孫勝利

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

安徽金寨抽水蓄能電站裝機(jī)容量1 200 MW，電站樞紐由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房等建筑物組成，為一等大（1）型工程。上水庫(kù)大壩、輸水系統(tǒng)、地下廠房、開關(guān)站、進(jìn)廠交通洞、下水庫(kù)大壩及泄洪設(shè)施等主要建筑物按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。開關(guān)站邊坡為A類樞紐區(qū)Ⅰ級(jí)邊坡。工程區(qū)基巖50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為117 gal，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。

開關(guān)站布置在下庫(kù)進(jìn)/出水口下游約400 m處左岸山坡，軸線方向?yàn)镹46°E，地面高程為265 m，場(chǎng)地尺寸為171 m×35 m（長(zhǎng)×寬），布置有GIS室、繼保樓及地面出線場(chǎng)。

2 地質(zhì)條件

站址區(qū)地形為溝梁相間地貌，地面高程270～330 m，山脊地形較緩，坡度約10°～15°，兩側(cè)山坡較陡，坡度約25°～40°。中間發(fā)育寬緩沖溝，長(zhǎng)年流水，溝源高程約490 m。沖溝下游段坡度較陡，溝底多為坡洪積漂石夾塊石，局部較平緩地帶為人工梯田，覆蓋層多松散，地形地貌見圖1。

地面地質(zhì)測(cè)繪未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流、崩塌等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，自然邊坡基本穩(wěn)定。

圖1開關(guān)站地形地貌（曲線區(qū)域內(nèi)為開關(guān)站邊坡開挖范圍）Fig.1 Switchyard topography(region within curve is the excavation range of switchyard slope）

山坡覆蓋層普遍發(fā)育，為坡積碎石土，層厚1.0～3.5 m，基巖為蚌埠期侵入的角閃巖。

根據(jù)鉆孔揭示，站址角閃巖風(fēng)化較為強(qiáng)烈，地表巖石多為全～強(qiáng)風(fēng)化，全風(fēng)化層最深達(dá)21.80 m。強(qiáng)風(fēng)化巖層厚1.40～8.74 m，最深達(dá)31.10 m。弱風(fēng)化下限埋深一般25.24～27.64 m，弱風(fēng)化巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD為62%～80%，屬完整性差～較完整巖體。地下水位埋深一般為1.20～12.10 m，相應(yīng)高程為254.99～311.40 m。

建議邊坡開挖坡比：覆蓋層和全風(fēng)化層1∶1.5～1∶1.75、強(qiáng)風(fēng)化層1∶1.0～1∶0.75、弱風(fēng)化層1∶0.75～1∶0.5。每坡高10～15 m設(shè)置一級(jí)馬道，坡頂及兩側(cè)設(shè)截（排）水溝，坡面采取系統(tǒng)支護(hù)措施。

邊坡地質(zhì)平面和主要剖面見圖2和圖3（地質(zhì)剖面以5-5為例）。

圖2 開關(guān)站地質(zhì)平面圖Fig.2 Geology plan of switchyard

圖3 5-5地質(zhì)剖面圖Fig.3 Geology profile 5-5

3 邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析

3.1 計(jì)算軟件簡(jiǎn)介

Slide軟件是一款基于極限平衡分析方法的二維土質(zhì)或巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析程序，滑面可以是圓弧或者非圓弧形式，可以簡(jiǎn)單快速地分析復(fù)雜的模型，模擬多種外部荷載、地下水和支護(hù)形式。程序計(jì)算方法基于豎直條分法極限平衡分析（例如Bishop、Janbu、Spencer等），對(duì)給定邊坡可指定已知滑面或者自動(dòng)搜索滑面。

SLOPE/W與Slide軟件比較相似，可以分析用戶遇到的幾乎所有邊坡穩(wěn)定性問題，極限平衡分析方法有Morgenstern-Price、GLE、Spencer、Bishop、Ordinary、Janbu、Sarma等。

3.2 地質(zhì)參數(shù)

