童恩飞

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410000）

1 工程概况

柘溪水电站扩机工程位于湖南省益阳市安化县境内，距安化县城12.5km。工程以发电为主，兼有防洪、航运等综合效益。正常蓄水位169.00m，装机容量500MW（2×250MW）。枢纽布置为进水口、高压引水隧洞、地面厂房、主变场、尾水建筑物、敞开式开关站等。主体土建工程于2005年5月正式开工建设，2008年5月实现第一台机组发电。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2017）和《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL 5180—2003），柘溪水电站枢纽工程为Ⅰ等工程，主要建筑物按1级建筑物设计，次要建筑物按3级建筑物设计。

2 厂房上游边坡地质条件

厂房上游边坡岩性为长石石英砂岩、燧石状石英岩、细砂岩与带状砂质板岩（Ptbn2w2-28-5～Ptbn2w2-28-10），岩性坚硬。岩层产状：75～85°/NW∠60°～70°，局部走向变化为275～290°。边坡坡面与岩层一致，为顺层坡。主厂房纵轴线方向与岩层走向基本一致，呈东西向布置。

3 分析方法

根据《水电水利工程边坡设计规范》（DL/T 5353—2006），厂房上游边坡为Ⅰ级A类边坡。本阶段对厂房上游边坡的整体稳定性和分期开挖稳定性采用三维弹塑性有限元和极限平衡分析方法进行分析。

3.1 厂房上游边坡分期开挖稳定性的三维弹塑性有限元分析

有限元分析区域选取沿引水洞轴线280m，垂直引水洞轴线方向为144m范围。边界约束条件采用垂直位移约束，荷载考虑岩体自重作用。边坡支护方案为沿开挖坡面采用系统锚杆支护。模型如图1、图2所示。

（1）分期开挖对围岩塑性区分布的影响。从厂房上游边坡分期开挖围岩塑性区分布变化情况分析可知：①原始应力场塑性区出现在断层带位置和引水洞周，随着厂房上游边坡向下开挖，在距离边坡较近的断层带和与引水洞交汇处出现少量塑性区。说明厂房上游边坡和引水洞的整体稳定性良好。②塑性区出现在断层带与引水洞交汇处，对该位置应注意支护。由于边坡岩层顺开挖方向，施工中仍需注意不切脚，不超挖。③边坡支护锚杆可适当加长，使其穿过断层带，增强支护效果。

图1 分析模型图

图2 分析网格

（2）分期开挖对围岩应力分布的影响。分期开挖边坡应力分布如表1所示。①厂房上游边坡开挖后每级台阶的坡角处都出现明显的应力集中现象，且偏应力最大达到4.1MPa，需引起重视。②由于引水洞、岩体断层及边坡多处相交导致边坡应力分布变化规律不明显，但此相交位置切割的岩体锲状构造稳定性较差，施工中应早支护。

表1 厂房上游边坡分期开挖应力变化单位：kPa

表1中边坡位置代号如图3所示。

图3 边坡开挖示意图

表2 厂房上游边坡位移 单位：mm

（3）分期开挖对边坡位移变化规律的影响。分期开挖边坡位移如表2所示。可看出，边坡x方向位移绝对值最大值为0.29mm，y方向位移绝对值最大值为0.46mm，说明厂房上游边坡的整体稳定性较好。

（4）分析结论。采用三维弹塑性有限元对厂房上游边坡分期开挖过程，边坡及引水洞周围岩位移绝对值小，应力偏量也较小，塑性区出现在一定埋深及靠近边坡处的断层带、引水洞周等处，但总体积不大。因此，边坡整体稳定性较好。

3.2 厂房上游边坡极限平衡分析

（1）计算条件及内容。库水位骤降有利于厂房上游边坡的整体稳定性，因此厂房上游边坡地下水的作用仅考虑稳定渗流期的影响，按照施工开挖顺序，边坡分五步分别开挖至96.91m、86.94m、79.5m、71.5m、65.5m，地下水的作用按简化法确定。计算中考虑节理面及软弱面对边坡稳定性的影响。分别用枚举法搜索任意圆弧面和单纯形法搜索任意滑裂面的最小安全系数。

（2）计算结果分析。厂房上游边坡不同开挖步任意圆弧滑裂面的安全系数如表3所示。由于厂房上游边坡岩体存在顺层的节理面，不利于上游边坡的稳定，因此对过顺层节理面的任意形状滑裂面进行了单独计算，任意形状滑裂面的不同开挖步的安全系数如表4所示。

