库岸取水口深基坑陡边坡设计及稳定分析

科学论坛　ｌ■　库岸取水口深基坑陡边坡设计及稳定分析　易立娄红王怀斌　辽宁沈阳ｉ１０００６）　（辽宁省水利水电勘测设计研究院［摘　要］辽宁省大伙房水库输水（二期）工程取水１３位于采用岸边竖井式，由于竖井紧邻库区且受两侧冲沟等地形地貌限制，无法放坡开挖。该部位岩体　节理、裂隙发育，富存小规模断层，岩体近２／３为全强风化，三面Ｉ临水，边坡设计对工程安全和工期影响严重，科学合理的分析方法对工程建设十分重要。　［关键词］竖井陡边坡设计稳定分析　中图分类号：ＴＵ４５７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—９１３Ｘ（２０１０）１６　００６２—０２　１工程概述　辽宁省大伙房水库输水（二期）工程是将浑江调水经大伙房水库调节后向　辽宁中南部的抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、盘锦、营口、大连等７个城　市提供优质水源的大型输水工程，引水规模５０４万ｍ３／ｄ，工程主要由取水头　部、输水隧洞、输水管线、加压泵站、配水站、稳压塔等建筑物组成，　线路全长２６０．８ｋｍ。　取水头部构筑物由取水口、加氯间、厂区办公室等建筑物组成，取水口　位于库区，其防洪标准应与水库大坝等主要构筑物的防洪标准相同，采用１０００　年一遇洪水设计，设计水位为１３６．６３ｍ，ＰＭＦ洪水校核，校核水位为１３９．３２ｍ。　取水口由分层取水闸门段、旋转滤网段、收缩段、隧洞检修闸门段组　成，总长６４．２ｍ。　取水口位于库区采用岸边竖井式，预留岩坎作为施工围堰挡水，施工期按　正常高水位１３１．５ｍ设计，岩坎高程为１３２．５ｍ。取水口施工完成后拆除岩坎，　明渠进水。　２工程地质简述　取水口位于大伙房水库库区左岸一突出的山梁，表部为杂林，Ｉ临水面较陡，　平面略成半岛型，中部有凸脊伸向水库，宽度约ｌＯＯｍ，两侧凹缩。山梁面向水　库水面一侧水下坡角３６　～５２。。水面以上至坡顶一小段陡坎坡度在７０　。－８０。左右，其余坡面坡度在３０。～４５。左右。　该区域内主要分布太古界混合花岗岩、花岗质片麻岩、变质角闪岩，中　生代辉绿岩侵入岩脉，岩体裂隙、卸荷节理裂隙发育，岩体较破碎。节理面　平直光滑～平直粗糙，大多呈微张状，充填岩屑或泥质。　受浑河断裂及其派生断裂影响，地形地貌复杂，小型构造较为发育，小规模　断层共４条。　预留岩坎部位岩体卸荷裂隙发育，岩体多呈散体状，裂隙内多泥质充填、　半充填，岩体强度较低，透水性较强，块状构造，少数片麻状构造，岩体较破碎～　完整性差，透水性较强。岩体纵波波速值２６００￣４２００ｍ／ｓ，　边坡开挖建议值：全风化岩１：１：强风化岩１：０．７５：弱风化岩１：０．５。　３基坑位置及边坡型式　取水【＿】位于完建的大型水库库区，根据多方案经济技术比较，确定采用预　留岩坎挡水竖井施工方案，取水口构筑物９５ｍ高程净尺寸为６４．２×３４ｍ，平均　开挖深度４５．２ｍ，最大开挖深度７１．３ｍ。　如按岩体稳定边坡开挖，两侧的凹缩部位开挖后，则不能形成挡水围堰，且　取水口必须退缩开挖后部山梁，山岩开挖工程量巨大、投资增加、对环境破　坏严重，且头部水下明渠工程量增加、施工难度加大，对工程投资和工期都会　带来不利影响。　为满足灌浆帷幕施工要求，上游岩坎顶部前端最薄弱处应留有５ｍ以上施　工作业宽度，以此确定上游开口线位置。　考虑岩坎施工预留围堰在进行拆除时，在取水口前端应留有不小于３ｍ的　距离，用于设置岩坎开挖的防护网及水下气泡帷幕减振墙，保护取水口工程，确　定下开口线位置。结合两侧地形条件，上游预留岩坎边坡设计为ｉ：０．３。　两侧及下游坡分三级坡：１１３ｍ高程以下：ｌ：０．１，ｌ１３￣１３２．５ｍ高程：１：０．３，　ｉ３２．５～１４０．２ｍ高程：ｉ：０．７５，１４０．２ｍ高程以上：ｌ：０．７５。　由于设计选用的开挖边坡远低于岩体稳定边坡，且竖井地质条件较差，富　存小规模断层，岩体近２／３为全强风化，三面临水，为确保边坡支护型式安全、　经济、合理，并有利于施工，必须进行预留岩坎稳定分析。　４竖井边坡稳定分析　４．