彭 江,雷運華

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

桐子林水電站位于四川省攀枝花市鹽邊縣境內(nèi)的雅礱江干流上,距上游二灘水電站約 18km,下游距雅礱江與金沙江匯合口約 15km,為雅礱江干流下游最末一級梯級電站,是以發(fā)電為主的水電樞紐,裝機(jī)容量 600MW。推薦桐子林水電站采用斷流圍堰、右岸明渠、主體工程分二段三期進(jìn)行施工的導(dǎo)流方式。導(dǎo)流明渠設(shè)計流量為 12700m3/s。

導(dǎo)流明渠設(shè)計布置位置從右岸Ⅰ級階地通過。右岸原桐～雅公路高程1017～1020m,因?qū)Я髅髑爸黧w工程布置的需要,需對其進(jìn)行先期改建。改建公路沿明渠右邊墻岸坡靠山體側(cè)布置,全長1010.47m,設(shè)計路面高程約 1020.0m,路面寬 9m,路基主要由開挖山體形成,個別沖溝處由填方堆筑而成。改建公路先期施工后,沿明渠右邊墻靠山體側(cè)將形成高邊坡,其中公路 K 0+140～0+360m段路面以上最大坡高約為 120m;在改建公路左側(cè)靠雅礱江公路高程以下為導(dǎo)流明渠出口段的右邊墻岸坡,還將下挖 48m到明渠底高程 974m左右。當(dāng)導(dǎo)流明渠開挖完成后,該段明渠右邊墻岸坡從明渠渠底至右岸桐～雅改建公路山體開挖邊坡開口線將整體形成最高約 160m的開挖高邊坡。

2 設(shè)計基本資料

2.1 地質(zhì)條件

(1)地形地貌。工程邊坡開挖區(qū)位于原桐～雅公路內(nèi)側(cè),為平均坡度 35°～40°的原始自然山體,其外側(cè)為修建原桐～雅公路的人工堆積及Ⅰ +Ⅱ階地堆積的臺階狀地形。

(2)地震。工程區(qū)位于壩區(qū)右岸,處于南北向擠壓破裂巖帶內(nèi),相應(yīng)場地地震動基巖水平峰值加速度為 0.15g,地震基本烈度為Ⅶ度。

(3)地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造。工程邊坡開挖區(qū)淺表部為坡殘積塊碎石土,估計厚 3～5m;其下伏基巖為砂巖、頁巖互層產(chǎn)出,以砂巖占多數(shù),頁巖為薄層狀且表現(xiàn)為擠壓揉皺,部分為層間擠壓破碎帶,巖體破碎,完整性差。改建公路通過處多為卸荷帶巖體,巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育且多為卸荷裂隙,多張開充填次生泥,巖體松弛,穩(wěn)定性較差;尤其是頁巖出露段,巖層呈薄層狀、擠壓揉皺明顯,工程特性差,易風(fēng)化剝落,其邊坡穩(wěn)定性差。

(4)巖體風(fēng)化卸荷。工程邊坡開挖區(qū)內(nèi)巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈,主要表現(xiàn)為頁巖普遍強(qiáng)風(fēng)化、易剝落及表淺部巖體松弛、拉裂等,為層狀～碎裂、層狀～鑲嵌結(jié)構(gòu)的Ⅴ級巖體。經(jīng)地質(zhì)調(diào)查及開挖揭示,巖體強(qiáng)風(fēng)化水平深度約 20～30m,強(qiáng)卸荷水平深度可達(dá)30～40m。

(5)水文地質(zhì)。工程邊坡開挖區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件較為簡單,地下水為坡殘積覆蓋層孔隙水和基巖裂隙水兩類,均由大氣降水補(bǔ)給,向河谷排泄。頁巖相對隔水,砂巖相對含水、儲水。但淺表部巖體受強(qiáng)卸荷及節(jié)理裂隙發(fā)育的影響,頁巖也具有一定的透水性。區(qū)內(nèi)基巖裂隙水含水性受季節(jié)影響明顯,原始坡體旱季普遍呈干燥狀態(tài),雨季則表現(xiàn)為有裂隙水沿邊坡滲出。

2.2 巖體質(zhì)量分級及物理力學(xué)參數(shù)

