某水电站放空洞进口边坡稳定性分析与支护设计

姚鹏程，曲海珠

(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

在建的某水电站坝高112.5 m，坝前最大壅水高105 m，正常蓄水位2 370 m，死水位2 320 m。该电站放空洞布置于右岸，与导流洞结合，由进口段、洞身段、出口段及闸门井组成。进口底板高程2 274.0 m，出口底板高程2 255.0 m，隧洞长约686.0 m。放空洞进口边坡高约110 m，顶部为双车道四级公路(山重区)，路基宽7.00 m，沥青路面宽6.5 m。该段边坡表面分布有大量的崩坡积块碎石土层，厚度较大，结构松散，目前边坡整体处于稳定状态，但是在电站蓄水运行后其稳定性不仅影响电站的正常运行，还会影响公路的安全通行。本文对该段边坡进行了稳定性计算分析，并提出了相应的支护设计方案。

1 地质条件分析

1.1 基本地质条件

放空洞进口段边坡长约200 m，地形坡度为40°～50°，相对高差110 m，坡体表面大多基岩出露，局部有厚1～4 m覆盖层分布；除覆盖层外，由于上部改线公路的开挖，坡面局部浮渣较多，结构极为松散。边坡出露的基岩岩性为中厚层砂岩夹薄层板岩，岩层产状为N40°～50°W/SW∠50°～60°，陡倾向山里，边坡为逆向坡，层面对边坡稳定不具控制性，边坡整体基本稳定。强风化岩体水平深度10～15 m，多呈岩块夹碎屑状，结构松散，稳定性较差。

1.2 工程地质条件

目前因施工需要，在2 303 m高程处开挖了3号施工便道，宽约2～3 m，其内侧边坡高约30～40 m，坡度约65°～75°，开挖后一直裸露，未做任何支护。据现场调查，该段边坡中上部掉块频繁，且多次发生小型滑塌，导致顶部多处呈倒悬状。该段边坡天然状态下整体基本稳定，局部稳定性差。预测在水库蓄水后，表浅层块碎石土与强风化岩体受水位变幅及浪蚀影响，可能产生库岸再造，导致边坡出现较大规模的牵引式塌滑失稳，危及导流放空洞进口和若九公路的安全运行。建议对该段岸坡研究加固和防护措施。

2 边坡稳定性分析

2.1 失稳模式分析

放空洞进口边坡高差较大，坡度较陡，坡体主要由表部的块碎石土与强风化物质组成，水平深度10～20 m，结构松散，稳定性差。加之在2 303 m高程处开挖了3号施工便道，宽约2～3 m，开挖后一直裸露，未做任何支护。经调查该段边坡中上部掉块频繁，且多次发生小型滑塌，导致顶部多处呈倒悬状，边坡典型剖面示意见图1。另位于本段边坡下游约1.5 km处一失稳边坡物性及地形地貌均与本段边坡类似，其破坏方式为下部土体滑塌后形成阶梯状临空面，导致上部土体失稳滑动，从而使整个边坡呈渐进式的失稳滑塌。

综合以上分析，确定放空洞进口边坡失稳滑移模式为牵引式滑动。

图1 放空洞进口边坡典型剖面示意

2.2 边坡等级、安全系数与计算工况

根据《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T5353-2006)，由边坡所影响的建筑物的级别及边坡失事的危害程度综合确定边坡的级别，确定边坡最小抗滑稳定安全系数及计算工况，其中计算工况主要分为三大类：持久状况为正常运行工况、短暂状况为正常运行时遇暴雨工况、偶然状况为正常运行时遇地震工况。详情见表1。

2.3 计算参数选取

根据试验成果与工程类比，选取放空洞进口边坡稳定性计算力学参数见表2。

表1 边坡计算工况及设计安全系数控制标准

表2边坡稳定性分析岩(土)体物理力学参数

2.4 边坡稳定性分析计算

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方法中的下限解法进行控制。不同的滑面形态选用不同的计算方法，对于沿剪切破碎带滑动滑面为折线状的，采用摩根斯坦-普来斯法计算(见图2)。滑面剪出口为下部施工便道处，滑面底边界为强风化与弱风化岩体分界线，本工程稳定性分析计算所使用程序为陈祖煜院士的土质边坡稳定分析程序stab2008。

使用stab进行稳定性分析计算(见图3)，计算成果见表3。成果表明：持久工况和偶然工况下正常蓄水位和死水位运行时，边坡安全系数满足规范要求；短暂工况下正常蓄水位运行时，边坡安全系数不满足规范要求；死水位运行时，边坡安全系数满足规范要求。

图2 摩根斯顿-普赖斯法计算示意

图3 stab计算示意

表3边坡各工况安全系数计算结果

3 边坡支护设计

放空洞进口边坡高差较大，坡度较陡，主要由表部的块碎石土与强风化物质组成，水平深度10～20 m，结构松散，稳定性差。在2 303 m高程处3号施工便道开挖后一直裸露，未做任何支护，其上部掉块频繁，且多次发生小型滑塌，导致多处呈倒悬状。目前，该边坡天然状态整体稳定，经稳定性计算分析，蓄水后边坡在水位变幅及浪蚀作用下会产生塌岸再造和小规模塌滑破坏，其变形破坏模式主要表现为牵引式塌滑。

根据stab计算结果，结合现场地质条件及主体工程实际施工情况，拟采用锚索对边坡进行加固处理。为防止水位变幅和浪蚀对坡面的掏蚀破坏，配合锚筋束采用框格梁对坡面强风化岩体进行防护。由于框格梁自重较大，在3号施工便道(2 303 m高程)布置抗滑桩一排，在承接框格梁的同时可增加坡体抗滑作用。具体支护措施见图4。

图4 改线公路外侧边坡支护示意

因该段边坡在2 303 m、2 277 m高程有两条施工便道，相应支护方案结合施工便道进行。在3号施工便道(2 303 m高程)布置2.0 m×2.0 m抗滑桩一排，长度为10～15 m；在2 340 m、2 360 m马道分别布置一排100 t锚索，长35 m；3号施工便道至导流(放空)洞口段为覆盖层边坡，采用钢筋石笼护坡；便道2 303～2 375 m段采用框格梁支护，并布置6排长9～15 m的锚筋束，于2 303 m便道处设混凝土贴坡式挡墙，挡墙高3 m，底宽1.5 m，顶宽1 m；2 375 m至公路外边缘段为水上边坡，采用钢筋网锚喷的方式支护。

按设计完成支护后，该边坡经历了多个丰水期水位上升与枯水期水位消落的运行周期，并于2017年经历了一次7级地震。根据震后现场巡查与仪器监测，该边坡未发生较大的变形及滑塌，用事实证明了针对该边坡采用的加固措施是具有成效的。

4 结 语

本文通过对某水电站放空洞边坡的失稳破坏模式进行分析，在稳定性计算分析的基础上，结合现场地质条件对该段边坡提出了相应的支护方式，充分体现了边坡支护设计中安全、经济的指导原则。