１整体边坡稳定分析　基坑三面临水，边坡稳定与否直接关系到工程建设成败，边坡整体稳定分　析采用有限元计算。　（ｉ）计算参数　【瘫昔　Ｉ海蚍　Ｉ　甓力：∞　Ｉ嘲器褒带　）卷醇　蕈ｖ　砷ｌ弹ｆ蛐匿Ｅ雌　ｌ捕魏　腑　Ｉ　ＩＩＩ　｛０．１３　Ｉ　６０Ｏ　０　Ｉ　４０　２６　２　ｌ　２３ｊ　ｌ　２０　０　：ｖ　１　０．３５　Ｊ　２＜０　０　Ｉ　３０　０　Ｉ　２４　　『ｌ　８　　ｌ”　ｖ　ｌ　０．４５　Ｉ　５０　０　Ｉ　２７　５　ｌ　２２　５　　ｌ０　８　　ｌ２　５　６２　ｌ科技博览　①有限元计算选用的围岩物理力学指标见下表　②支护材料的物理力学参数见下表：　（２）计算模型　计算简图如下，图中阴影部份为竖井开挖区。　迎水侧竖井开挖边坡　上述图中大写ＩＩＩ～Ｖ为岩性分类，阿拉伯数字１～５为开挖顺序。　（３）计算结果　喷砼最大受压力出现在边坡开挖至１１３．０高程的马道处为２０１ＫＮ／ｍ，而边　坡最大位移出现在竖井开挖完毕后的坡顶为４．３ｍｍ。受力峰值为分层开挖每　层的坡底喷砼受力及软弱夹层与坡面交点的上侧，各受力峰值随着下层竖井的　开挖和支护，其受力将逐渐降低。　另外对上述两种边坡在无锚喷支护情况下的分层开挖进行相同的施工步　模拟计算，得出其最大位移与上述结果相近。　（４）结论　从以上计算结果可以得出，竖井开挖应分层开挖，并及时锚喷支护，分层开　挖的深度越小越有利于降低边坡的最大位移。　平面有限元计算是将岩体作为各向同性体进行计算，因此对开挖施工中遇　到的断层软弱带所形成危石应采取必要的锚固措旅。　４　２边坡滑落体加固计算　・根据有限单元法计算，整体边坡是稳定的，但由于岩石呈碎裂一散体结构，　存在块体滑动的可能性，必须对潜在的滑块进行加固。　（１）选用参数　在下述的稳定分析中，重点分析边坡岩体沿结构面滑动的稳定性。为简　化计算，结构面上覆岩体按一种材料考虑，不考虑岩体的风化特征：结构面参考　ｖ类岩体取值。　随着基坑开挖深度的不断增加，下部岩体的风化程度会逐渐减弱，其抗剪　强度指标的上升　做为一种安全储备。　（２）计算公式　采用平面剪切破坏边坡稳定分析，见下图。　边坡平面破坏受力分析示意图　Ｆ：堕　！　±！　！！！　二　２＝　２　１　２　下滑力　ｓｉｎ　＋Ｕ　２　ｃｏｓ　式中：Ｆｓ——边坡的安全系数：　Ｃ——滑动面的粘聚力：　中——滑动面的内摩擦角：　Ｗ——滑体自重：　Ｌ——滑动面长度：　Ｕｌ——作用在滑体底面上水浮托力　ｕ２——张拉裂缝中的水压力：　Ⅱ——边坡角：　科学论坛　●Ｉ　基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线的螺旋制管机组电控系统设计　赵桂杰　（中国三冶集团有限公司　辽宁鞍Ｌ　１１４０００）　［摘　要］本文根据螺旋制管机组的生产现状和ＰＲＯＦＩＢＵＳ的技术特点，设计了一种基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ的分散控制系统。探讨了设计在现有控制系统基础上融　入ＰＲＯＦＩＢＵＳ的总体实现方案，给出了提高系统实时性和可靠性的原则及ＰＲＯＦＩＢＵＳ在分散控制系统中的应用范围。通过分析系统的实时性、可靠性，对解决生产　线分散控制系统的不足和实现全面信息化有重要的借鉴意义。　［关键词］现场总线ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ可编程序控制器控制系统　中图分类号：ＴＪ８１＋０．３７６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９　９１３Ｘ（２０１０）１６—００６３—０２　１引言　２　ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ现场总线控制方式　我公司是焊管企业，现拥有四条螺旋焊管生产线，工艺流程如图ｌ一１所示，　２　１　ＰＲＯＦ　Ｊ　ＢＵＳ　ＤＰ介绍　主要由开卷机、粗平、精平、铣边、递送、切割、下管桥组成制管机　ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ是开放式总线系统。