厂房边坡主要有四组节理切割，其中两组与边坡走向正交，一组为顺层反倾节理，岩体表面存在强风化带及弱风化带，而且地下水位较高，地下水沿着节理裂隙运动，促进了风化作用，因此要采取措施防止局部滑坡和岩块塌方。图4～图8为不同开挖步最危险滑动面，滑动面通过坡脚。

（3）计算结果。通过极限平衡法对施工期及运行期厂房上游边坡在不同工况下的整体稳定性分析，得出以下结论：

①从表3、表4可以看出，表中安全系数均较大，即使采用比较保守的瑞典条分法，计算得出的安全系数也大于2.0，因此厂房上游边坡整体稳定性好，满足规范要求。②从图4～图8可以看出各剖面在不同开挖步的最危险滑动面及运行期两种工况下的最危险滑动面，均为较深层的滑弧，浅层滑弧安全系数较大，锚杆及锚索对边坡整体稳定性作用不大；但是岩体表面存在强风化带、弱风化带以及存在节理面，存在局部零星掉块的可能性，因此在岩体表面需要进行锚喷支护。

表3 上游边坡不同开挖步圆弧滑裂面整体稳定性计算成果表

表4 上游边坡不同开挖步任意滑裂面整体稳定性计算成果表

图4 边坡开挖至96.91m最危险滑动面

图5 边坡开挖至86.94m最危险滑动面

图6 边坡开挖至79.5m最危险滑动面

图7 边坡开挖至71.50m最危险滑动面

图8 边坡开挖至65.5m最危险滑动面

总之，采用多种边坡极限平衡分析方法分析了厂房上游边坡稳定性，其分析结果表明，边坡的抗滑安全系数满足规范要求，厂房上游边坡整体是稳定的，与有限元分析结果吻合。从稳定性分析结果来看，防止边坡浅层滑坡和局部零星掉块，坡面采取锚喷支护是必要的；对断层带、节理裂隙与引水洞、边坡相交处等薄弱位置的应采取加强措施支护。为了防止边坡深层滑动，必要时，在坡角部位布置一定数量的预应力锚索。

4 厂房上游边坡处理

4.1 基本支护措施

根据厂房边坡稳定性分析成果，结合柘溪地质实际情况，厂房上游边坡的处理原则如下：基本为顺层剥离，即高程135.00m以上，保持原始边坡，不作处理。高程135.00～117.00m原则主要是自上而下顺层开挖，坡面采用喷锚支护防止局部塌方和岩块滑落；高程117.00m以下，根据厂房体形分台阶采用顺岩层层面开挖至肘管底部高程65.50m；在高程135.00m马道，结合老厂电缆道改建，用混凝土护面，修整原排水沟，减少地表水沿裂隙或层面活动；在坡面布设排水孔引排地下水，孔深3m，并在高程108.10m设置一条平行于厂房上游边坡的排水洞，减少地下水的活动，改善边坡稳定条件。在厂房上游边坡自高程135.00m以下坡面采用喷C25混凝土150mm，系统锚杆Φ25@1.500m×1.500m，锚杆长度为6m；在坡角处布设T=100kN的张拉锚杆Φ32@1.500m×1.500m，锚杆长度为12m。

4.2 支护参数调整

实际施工时，当开挖至高程116.00m时，施工放样复核发现，若继续顺层开挖，则下部开挖断面不能满足厂房体形要求，而此时高程116.00m以上已支护完毕，无法再进行第二次开挖，为此调整设计开挖坡比，即在主机间及副安装间段高程116.00m以下由分台阶顺层开挖改为切脚开挖。开挖坡比以满足设计结构要求为原则，控制在1∶0.3～1∶0.4，支护调整为高程135.00～117.00m坡面，采用挂网喷C25混凝土150mm，系统锚杆Φ25@1.500m×1.500m，锚杆长度为6m、8m间隔布置。在坡角同样加设T=100kN的张拉锚杆Φ32@1.500m×1.500m，锚杆长度12m。并在高程109.00m及104.00m布置间距为4m、T=2000kN的预应力对穿锚索，与厂房上游边坡排水洞对穿，副安装间段基本按原设计施工。

5 结论

边坡开挖成形后，经边坡预埋观测仪器的观测成果显示各项观测数据无异常，边坡处于稳定状态。上游边坡的处理方案效果良好，消除了工程安全隐患，确保了工程安全。