水电站治理设计分析论文

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1概述

XX水电站6#山梁位于坝址左岸F5断层下游侧地段。在该处山坡布置有高线（EL.1380m）、坝顶（EL.1245m）、中线（EL.1140m）和低线（EL.1000m）四层公路，河床及岸边布置有水垫塘二道坝、下游围堰和导流隧洞出口等水工建筑物，在坝顶公路和高线公路之间（靠瓦斜路沟侧）布置有左岸砂石加工系统。6#山梁的天然山坡及开挖边坡的稳定程度对上述工程运行期特别是施工期的安全影响重大。

2001年9月，在公路开挖爆破过程中引发一定范围的岩体倾倒错落塌滑，在高线公路无法明挖通过的同时，6#山梁塌滑岩体周边仍余留部分危岩，威胁公路和导流洞出口施工及运行安全，并可能制约截流工期；2002年6月，云南澜沧江水电开发有限责任公司邀请国内知名边坡专家到现场踏勘、考察和咨询后，明确对6#山梁必须采取工程措施，确保开挖边坡在施工期的稳定，并提高山坡整体稳定安全度。

2地形地质条件

6#山梁综合治理的平面范围见附图所示。在Ⅲ级断层F5与F23之间，大部分地段基岩裸露，仅局部山坳及冲沟中有第四系堆积物分布。山坡平均坡度约40°，局部地段分布有早期崩塌作用形成的陡壁。现公路开挖形成的边坡形态多呈陡缓转折的阶梯状。

出露地层主要为中深变质岩系及第四系，岩层呈单斜构造横河分布，陡倾上游，主要岩性为黑云花岗片麻岩和角闪斜长片麻岩，它们虽均属坚硬的块状岩石，但后者的抗风化能力相对较弱。第四系堆积层主要为碎石质砂粉土夹块石及块石层和开挖堆渣，高程1200m以上分布较薄，厚度约0.5m~5m。

岩层产状为N70°~85°W,NEÐ65°~85°，主要结构面走向近EW及近SN，倾角多陡立。根据结构面的规模划分，该地段主要分布有F5、F19、F23、F15四条Ⅲ级陡倾断层和两组Ⅳ级陡倾结构面（小断层f和挤压面gm）。普通发育对边坡稳定程度关系较大的Ⅴ级结构面（节理）主要发育三组：①近SN向陡倾节理组（顺河向节理），产状为N0°~10°E，SE∠75°~90°，延伸一般2m~5m，最长可达10余米，间距20cm~50cm，在局部地段分布有宽5m~10m的节理密集带；②NWW向节理组（横河向节理），产状N65°~85°W，NE∠55°~80°，延伸一般1m~3m，间距30cm~50cm；③顺坡向中缓倾角节理组，产状为N20°W~N20°E，SW~NW∠30°~45°，该组节理在微风化~新鲜岩体中相对不发育，延伸较短。

边坡岩体以均匀风化为主，风化层厚度主要受岩性、构造和地形控制。一般在地形凸出的山脊部位风化厚度大，山坳、冲沟地段的风化层相对较薄；在坡顶和角闪斜长片麻岩分布地段的地形较平缓部位，常出现较厚的全、强风化层。

6#山梁地势陡峻，卸荷作用强烈。卸荷现象主要表现为生成顺坡向中缓倾角剪切裂隙和陡倾角拉张裂隙，岸坡常在此基础上产生崩塌等失稳现象。

本地区地表水和地下水的最低排泄基准面为澜沧江。地下水类型主要为裂隙潜水，由于补给来源丰富，地下水位埋藏较浅，岸坡地下水位线一般在弱风化岩体的中、下部。

3边坡失稳机理与模式分析

6#山梁岩质边坡失稳主要发生在山坡浅表部位的强风化、强卸荷岩体中，并常见以下几种类型：

a.滑移型塌滑：常发生在顺坡中缓倾角剪切裂隙较发育且连通率较高的边坡表层。通常是以顺坡裂隙为底滑面，顺河向卸荷拉张裂隙（或节理）为后缘拉裂面，横河向节理为侧向切割面。该类塌滑一般规模较小，但它可向周边逐渐扩展，向深部逐渐剥离。