本工程建立了壩基巖體質(zhì)量分級體系,按五級巖體質(zhì)量劃分標(biāo)準(zhǔn),將壩區(qū)巖體具體劃分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級四級巖體。根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)類型和巖體質(zhì)量等級劃分,開展相關(guān)試驗。根據(jù)實際的地質(zhì)條件,經(jīng)分析論證和適當(dāng)調(diào)整,并結(jié)合工程類比資料給出各級巖體的物理力學(xué)參數(shù),包括巖體變形特性參數(shù)、抗剪強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度及承載強(qiáng)度等(參數(shù)略)。

2.3 邊坡設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)確定

導(dǎo)流明渠為施工期的臨時泄水建筑物,級別為4級。導(dǎo)流明渠右邊墻岸坡開挖高邊坡主要影響主體工程施工期導(dǎo)流明渠運行安全,并考慮到對電站建成后的影響及對右岸改建公路的重要性,經(jīng)綜合分析研究,考慮影響該邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的各有關(guān)因素和邊界條件,并類比大量工程邊坡實例及相關(guān)專業(yè)規(guī)程、規(guī)范擬定邊坡安全標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。

表1 各工況下邊坡的允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

3 邊坡穩(wěn)定性分析及計算

3.1 邊坡穩(wěn)定性宏觀評價及結(jié)構(gòu)分析

(1)邊坡工程區(qū)多為卸荷帶巖體,加之邊坡高陡,開挖卸荷、松弛回彈易引起層狀巖體傾倒變形,故邊坡穩(wěn)定性差。

(2)工程邊坡開挖區(qū)內(nèi)巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈,多為層狀～碎裂、層狀～鑲嵌結(jié)構(gòu)的Ⅴ級巖體,邊坡開挖后局部形成的隨機(jī)塊體對邊坡穩(wěn)定不利,也將對施工安全帶來影響。

(3)應(yīng)采用可靠、有效的邊坡支護(hù)處理措施并在施工中及時支護(hù),并每 15～20m坡高設(shè)置馬道。

(4)邊坡形成后,邊坡下部強(qiáng)卸荷帶巖體基本被挖除,強(qiáng)卸荷帶巖體下限與坡面相交,上部強(qiáng)卸荷帶巖體與相對完整巖體間形成潛在的軟弱面,考慮到邊坡巖體可能的地下水作用,需對邊坡的整體穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核。

3.2 邊坡代表性剖面

根據(jù)工程地質(zhì)資料,按邊坡不同區(qū)段沿可能的滑動破壞方向切繪大比例尺地質(zhì)剖面,作為邊坡平面模型的代表性剖面。以 K0+140～0+360m段工程邊坡為例,代表性剖面見圖1。該邊坡為巖質(zhì)邊坡,開挖區(qū)巖層總體產(chǎn)狀 N10°～50°W/SW∠40°～80°,傾向山內(nèi)偏下游,邊坡整體穩(wěn)定。該段工程邊坡無特定軟弱結(jié)構(gòu)面、軟弱層帶和貫穿性結(jié)構(gòu)面組合構(gòu)成的定位塊體,無與成組節(jié)理或?qū)娱g結(jié)構(gòu)面組合構(gòu)成的半定位塊體。

3.3 邊坡穩(wěn)定計算

(1)計算方法。根據(jù)地質(zhì)部門提供的壩區(qū)巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)、相關(guān)地質(zhì)剖面(如樁號 K+283.00m剖面圖),結(jié)合相關(guān)設(shè)計規(guī)程、規(guī)范,采用巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定分析程序“EMU"進(jìn)行計算。

(2)邊坡作用。

a.邊坡巖體自重:坡外水位線以下巖體采用浮容重,坡外水位線與坡內(nèi)浸潤線之間巖體采用飽和容重,坡內(nèi)浸潤線以上巖體采用天然容重。

圖1 樁號 K 0+283.128m邊坡剖面

b.孔隙水壓力:采用簡化方法取滑裂面至浸潤線豎直高度計算,浸潤線按不利情況根據(jù)地質(zhì)條件及經(jīng)驗取強(qiáng)卸荷帶巖體下限以上 5～10m。

c.地震慣性力:按擬靜力法計算邊坡的地震荷載,僅考慮水平向地震作用。

d.加固力:預(yù)應(yīng)力錨索作用按單位寬度作用在邊坡的主動加固力考慮。

(3)作用組合?；窘M合:自重 +岸邊外水壓力 +地下水壓力 +加固力;特殊組合:基本組合 +地震作用。

(4)設(shè)計工況。正常工況:基本組合;非常工況:雨季形成地下水位增高;特殊工況:特殊組合。

(5)計算成果及分析。根據(jù)邊坡布置及建立的邊坡結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行穩(wěn)定計算,結(jié)果見表2。表2表明,邊坡整體穩(wěn)定,但抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)偏小,需加錨索等支護(hù)加固措施以增強(qiáng)邊坡的整體穩(wěn)定性。