各巖土層地質(zhì)參數(shù)見表1。

3.3 設(shè)計(jì)工況和設(shè)計(jì)安全系數(shù)

根據(jù)DL/T 5353-2006《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.2.6條，開關(guān)站邊坡設(shè)計(jì)工況分為持久、短暫和偶然三種工況。根據(jù)第5.0.4條，開關(guān)站邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)取值如下：持久狀況為1.30（正常運(yùn)用工況）、短暫狀況為1.20（含運(yùn)行期暴雨或久雨等工況）、偶然狀況為1.10（地震工況）。

3.4 計(jì)算方法

根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.4.4條：對(duì)于巖質(zhì)、土質(zhì)滑坡體，當(dāng)滑面近似圓弧形時(shí)，推薦采用簡(jiǎn)化畢肖普法，也可采用詹布法。

故采用Slide和SLOPE/W軟件自帶的簡(jiǎn)化畢肖普法（Bishop Simplified）和簡(jiǎn)化詹布法（Janbu Simplified）兩種方法進(jìn)行計(jì)算。

3.5 初始設(shè)計(jì)

3.5.1 設(shè)計(jì)坡比

招標(biāo)階段開關(guān)站邊坡設(shè)計(jì)坡比為：西南側(cè)邊坡（5-5剖面）坡比及高度，由下至上分別為1∶0.75（15 m高）、1∶1（10 m高）、1∶1（10 m高）、1∶1.2（10 m高）、1∶1.2（10 m高）、1∶1.2（至開口線）。東北側(cè)邊坡（1-1剖面）坡比及高度，由下至上分別為1∶0.75（15 m 高）、1∶1（10 m 高）、1∶1.2（10 m 高）、1∶1.2（10 m高）、1∶1.2（至開口線），馬道寬均為3 m。

表1 巖土層地質(zhì)參數(shù)表Table 1 Geology parameters of rock and soil layer

3-3剖面、4-4剖面坡比同5-5剖面，2-2剖面由下至上分別為1∶0.75（15 m高）、1∶1至開口線。

3.5.2 計(jì)算模型

選取5個(gè)斷面（1-1～5-5剖面）進(jìn)行計(jì)算，以5-5剖面為例，計(jì)算模型邊界范圍為涵蓋邊坡坡頂以外的邊界，可滿足邊坡穩(wěn)定計(jì)算的需要。

邊界條件：左右兩邊界水平方向約束、底部邊界固結(jié)，由軟件自動(dòng)設(shè)置。

地下水位線以上材料采用天然狀態(tài)參數(shù)，地下水位線以下材料采用飽和狀態(tài)參數(shù)。

暴雨工況假定地下水位上升至地表，所有材料均飽和。

荷載基本組合僅考慮自重+地下水壓力，暫不考慮加固力。

計(jì)算模型見圖4。

3.5.3 計(jì)算結(jié)果

開關(guān)站邊坡1-1～5-5剖面的持久、短暫與偶然工況安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 招標(biāo)階段開關(guān)站邊坡1-1～5-5剖面安全系數(shù)計(jì)算Table 2 Safety factor calculation of switchyard slope profile 1-1～5-5 in bidding stage

3.5.4計(jì)算結(jié)果分析

由表2看出，除2-2剖面在無支護(hù)條件下計(jì)算安全系數(shù)大于允許安全系數(shù)外，其余斷面均存在計(jì)算安全系數(shù)小于允許安全系數(shù)的情況，尤其是4-4剖面短暫工況計(jì)算安全系數(shù)遠(yuǎn)小于允許安全系數(shù)（主要原因是全風(fēng)化層太厚），需增加支護(hù)。

根據(jù)GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》表8.2.3-2和條文8.4.2，錨桿（束）的粘結(jié)強(qiáng)度按表3取值。

3.6 最終設(shè)計(jì)