b.错落型崩塌：常出现在由花岗片麻岩构成的陡坡地段，其失稳机理是：边坡岩体在卸荷过程中顺河延伸的拉张裂隙逐渐构通，陡坡下部岩体被压碎并出现剪切破裂面（常追踪顺坡节理），在某些触发因素作用下即发生崩塌。6#山梁在高线公路开挖过程中发生的较大范围的崩塌属此类型。

c.倾倒型崩塌：此类崩塌常发生在两种岩层交界面或有Ⅱ、Ⅲ级断层等软弱岩带分布的逆层坡地段。其失稳机理是：山坡下部分布有相对易风化的岩层或软弱岩带，它们在风化卸荷过程中逐渐被压缩，使其上部的相对较坚硬的岩体发生倾倒、折断，当下部岩体被压碎出现剪切破坏时即发生崩塌。

4平面稳定分析

4.1岩体物理力学参数

由于地勘资料的缺乏和不足，本次计算依据前期地质、试验资料和开挖暴露面所揭示的地质条件，并对山坳塌方体进行地质参数反演分析（反演成果见表一注），综合以上因素,拟定边坡平面稳定计算的物理力学参数见表一。

表一边坡平面稳定岩土力学参数计算采用值（峰值强度）

编号

岩土类别

Φˊ

(°)

Cˊ

(kN/m2)

天然容重

(kN/m3)

饱和容重

(kN/m3)

1

坡积体

30.1

40

18.5

20.0

2

堆积体

38.0

50

20.6

23.5

3

堆积体接触带

32.0

50

20.6

23.5

4

全风化带

29.0

40

21.0

22.0

5

强风化、强卸荷带

山梁部位

29.0

60

26.0

26.7

山坳部位

32.0

110

26.0

26.7

6

弱风化、卸荷带

35.0

340

26.3

26.7

注：对山坳部位塌方体处于0.95安全系数条件下,固定Φˊ=32°,干坡反演Cˊ=0.084Mpa,雨季反演Cˊ=0.145Mpa；固定Cˊ=0.11Mpa,干坡反演Φˊ=27,雨季反演Φˊ=36

4.2稳定计算方法

切取典型剖面，按平面刚体极限平面问题考虑，不考虑动力效应对岩土参数取值的影响。计算采用陈祖煜教授编制的EMU程序进行。

4.3平面稳定计算边界条件与控制标准

（1）边坡滑动方向与计算剖面选取

根据地质条件分析，为简化计算，6#山梁边坡失稳的边界条件如下：

a.沿强风化、强卸荷带顺坡中缓倾角结构面的剪切滑移破坏；

b.向河床、沟谷等临空面方向的倾倒崩塌破坏；

c.中缓倾角节理与陡倾结构面相互切割、组合，构成对边坡不利的楔体破坏模式。

考虑到XX工程枢纽区中缓倾角节理及卸荷裂隙发育的主要产状为近SN向，基本垂直的两组陡倾结构面也以近SN向相对发育，计算剖面为一近EW向和其它三个接近天然地形最陡方向剖面。

（2）地下静水压力取值

6#山梁地区天然地下水位基本上处于强风化、强卸荷带以下部位，计算分析中采用暴雨条件下的地下静水压取值标准采用：取1/5滑块高度。

（3）地震惯性力

地震工况下地震惯性力按拟静力法计算，仅考虑水平向地震作用。取100年超越概率10%水平峰值加速度a水平=0.169g，地震效应折减系数ζ=0.25,动态分布系数ai=1.875，相应的水平地震力综合系数取值为Kh=0.08。

（4）计算工况及安全系数控制标准

6#山梁综合治理措施考虑一次到位实施，避免二次上山不考虑分期进行，因而计算分析考虑正常运行、地震和泄洪工况，其中坝顶公路以下边坡将结合导流洞出口开挖、泄洪雾化保护等，下一步作综合治理研究，故本次计算无泄洪工况。本区域距工程主体拱坝尚有一定距离，坝顶公路以上边坡又接近天然边坡，安全等级按低于主体工程边坡考虑，取为二级边坡，各工况对应的平面稳定安全系数控制标准见表二。