4 邊坡設(shè)計

4.1 設(shè)計原則

(1)確保設(shè)計邊坡穩(wěn)定安全度。

(2)滿足工程布置要求。

(3)在滿足上述兩條的前提下盡量減小開挖邊坡高度,方便施工。

(4)在不增加開挖邊坡高度及開挖工程量的前提下,盡量減少或簡化支護(hù)措施。

(5)加強(qiáng)地表、地下排水,減小水對邊坡穩(wěn)定的影響。

(6)應(yīng)對施工程序和方法提出嚴(yán)格要求。

(7)堅持“動態(tài)設(shè)計、信息化施工”原則,高度重視邊坡施工期的安全監(jiān)測,根據(jù)現(xiàn)場施工反饋的信息適時調(diào)整、優(yōu)化設(shè)計方案。

(8)充分考慮環(huán)境保護(hù)、美化環(huán)境。

4.2 開挖設(shè)計

遵循擬定的設(shè)計原則布置邊坡開挖設(shè)計輪廓:

(1)根據(jù)明渠結(jié)構(gòu)布置先期對右岸公路進(jìn)行改建,邊坡沿公路右側(cè)靠山體布置,開挖高程及起坡點滿足明渠及改建公路布置設(shè)計要求。

表2 樁號K 0+280.00m剖面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

(2)梯段開挖坡比。綜合分析邊坡工程區(qū)地質(zhì)條件、巖體及其結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性、邊坡結(jié)構(gòu)及邊坡穩(wěn)定計算成果,初擬梯段開挖坡比方案。對各方案進(jìn)行比較、論證及穩(wěn)定性分析計算,并參考其他工程邊坡實踐經(jīng)驗,最終確定開挖坡比如下(見圖1):

a.邊坡起坡點至高程 1049m為邊坡下部兩梯段 ,開挖坡比 1∶0.5。

b.高程 1049m至高程 1109m為邊坡中部四梯段 ,開挖坡比 1∶0.75。

c.高程 1109m以上梯段,巖石開挖坡比 1∶0.75,淺表部坡殘積塊碎石土開挖坡比 1∶1。

(3)梯段高度和馬道寬度。邊坡梯段高度采用15m。每一梯段設(shè)置馬道,考慮邊坡布置不增加開挖高度、方便開挖及不影響加固支護(hù)施工,馬道寬度設(shè)為 2m。

4.3 排水布置設(shè)計

減小地表水滲入坡體,阻隔地表與地下水聯(lián)系,將地表水排離邊坡范圍,并盡快排出坡體。

(1)在邊坡開口線外圍設(shè)置周邊截、排水溝,在馬道上設(shè)排水砌溝,在開挖坡面噴混凝土覆蓋。

(2)在坡面設(shè)排水孔,排水孔采用 PVC花管外包土工布,間、排距 3m,孔深 3m(后局部調(diào)整為 8～12m),10°仰角布置。

(3)在高程 1057.5m與 1098.0m分別設(shè)置一排長 30m和 40m的深排水孔,進(jìn)行深層排水。

4.4 加固支護(hù)設(shè)計

(1)框格梁錨索加固。根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析成果,在 K203～0+353m段邊坡不同高程最多共設(shè)置八排框格梁錨索(其中高程 1086.0m、1070.5m、1065.5m錨索為 2000kN,間距 5m,長度 40m;高程1055.5m、1050.5m錨索為 1000kN,間距 5m,長度35m;高程 1040.5m、1035.5m與 1032.5m錨索為1000kN,間距 5m,長度 25m),主要用于保持邊坡設(shè)計輪廓、改善邊坡應(yīng)力條件、加強(qiáng)邊坡整體穩(wěn)定性,以滿足要求的邊坡目標(biāo)安全系數(shù)。

(2)系統(tǒng)錨桿加固。邊坡采用 φ25、L=4m與φ32、L=8m兩種型號的全長粘結(jié)砂漿錨桿,以2.0m×2.0m的間、排距梅花形交錯布置,主要用于加固邊坡表層不穩(wěn)定塊體,提高邊坡淺表層全強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷巖體的完整性和整體性。