物理上，ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ是基于屏蔽双　组：　线的电气网络，“ＤＰ”传输协议可以在控制器ＣＰＵ和分布式Ｉ／Ｏ设备之间　ＳＳＡＷ　Ｉ：艺流　实现快速周期性数据交换。　ＳＳ＾Ｗ　Ｐ‘ｌ　ｆ＃ｃ，¨ｆ　口ｐｆ０ｅ　２．２　ＤＰ分为主站与从站　ＤＰ主站将分布式Ｉ／０设备同控制器ＣＰＵ相连。ＤＰ主站通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ　零　ＤＰ同ＤＰ从站即分布式Ｉ／Ｏ设备交换数据并监视ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ。　２　３　ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ网络的结构　图２　１是一个典型ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ网络结构的实例。ＤＰ主站集成在相　关的设备中。　■§簟　￥　删＾霉　Ｉ　ＬＩＮＫ　■口■＊ｔ‘　图２—１典型的ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ网络结构　．…　：：　：　２　４　ＥＴ　２００Ｍ分布式ｌ／０设备　图卜１　Ｉ　艺流程图　ＥＴ　２００Ｍ分布式Ｉ／０设备是模块化的ＤＰ从站，是ＳＩＭＡＴＩＣ　ｓ７自动化系　其中ＳＰＭ７２０、ＳＰＭ２５４０制管机组自动控制系统是由我公司技术人员在消　统的一部分。ＥＴ　２００Ｍ使用与ｓ７　３００可编程控制器相同的安装系统，由ＩＭ　化吸收前引进的德国生产线ＳＰＭ２０３２制管机组的设计理念后，自行研发设计　１　５３　Ｘ和Ｓ７　３Ｏ０的Ｉ／Ｏ模块组成。下图给出了调试实例组态时所需的　的。系统采用的是德国ＳＩＥＭＥＮＳ公司的ＳＩＭＡＴＣ　ｓ７　３００的ＰＬＣ、６ＲＡ７０数　ＥＴ２００Ｍ组件。　控器等设备，系统运行稳定，可靠性高。但现场设备的各种开关及模拟信号均　２．５采用现场总线主要有以下优点：　要通过信号电缆汇到控制柜内的ＰＬＣ总站处，经ＰＬＣ处理，控制现场设备运转，　（１）可以减少１／２　２／３的隔离器、端子柜、Ｉ／Ｏ柜、ｌ／０终端，这样大　来满足钢管生产的需要。　大节省了Ｉ／０装置及装置室的空间：　针对我公司钢管生产中的实际情况，在做ｓＰＭ２５４０制管机组的电气设计方　（２）由于免去了Ｄ／Ａ及Ａ／Ｄ转换的过程，使信号精确度可以从±０．５％　案时采用目前比较流行的ＰｒｏｆｉｂｕＳ现场总线技术，大大提高了实用性。　提高到－－＿０．Ｉ％：４－　Ｂ——滑动面倾角　４．３楔形体稳定分析　对于两边坡联接处边坡楔体，验算结构面相互切割形成楔体的稳定性。　Ｆ　＝　抗滑力　ｃ工＋【　ｃｏ８　Ｐ—　ｔ—Ｕ　Ｐ＋Ｔ　ｓｉｎ（Ｐ＋　）】ｔａｎ妒　下滑力　∥ｓｉｎ　Ｐ＋（，２　ＣＯＳ　Ｐ—Ｔ　ｃｏｓ（　＋　）　为考虑不同开挖高程对楔体大小、以及结构出露情况的影响，分别核算－『不　式中　Ｔ——作用于边坡滑体上得加固力：　同楔体的稳定性。在分析计算中，边坡面按平均坡面考虑，并考虑施工爆破时　６——锚杆与水平面得夹角。　岩体碎裂程度对边坡稳定性的影响。　Ｔ：　：　：！！！　！　±　！　丝！：　！　！：堕　边坡典型楔体稳定行敏感分析　ＣＯＳ（　＋　）［　】＋ｓｉｎ（Ｐ＋８）ｔａｒｔ妒　壁塑　ｌ　１￡　：望！：ｕ．３　！　】０９７　—　Ｉ　４　２　（３）计算结论　根据对不同滑裂面进行安全分析，采用长短结合的锚喷支护体系，可以将　从楔形体稳定敏感性分析中可以得出如下结论，楔形体必须减少扰动，及　潜在滑落体控制在稳定状态。　时支护，否则有滑落危险。　结语　根据以上分析，可以得出如下结论：　（１）竖井岩坎整体是稳定的，由于节理面较多，必须对潜在的滑裂面、楔　形体进行加固。　（２）竖井爆破开挖必须严格爆破作业规程，减少对岩体的破坏影响。　（３）锚喷支护应及时，必须进行必要的变形监测，随时对边坡变形进行观　测，出现情况及时会商处理。　（４）对局部破碎边坡进行固结灌浆填塞岩体缝隙，提高岩体的整体性，减少　地下水的作用，对边坡稳定是有力的。　典型结构面形成楔体的空间形态　科技博览｝　６３