表二边坡平面稳定计算最小安全系数控制标准

平面稳定计算工况

正常运行

泄洪雾化

运行地震

安全系数控制标准

1.20

1.12

1.03

4.4平面稳定分析计算成果

根据初步推测的地质剖面与初拟地质物理力学参数进行了初步分析计算，各剖面相应位置滑块平面稳定计算安全系数及所需锚固力计算成果见表三。

表三坝顶公路以上边坡控制性滑块平面稳定计算安全系数成果表

项目

干坡核算

计算工况

所需

锚固力

（t/m）

剖面序号

滑块位置

无水干坡

正常运行

运行地震

1

EL.1425m～EL.1320m

现状体型

1.14

1.06

0.94

150

清坡体型

1.42

1.30

1.11

2

EL.1440m～EL.1295m

现状体型

1.05

0.97

0.85

600

清坡体型

1.16

1.06

0.93

290

3

EL.1520m～EL.1425m

1.03

0.93

0.85

500

EL.1320m～EL.1265m

2.03

1.93

1.72

4

EL.1515m～EL.1410m

1.58

1.50

1.37

EL.1360m～EL.1230m

1.57

1.46

1.29

5边坡稳定性评价

从表三可以看出，目前现状条件下导流出口坝顶公路以上边坡的稳定程度以2剖面最差，1剖面次之，3剖面稍好，4剖面处于整体稳定状态；控制性强风化、强卸荷滑动层的厚度一般不超过20m。

从高程分布来看，高线便道以上塌方体陡壁部位因坡度因素控制，3剖面滑块的安全系数最低，干边坡状态为1.03，正常状态为0.93，基本处于临界失稳状态，与目前现状估计是吻合的；4剖面塌方体陡壁部位在剖面方向上处于整体稳定状态。剖面显示，本区（

Ⅰ-2亚区）塌方体陡壁边坡与后部天然山坡相连，不宜开挖也缺乏压坡条件，是预应力锚固锁口处理的重点区域。高线便道至坝顶公路间边坡稳定性好于塌方体陡壁部位，3、4剖面整体稳定，但剖面显示，该区（Ⅱ-3亚区）浅表层为松散堆积物，边坡局部存在圆弧破坏和塌滑破坏，若清除山坳内的松散堆积物，将增大其两侧山坡的侧向临空程度，故在坡脚（坝顶公路）处设桩板墙挡护更能确保边坡稳定。1、2剖面干边坡安全系数在1.05～1.14之间，正常状态为0.97～1.06之间，处于临界稳定状态，需采用工程措施提高其稳定程度。剖面显示，本区（Ⅰ-1亚区、Ⅱ-1亚区、Ⅱ-2亚区）坡形有相对凸出现象，并存在薄层浮渣和全风化岩体分布，强卸荷岩体在坡形凸出部位一般不超过10m，具备清坡条件。

6综合治理设计原则和工程措施

6.1综合治理设计原则

由于6#山梁地段山坡陡峻，地质结构较为复杂，岩体风化、卸荷深度较大，天然山坡的稳定性较差。因枢纽总体布置的需要不可避免地要对6#山梁的岸坡进行一些工程开挖，根据各工程开挖的具体情况并本着安全、经济、合理的原则，确定6#山梁坝顶公路以上边坡设计思路如下：

（1）工程布置尽可能地避免明挖，公路用隧洞通过，尽量减少对山坡的扰动。

（2）以排水措施作为提高山坡总体安全度的基本手段，采取清坡、减载、支挡、锚固、护坡相结合的综合措施进行全面治理。

（3）对边坡上已出现的不稳定体，采取预应力锚索加固。

（4）对于开口线以外的浮石、危石，可用主动和被动网防护。

（5）加强安全监测，并根据施工过程中揭示的地质条件，及时调整和优化设计。

6.2工程措施

根据地形、地质条件和工程布置、边坡稳定条件和计算结果等情况，将6#山梁地段的边坡分为三个区（Ⅰ区：高线便道以上边坡；Ⅱ区：高线便道至坝顶公路间边坡；Ⅲ区：坝顶公路以下边坡。）和若干亚区，具体见附图。其中坝顶公路以下边坡（Ⅲ区）将结合导流洞出口开挖、泄洪雾化保护等，下一步作综合治理研究。