3.6.1 設(shè)計(jì)坡比

對(duì)于4-4地質(zhì)剖面，全風(fēng)化厚度最大達(dá)到21 m，盡管增加支護(hù)可以保證邊坡的計(jì)算安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，依然難以保證施工期的安全穩(wěn)定，且錨筋樁數(shù)量較多，投資較大。技施階段開關(guān)站邊坡開挖坡比調(diào)整如下：

表3 不同巖性、不同孔徑錨桿（束）粘結(jié)強(qiáng)度Table 3 Anchor cohesional strength of different lithology and drill diameter

圖5 4-4剖面短暫狀況安全系數(shù)分布圖（Slide畢肖普法）Fig.5 Safety factor distribution of profile 4-4 in short-term condition（Bishop of Slide）

西南側(cè)部分邊坡（5-5剖面）坡比及高度，由下至上分別為1∶0.75（15 m高）、1∶1.5（10 m高）、1∶1.5（10 m高）、1∶1.5（10 m高）、1∶1.5（至開口線）；東北側(cè)部分邊坡（1-1剖面）坡比及高度，由下至上分別為1∶1（15 m高）、1.5（10 m高）、1∶1.5（至開口線）。

3-3、4 -4剖面坡比同5-5剖面；2-2剖面為1∶0.75至開口線。

馬道寬均為3 m。

3.6.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算模型同3.5.2。

開關(guān)站邊坡1-1～5-5剖面的持久、短暫與偶然工況安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。

3.6.3 計(jì)算結(jié)果分析

由表4看出，1-1剖面在無支護(hù)條件下短暫工況計(jì)算安全系數(shù)小于允許安全系數(shù)，需增加支護(hù)。

短暫工況計(jì)算安全系數(shù)分別為1.286（Slide畢肖普法）和1.323（SLOPE/W畢肖普法），結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

4 開挖支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，對(duì)開關(guān)站邊坡進(jìn)行開挖支護(hù)設(shè)計(jì)。

4.1 開挖設(shè)計(jì)

同3.6.1節(jié)坡比。

表4 技施階段開關(guān)站邊坡1-1～5-5安全系數(shù)計(jì)算Table 4 Safety factor calculation of switchyard slope profile 1-1～5-5 in construction stage

圖6 1-1剖面短暫工況計(jì)算模型Fig.6 Calculation model of profile1-1 in short-term condition

4.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

第一級(jí)（由下至上，下同）邊坡采用掛網(wǎng)噴0.1 m厚C30混凝土+系統(tǒng)錨桿+0.5 m厚鋼筋混凝土貼坡支護(hù)，第一級(jí)以上邊坡采用鋼筋混凝土框格梁+錨桿（錨索）支護(hù)。

東北側(cè)邊坡（1-1剖面）共設(shè)兩級(jí)馬道，馬道寬均為3 m。第一級(jí)邊坡采用25普通砂漿系統(tǒng)錨桿支護(hù)，長(zhǎng)6 m，間排距2 m×2 m；第二級(jí)邊坡采用25普通砂漿系統(tǒng)錨桿支護(hù)，長(zhǎng)6 m，間排距3 m×3 m；第三級(jí)邊坡采用325錨筋樁支護(hù)，長(zhǎng)9 m，間排距3 m×3 m。

西南側(cè)邊坡（5-5剖面）共設(shè)四級(jí)馬道，馬道寬均為3 m。第一級(jí)邊坡采用25普通砂漿系統(tǒng)錨桿支護(hù)，長(zhǎng)6 m，間排距2 m×2 m；第二級(jí)邊坡采用25普通砂漿系統(tǒng)錨桿（長(zhǎng)6 m）和系統(tǒng)壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索（長(zhǎng)25 m，設(shè)計(jì)張拉力值1 000 kN）支護(hù)，間排距均為3 m×3 m；第三、四級(jí)邊坡采用25普通砂漿系統(tǒng)錨桿支護(hù)，長(zhǎng)6 m，間排距3 m×3 m；第五級(jí)邊坡采用325錨筋樁支護(hù)，長(zhǎng)9 m，間排距3 m×3 m。

4.3 截排水設(shè)計(jì)

