某电站水垫塘边坡开挖支护措施稳定分析

兰绍华

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

1 边坡开挖方式

水垫塘峡谷段两岸岸坡走向与岩层走向近于垂直，岩层走向与坡向交角较大，为横向坡。岸坡卸荷影响带宽度较大，局部地段可达 30～40 m，边坡高度120～160 m，右岸边坡开挖高度普遍比左岸小。左岸高程550.00 m处设一级6m宽马道，高程495.00～550.00 m 之间单级坡为直立坡，478 m 高程以上其他部位设计开挖边坡坡比为 1∶0.2，每15 m高设一级3 m宽马道；478 m高程顺地势设宽5.2～20.2 m马道，高程427～478 m之间坡比 1∶0.3，427 m高程设宽9 m马道，高程 427 m 至塘底409 m间坡比3：1。右岸高程525.00 m处设一级 6 m 宽马道，高程 495.00～570.00 m之间为垂直边坡，478 m高程以上其他部位设计开挖边坡坡比为1：0.2，每15 m高设一级3 m 宽马道；478 m高程顺地势设宽 5.1～14.2 m 马道，高程 427～478 m 之间坡比1∶0.5，427 m 高程设宽9 m马道，高程427 m至塘底409 m 间坡比3∶1。

2 边坡的系统支护

水垫塘边坡采用喷锚支护，并设有地表及山体排水系统，以保证边坡的稳定，具体支护型式：坡面采用挂网喷混凝土的型式进行坡面保护，对于硬岩段喷层厚度 10 cm，软岩段为 12 cm；锚杆采用系统锚杆(Φ 25L=6m@2.5 m×2.0 m)加锁口锚杆(Φ 28L=9 m@2.5 m×2.0 m,各级坡顶，两排)；排水采取坡面截、排水沟及坡面排水孔的地表排水系统与山体排水洞及洞内钻孔形成的排水幕的地下排水系统相结合的综合排水措施，以提高边坡整体稳定性。坡面排水孔深为1.5m，布置形式为4 m×3 m，水垫塘边坡混凝土浇筑前沿墙背排水沟加钻孔深3m间距3m 排水孔；山体排水洞左岸右岸各布置5条，高程分别为590 m、550 m(右岸 545.0 m)、495 m、462.0 m(右岸 464.0 m)、430 m(右岸 420 m),排水洞断面为2×2.5 m。为减轻泄洪雾化对边坡稳定的影响，在水垫塘左右两岸630 m高程至开挖边坡出口区域设泄洪雾化保护区，雾化保护区应清挖表面植被、覆盖层和孤石后喷12 cm厚混凝土，内铺机编镀锌钢丝网Ф4@10 cm×10 cm。

3 稳定分析方法

水垫塘边坡地层岩性为茅口组和栖霞组灰岩地层(P1m1-1～P1q1)，以灰岩为主，岩性为中厚层或块状生物碎屑灰岩。两侧边坡陡峭，高达200多米，坡度多在60°左右，部分近于直立。

边坡稳定分析方法较多，一般根据边坡类型、滑移机制、边坡变形与稳定控制要求等进行选择。针对构皮滩电站水垫塘的特性及破坏型式，对峡谷段水垫塘硬岩边坡，采用弹塑性有限单元法对边坡开挖施工过程进行仿真模拟，对边坡的应力状态、变形及屈服情况进行分析；并对边坡的整体稳定性、加固效果进行评价。

图1 计算断面

4 峡谷段稳定分析

4.1 荷载

(1)边坡岩体自重

(2)开挖过程中的荷载：由开挖卸荷产生

构皮滩水电站工程区域构造应力较低，初始应力主要由自重产生，所以初始应力场按自重进行模拟。水垫塘边坡区域天然情况地下水较低，运行期对水垫塘边坡进行了封闭，且两岸布置了山体排水洞，计算时对水垫塘峡谷段及峡谷出口段边坡进行稳定分析时未考虑地下水的影响。

4.2 约束

计算域两侧及底部边界采用法向约束，临空面自由。

4.3 计算断面

选取水垫塘桩号0+100 m典型断面进行平面有限元分析，如图1所示，计算断面内材料分区从上到下依次为 P1m1-1、P1q4、P1q3、P1q2、P1q1，各岩层靠近临空面附近均存在一定范围的卸荷带。

4.4 计算范围及有限元网格

计算坐标系取 X 轴为水平方向，Y 轴为铅直方向。计算范围及有限元网格见图2。整个计算域共有8 369个节点，8 199 个单元。按平面应变问题考虑。

4.5 计算参数及材料本构关系

计算中所用到的岩体力学参数见表 1，计算时卸荷带外岩体所采用的计算值为表中的低值，卸荷带岩体力学参数按卸荷带外岩体的0.6倍进行计算。岩体材料的本构关系采用Drucker-Prager准则。

表1 岩体(石)力学参数建议值表

图2 有限元网格

4.6 计算工况

为便于分析卸荷、开挖及锚固等各种因素对边坡变形与稳定的影响，共拟定了3个计算工况，分别如下：

工况 1：天然情况(自重应力场)

工况 2：边坡开挖，不考虑系统锚固措施

工况 3：边坡开挖，考虑系统锚固措施

图3 屈服区分布图

4.7 加固措施模拟方法

锚杆对岩体力学参数的改善，采用下述经验公式：

tgφ1=c1/c0tgφ0

式中c0、φ0、c1、φ1分别为原岩体及锚固岩体的凝聚力和内摩擦角，τ、S分别为锚杆材料的抗剪强度及横截面积；a、b为锚杆的纵、横向间距， 为综合经验系数，一般 2～5，岩性较软时取高值。本次计算时η取3。

5 结语

(1)边坡岩体的位移场主要是由开挖应力释放和调整引起的。开挖完成后，左右岸边坡的最大水平位移都发生在边坡的中下部。边坡采用系统锚固措施加固后，左岸最大水平位移 1.92 mm，位于492.0 m高程。右岸最大水平位移1.41 mm，位于442.00 m高程。坡底最大回弹变位 6.29 mm。

(2)开挖面附近大主应力(第一主应力)方向接近垂直开挖面方向，局部由主压应力变为主拉应力，经采用系统锚固措施加固后，主拉应力在 0.0～0.68 Pa 之间。次主应力方向(第三主应力)接近于平行开挖面方向，基本处于压应力状态。在边坡开挖台阶的拐角处存在不同程度的应力集中现象，最大压应力值 17.5 MPa。

(3)采用系统锚固措施加固后，左右岸边坡的屈服区有较大的减小，表明锚固效果较好。采用系统锚固措施边坡屈服区分布见图3。塑性区分布范围较小，且未贯穿任一级坡，表明整体是稳定的。

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