(3)坡面噴混凝土、掛網(wǎng)支護(hù)。全坡面掛 φ8@20cm×20cm鋼筋網(wǎng),巖石坡面噴 15cm、土體坡面噴 25cm厚的混凝土進(jìn)行表層支護(hù),防止邊坡表層巖土風(fēng)化剝落、雨水沖刷,保證淺表層松散巖體及土體穩(wěn)定性。

(4)隨機(jī)錨桿加固。采用全長粘結(jié)砂漿錨桿,處理施工過程中局部出露的隨機(jī)不穩(wěn)定塊體。

(5)自進(jìn)式錨桿加固。作為局部巖體松散、破碎普通砂漿錨桿施工成孔困難時的替代錨桿。

4.5 施工程序及方法

為限制施工過程中邊坡變形發(fā)展、確保施工安全與進(jìn)度,要求邊坡施工自上而下分臺階開挖,每級臺階邊坡開挖后立即進(jìn)行支護(hù)。錨噴支護(hù)及錨索未施工完畢,不得進(jìn)行下層開挖。對全強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)卸荷巖體開挖主要采用鑿裂法施工,對相對較完整巖體采用鉆爆法施工的部位嚴(yán)格控制爆破技術(shù),減少對邊坡巖體的震動和破壞。

4.6 邊坡監(jiān)測設(shè)計

根據(jù)邊坡地質(zhì)與加固工程特點,結(jié)合勘探剖面和穩(wěn)定性分析的代表性剖面,布置相應(yīng)代表性監(jiān)測剖面。在每個監(jiān)測剖面布置 2～3個監(jiān)測點。

(1)為觀測邊坡巖體內(nèi)部位移,特別是滑裂面上、下部位巖體的相對位移,布置 9套多點位移計,多點位移計必須穿過邊坡潛在的滑裂面。

(2)為了解邊坡加固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變特性,掌握加固效果,布置 8臺錨索應(yīng)力計和 17套錨桿應(yīng)力計。

(3)監(jiān)測設(shè)備的埋設(shè)應(yīng)隨邊坡開挖、支護(hù)過程即時埋設(shè)、即時觀測,以系統(tǒng)收集邊坡施工過程中邊坡變形發(fā)展特性等信息,為判斷邊坡穩(wěn)定性、及時采取處理措施、適時調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計方案提供依據(jù)。

(4)典型斷面監(jiān)測成果(2006年 8月～2008年11月過程線)見圖2。

圖2 典型斷面監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié) 語

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性條件及邊坡滑動模式,采用合理的計算方法對邊坡進(jìn)行二維穩(wěn)定性計算,為邊坡設(shè)計及加固處理提供定量的依據(jù)。采用框格梁錨索等加固措施對加強(qiáng)邊坡整體穩(wěn)定性效果明顯。根據(jù)邊坡地質(zhì)條件在適當(dāng)位置布置深排水孔降低邊坡地下水位,對邊坡整體穩(wěn)定非常有利。邊坡施工過程中,根據(jù)施工地質(zhì)及監(jiān)測資料,對局部邊坡變形過大的部位及時采取清除表層松動巖體、調(diào)整開挖坡比、局部加強(qiáng)支護(hù)及塌方凹陷處漿砌石回填等措施。

先期施工的開挖邊坡及右岸改建公路已竣工。2007年攀枝花地區(qū)雨季遇 50年一遇暴雨,后據(jù)監(jiān)測資料分析,改建公路高程以上開挖高邊坡坡體的整體變形收斂,邊坡是穩(wěn)定的。

桐子林右岸改建公路邊坡為導(dǎo)流明渠右側(cè)岸坡開挖高邊坡的一部分,該高邊坡的穩(wěn)定有利于右岸改建公路、導(dǎo)流明渠的運行以及電站主體工程施工的安全、順利進(jìn)行。

[1]楊啟貴,徐年豐,鄒從烈﹒三峽工程船閘高邊坡加固處理設(shè)計[J].水力發(fā)電,1996(3)﹒

[2]陳祖煜,等﹒巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理﹒方法﹒程序[M].北京:中國水利水電出版社,2004﹒

[3]劉平祿,周鴻漢﹒二灘水電站左岸導(dǎo)流洞出口邊坡加固處理[J].水電站設(shè)計,1994(1)﹒