边坡优化的技术经济分析及应用

2011-09-11王立明

四川水力发电 2011年2期

王立明

(国电大渡河深溪沟水电有限公司，四川汉源 625300)

1 概述

对于人工边坡，选择合适的边坡坡角和坡高、在确保安全的前提下能够降低边坡开挖量和支护量，减少经济投入。1970 年，Hoek［1］建立了坡高、坡角和边坡体参数的关系，并绘制了斜坡稳定性计算曲线。国内亦对岩质边坡做了大量平面破坏模型试验。付永胜和李隽蓬［2］基于统计分析方法建立了铁路岩石边坡坡角α与岩体质量RQ间的相关关系，提出了考虑坡高和水体因素影响的、确定铁路岩石边坡角的关系式。唐秋元和刘建宁［3］分析了不同情况下同向岩质边坡的极限稳定坡角及边坡极限高度。利用这些方法，可以对边坡设计进行优化，进而提高经济效益。

笔者结合数学原理和优化原理，以可靠性分析、费用分析以及风险分析为主线，建立了以经济指标为设计目标的目标函数，从中推求出安全性较高、费用较低、风险较小的边坡开挖方案，并以某电站右坝肩为例，对边坡优化设计的技术经济方案进行了评估。

2 Hoek的稳定性算图

Hoek经过大量研究，对地下水及张裂隙的不同条件绘制算图，用于快速确定均质边坡的安全系数，可分析地下水位和边坡剖面的改变对安全系数的影响。

对于圆弧形破坏形式的均质边坡，Hoek认为可通过稳定因数来初步快速的确定边坡安全系数或极限坡角，该稳定因数定义为，式中，γ为岩土体的重度;H为坡高;c和φ分别为岩土体的粘聚力和内摩擦角。

3 特定边坡坡角设计的优化方法

一般认为，边坡马道的设置可以将一个较高边坡分成几个坡高较小的边坡。要达到此效果，马道的宽度需满足一定的条件，即给定安全条件下的最危险圆弧滑动面在马道位置，且不得滑到上一级边坡内，否则马道对边坡安全性的改善程度将大大降低。

大量试算说明，假定1/2坡高以下部位利用岩土体自重压载有利于提高边坡稳定性，即工程上常用的“压脚”方法，则边坡的分级数和马道宽度可通过以下步骤确定:(1)根据坡高H选择合适的分级数n，各级马道与坡脚o点的垂直高度为H/2n;(2)根据H和岩土参数确定稳定因素，即可根据要求的安全系数查图1确定坡角α;(3)从o点开始，按第一级边坡的坡高查图1确定边坡坡角，得图2中的oa段;(4)根据第二级边坡至坡脚的坡高，查图1，确定第二级边坡的坡角(oc);(5)第一级水平马道宽即为ab，b点为oc与水平线的交点;(6)按第三级边坡坡高，查图1的第三级坡角(be)，第二级马道宽为cd;(7)依此类推，可得第四级坡角dg，第三级坡宽ef。最后所得坡面形状如图2所示。

图1 无地下水条件的圆弧破坏算图

由图2优化前后的坡面形状可以看出，减少开挖量的关键在于最下面一级边坡的坡角和坡高的选择。

4 某电站右坝肩边坡优化的应用

依据图2所示的基本原理，对某水电站右坝肩边坡进行了设计优化。原设计边坡坡比见图3，其中，Ⅱ类岩体按 1∶0.2、Ⅲ类岩体按 1∶0.3、Ⅳ类岩体按1∶0.5 设计。

该电站右坝肩边坡主要特性包括:(1)地层岩性为灯影组中厚层状白云岩和白云质灰岩;(2)边坡岩体以弱风化、强卸荷岩体为主;岩体结构以镶嵌碎裂结构岩体为主，局部块裂结构;(3)边坡中上部岩体以Ⅳ级岩体为主，中下部以Ⅲ级岩体为主，其次为Ⅳ类。边坡区主要软弱结构面为较平缓的顺层挤压破碎带及层面裂隙。据产状分析对边坡稳定性不起控制作用，因此边坡整体稳定。

根据规范和Hoek稳定性算图，对于Ⅰ类边坡岩体类型(右坝肩边坡岩体均属Ⅰ类类型)，H≤25 m边坡坡比取1∶0.25～0.35;对于Ⅱ类岩体，H≤15 m 坡比取1∶0.15，H≤8m取坡比1∶0.1，计算参数见表1。

表1 计算参数取值表

图3为原设计与优化后的坡面比较图，其中，细虚线表示初步设计方案，细实线为笔者所述方法的优化方案，粗实线为最终实施方案。

图3 原设计与优化后的坡面比较图

笔者采用简化Bishop法对3种坡面计算了安全系数，并计算了相应边坡剖面的开挖面积(表2)。由计算可知:在应用笔者的优化方法对边坡开挖面进行优化后，不仅边坡稳定性得到了改善，而且边坡开挖量亦相应减少。

表2 计算结果对比表

5 边坡优化的技术经济分析

设计结合地质条件，在实际施工过程中，将682.5 m 高程以下坡比调整为 1∶0.3～ 1∶0.2，682.5 m高程以上坡比调整为1∶0.5，边坡最大开挖高度由160 m减少至120 m左右。将技施工程量与招标工程量相比较，土方明挖节省工程量4.46 万 m3，石方明挖节省工程量 54.5 万 m3，共计节约投资2 184.79万元。如果按笔者的算法进行理论计算，还将在此基础上减少约1.7万m3的开挖量，投资节约成果显著。