6.2.1排水

6#山梁采用以地下排水为主，地表排水为铺的综合排水措施，尽可能降低边坡岩体中的地下水位，减少渗水压力，以改善边坡稳定条件，提高边坡稳定性。

（1）地下排水系统

在1310m高程设置一层地下排水洞，且利用高线公路隧洞在1380m高程增设一条排水支洞。排水洞内均钻设排水孔。

排水孔在松散体、断层破碎带或土层等特殊部位用反滤透水管作特殊处理，透水管选用HMY-95K塑料盲沟管，外包土工布200g/m2，其长度应贯穿破碎带，端部用土工布封扎。

（2）地表排水

为减少降雨和泄洪雨雾的入渗量，充分发挥地下排水系统的疏排效果，加强了边坡表层的排水系统。

6.2.2边坡加固支护措施

根据以上计算成果和分析判断，6#山梁坝顶公路以上部位边坡采用清坡、减载、支挡、锚固、护坡相结合的综合措施进行全面治理。

（1）Ⅰ-1亚区

a.尽量清除边坡表部附近部位呈干砌块石状的和山坡表层显著变形错位的强卸荷岩体，理顺坡形。

b.Ⅰ-1区清坡前，先在清坡开口线以上设置两排1000kN级预应力锚索锁口；清坡后，在清坡范围开口线以下设置三排1000kN级预应力锚索；其它部位根据需要设置随机预应力锚索。

c.6#山梁上游侧现高线隧洞出口的洞脸挡墙考虑有一定高度并在其上设置防护网，以拦挡滚石和F5沟内可能发生的局部塌方体。

（2）Ⅰ-2亚区

目前，6#山梁下游侧边坡塌方段范围EL.1450m以下已布设有1000kN级预应力锚索；根据计算分析判断，对EL.1450m以上陡壁部位增加1000kN级系统预应力锚索。

（3）Ⅱ-1亚区和Ⅱ-2亚区

a.清除坡面浮渣、覆盖层、破碎分离岩体、孤石、危石、变形错位的表层强卸荷岩体及浅表层全风化岩体。

b.Ⅱ-1区清坡后在EL.1380m附近设置两排1000kN级预应力锚索；其它部位根据需要设置随机预应力锚索。

c.Ⅱ-2区“爬石”（三个特定的分离岩体）部位先设置随机预应力锚索将其锚固，再跳槽清除其下侧的破碎岩体，并及时回填混凝土压脚，最后在回填混凝土部位设置预应力锚索；Ⅱ-2区清坡后在EL.1330m附近设置两排1000kN级预应力锚索。

Ⅱ-1亚区和Ⅱ-2亚区在坝顶公路边坡开口线上下均设置两排1800kN级预应力锚索。

为保证清坡工作安全顺利进行，以上清坡各区在坝顶公路、高线便道路面上均设置两排3Φ32锚筋桩。

（5）Ⅱ-3亚区

a.清除坡面浮渣。

b.在坝顶公路部位的山坳段设置长约100m的锚拉桩板式挡墙,锚拉桩板式挡墙段顶部考虑设置防护网。

以上清坡及塌方表面除Ⅱ-3亚区外均布置系统锚杆并喷混凝土护面,强风化、强卸荷带及坡、堆积体坡表均挂机编活络网。

综合治理设计布置如附图所示。

7结语

由于缺乏足够的地勘资料，为满足施工进度需要，按反演分析估计强度参数指标，通过平面稳定计算及分析判断，作为治理设计依据，先提出初步设计处理方案。根据设计方案施工准备工作完成，目前已进入具体实施阶段。基于岩土工程的复杂性，认识难于与实际完全相符，根据地勘工作和施工过程中揭示的地质条件，将及时作设计优化调整，并完善对Ⅲ区的处理设计方案。