截水溝為鋼筋混凝土截水溝，布置在邊坡開口線外約10 m左右，梯形斷面，凈寬1.1 m，最小凈高0.8 m，斜坡坡比為1∶0.5，厚度0.3 m。為有效截排沖溝洪水（見圖1，重現(xiàn)期50年洪水2.13 m3/s），截水溝與沖溝交匯處設(shè)消力池，凈長(zhǎng)5.4 m、凈寬3.2 m、凈高2 m、厚0.3 m。

邊坡設(shè)系統(tǒng)排水孔，土質(zhì)邊坡設(shè)φ100排水孔，長(zhǎng)5 m，內(nèi)插PVC排水花管（DN90，長(zhǎng)5 m）；巖質(zhì)邊坡設(shè)φ50排水孔，長(zhǎng)5 m，內(nèi)插PVC排水花管（DN40，長(zhǎng)2 m），間排距均為3 m×3 m。坡面框格梁設(shè)導(dǎo)流坎，馬道設(shè)橫向排水溝與截水溝相連或至坡外沖溝，排水孔出水和坡面雨水經(jīng)由框格梁導(dǎo)流坎、馬道排水溝排向坡外。要求截、排水溝出口處坡面坡度大于10%時(shí)設(shè)置跌水，跌坎寬度控制在0.25～0.4 m，高度控制在0.3 m以內(nèi)。

4.4 坡面防護(hù)

被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)布置在距截水溝外側(cè)約2 m左右，高3 m，能量等級(jí)為250 kJ。

4.5 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

為監(jiān)測(cè)邊坡變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，沿1-1、3-3和5-5剖面共設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。

沿邊坡開口線和1-1、5-5剖面共設(shè)置10個(gè)表面位移測(cè)點(diǎn)，5-5剖面錨索部位設(shè)置1套四點(diǎn)式變位計(jì)、2個(gè)地下水位孔，兩點(diǎn)、三點(diǎn)式錨桿應(yīng)力計(jì)共設(shè)置9套，錨索測(cè)力計(jì)共設(shè)置3套。

邊坡開挖支護(hù)典型斷面見圖7。

5 結(jié)語

安徽金寨抽水蓄能電站開關(guān)站邊坡較高，為Ⅰ級(jí)邊坡，直接影響到開關(guān)站GIS室、繼保樓和出線架的安全。主要結(jié)論如下：

（1）邊坡地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，邊坡開挖、支護(hù)從可研到技施歷時(shí)兩年半之久，期間對(duì)邊坡的位置、開挖坡比、支護(hù)型式進(jìn)行了大量的方案調(diào)整。

（2）Slide和SLOPE/W兩種軟件的計(jì)算結(jié)果非常接近，有時(shí)甚至完全一樣，表明兩種軟件的計(jì)算原理是相同的，為邊坡的開挖、支護(hù)提供了重要的理論依據(jù)。

（3）對(duì)邊坡穩(wěn)定的幾個(gè)基本問題，如有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法、暴雨工況的假定等并未展開討論，實(shí)際上這些基本問題將直接影響計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而影響到邊坡的開挖、支護(hù)設(shè)計(jì)。

（4）邊坡開挖坡比、支護(hù)設(shè)計(jì)還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

目前邊坡已基本開挖完成，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)資料正常，根據(jù)監(jiān)測(cè)資料對(duì)日后類似工程邊坡的開挖、支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，可提高邊坡穩(wěn)定計(jì)算和支護(hù)設(shè)計(jì)的水平。

圖7 5-5剖面開挖支護(hù)圖Fig.7 Excavation and support of profile 5-5

[1]安徽金寨抽水蓄能電站可行性研究報(bào)告第六篇工程布置及建筑物[R].杭州:中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,2013.

[2]安徽金寨抽水蓄能電站招標(biāo)設(shè)計(jì)報(bào)告第三篇工程地質(zhì)[R].杭州:中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,2014.

[3]GB 50330-2013,建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].

[4]DL/T 5353-2006,水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]NB 35047-2015,水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].