊坡地質條件,選取典型剖面進行邊坡穩定研究。根據邊坡地質特征及巖土體分層情況,選取沖坡積層、崩坡積層、下伏基巖的全、強、弱風化程度作為分區邊界建立軟件二維剛體極限平衡法計算模型,Slide提供模型的基本框架并將模型的左右邊界和底邊界設置為約束邊界。針對選取典型剖面采用軟件Slide進行邊坡穩定性分析。
5、當前開挖狀態下邊坡穩定性分析
基于表1的巖\\(土\\)體物理力學參數,運用專業巖土分析軟件Rocscience Slide校核當前開挖狀態下邊坡典型剖面的穩定性。Bishop法的計算結果見圖1。
從圖1可以看出,邊坡穩定的安全系數為0.985,根據DZT0219-2006《滑坡防治工程設計與施工技術規范》規定,安全系數介于0.95~1.00之間,邊坡處于整體變形~滑動的區間內,此時的邊坡處于裂縫到滑動的臨界狀態,并且滑弧的位置與實際邊坡滑動的位置相似,反演的結果和實際較為相符。
6、重新開挖后邊坡在無支護工況下穩定性分析
在提出建議支護方案之前,需要對重新開挖后邊坡\\(未施加支護措施\\)的穩定性有一個大概了解,求解典型剖面開挖后\\(無支護\\)的安全系數,以便于支護方案的設計。根據現場實際條件,邊坡在高程1391~1401m間擬按∶1開挖,高程1401~1411m之間的開挖坡比為1∶1.25,1411m高程以上邊坡的開挖坡比也為1∶1.25,邊坡開挖后無支護計算成果見圖2。
開挖后未采取支護措施的邊坡安全系數為0.923,小于施工期安全系數允許值1.05。邊坡的剪出面較低,和沉砂池底板開挖高程基本一致,滑弧基本穿過坡積層和全風化層。在施工過程中極易發生滑坡現象,開挖過程中必須采取合理的支護措施。
7、建議支護方案下邊坡穩定性分析
基于提出的巖土體物理力學參數,針對典型剖面進行建議支護方案下的邊坡穩定性分析。重點研究施工期以及運行期的邊坡穩定性,驗算是否符合邊坡穩定要求,同時對典型剖面提出最優建議支護方案。
建議支護方案:邊坡掛網噴護C20混凝土厚15cm;在高程1411~1421m邊坡上布設兩排100t級預應力錨索\\(錨索間距4m,排距4m\\),在1401~1411m間布設5排長錨桿,長度為9m,桿距2.0m,排距2.0m,采用\ue78825鋼筋。在實際邊坡治理中,錨筋樁端頭設置錨拉板,預應力錨索端頭設置網格梁,這些措施均作為安全裕度考慮,計算模型中不予以考慮。計算結果見圖3,推測最危險滑動面位置在河邊剪出。
從圖3可以看出,邊坡穩定的安全系數為1.058,符合短暫工況下安全系數不低于1.10~1.05的要求,能滿足施工期的穩定。
8、正常運行期邊坡穩定性分析
8.1正常運行期穩定性分析邊坡按建議支護方案完成邊坡治理后,沉砂池下挖至建基面,且待沉砂池建筑物澆筑完成后,在沉砂池的混凝土邊墻與坡腳間回填石渣\\(93%壓實度\\)至上壩公路。計算結果見圖4,從穩定性分析看出,邊坡穩定的安全系數為1.211,符合持久工況下設計安全系數應不低于1.15~1.05的要求。
8.2地震工況下穩定性分析電站擋水建筑物為四級,50a超越概率10%的場地地表峰值加速度為0.15g,相應地震基本烈度為Ⅶ度。運行期如遇地震,其計算結果見圖5,從穩定性分析看出,邊坡穩定的安全系數為1.123,符合地震工況下的安全的要求。
9、結論
在采取建議用錨索、錨筋樁、網格梁支護方案下,電站沉砂池邊坡典型剖面在不同工況下基于Bishop法得到的安全系數均大于規范規定的允許值,能滿足邊坡穩定要求,故建議支護方案是合理可行的。按該方案施工后,該電站已經發電1年,邊坡穩定,未出現邊坡失穩現象,說明此邊坡地質參數取值可靠,計算合理。
參考文獻:
[1]DZ/T5337-2006.水電水利工程邊坡工程地質勘察技術規程[S].
[2]DZ/T5353-2006水電水利工程邊坡設計規范[S].
