范 芹,潘志軍,章啟國

(1.浙江江能建設(shè)有限公司,浙江 杭州 310020;2.杭州市南排工程建設(shè)管理處,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

滑坡是指在一定的地形地質(zhì)條件下,由于在工程施工過程,忽視了地質(zhì)構(gòu)造和巖層結(jié)構(gòu)以及巖土性質(zhì)對邊坡穩(wěn)定性的影響,護坡過程跟不上或措施不力而引起山坡不穩(wěn)定,土體或巖體在重力作用下,沿著一定作用面(帶)作整體的、緩慢的、間歇性的滑坡變形現(xiàn)象。它對山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)危害極大。隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展,邊坡滑移產(chǎn)生的問題越來越嚴重。為了有效地控制邊坡巖體滑移,減少由此而造成的損失,必須對邊坡滑移的成因、運動規(guī)律及防治措施進行深入的研究。

某水電站廠房邊坡位于云南牛欄江的右岸,該邊坡開挖高度較大,總開挖高度大于100 m。其中第1級廠房邊坡高約53m,開挖坡率約為1∶0.5,開挖邊坡長度約120 m;廠房邊坡頂部為一寬度12～20 m的主變場平臺,第2級主變場邊坡高約35 m,開挖坡率約為1∶0.75,開挖邊坡長度約60m。邊坡巖體較破碎,且存在緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面,邊坡潛在安全穩(wěn)定問題。為保證發(fā)電廠房等建筑物在施工期間和水電站正常運行后的安全,需要對廠房邊坡進行加固治理。

2 地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

工程建設(shè)區(qū)內(nèi)地形條件復雜,岸坡陡峻,屬構(gòu)造侵蝕中山地貌。河谷兩岸地形不對稱,河谷左岸地形較陡,地形坡度大于60°,大多基巖裸露;右岸地形坡度稍緩,一般30～60°,自然地形呈臺階式,廠房及調(diào)壓井上方的自然地形均為陡崖。

2.2 地層巖性

廠房所在場地出露二迭系下統(tǒng)陽新群(P1y)灰?guī)r,巖溶較發(fā)育,巖體呈強風化到弱風化,巖石節(jié)理發(fā)育。工程所在邊坡區(qū)的上部為厚層和塊層構(gòu)造灰?guī)r,而工程邊坡區(qū)段的原始地層為中厚層灰?guī)r。廠房所處部位的表層巖土為河流階地洪積堆積物,廠基置于弱風化灰?guī)r上。由圖1可見,邊坡開挖形成3級平臺,分別為1 082 m廠房平臺、1 135 m主變場平臺和1170m辦公區(qū)平臺,各級平臺邊坡巖體的結(jié)構(gòu)特征和完整性有較大的差別。

1 170 m平臺后緣邊坡為自然邊坡陡壁,巖體結(jié)構(gòu)特征可明顯區(qū)分為上下2部分。上部巖體破碎,表現(xiàn)為碎塊石經(jīng)歷后期鈣質(zhì)膠結(jié),且有較大的溶洞和架空現(xiàn)象存在,巖體表現(xiàn)出明顯的經(jīng)歷塌滑破碎過程的痕跡;下部巖體結(jié)構(gòu)完整,呈厚層塊狀構(gòu)造。

1 135 m平臺上邊坡的巖體結(jié)構(gòu)劃分成上下2部分。上部邊坡巖體主要為碎塊石,是地質(zhì)歷史上崩塌和溶洞坍塌形成的堆積體,碎石土層厚5～10 m。邊坡下部巖體較破碎,表現(xiàn)出明顯的受崩滑體沖擊而形成密集縱張裂隙的特征和錯動破碎特征。

廠房開挖邊坡巖體完整性差,開挖坡面巖體破碎、裂隙發(fā)育。坡腳段巖體完整,完整巖體與破碎巖體的分界線為1個小斷層。斷層面以上坡體強烈破碎,斷層面以下則為完整巖體。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造與區(qū)域穩(wěn)定性

電站工程區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上位于南嶺東西向復雜構(gòu)造帶的西延部位及云南山字型構(gòu)造東翼。工程區(qū)處于東部搪房背斜與西部天生橋向斜之間,所要研究的廠房邊坡處于單斜構(gòu)造范圍內(nèi)。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》,該區(qū)地震峰值加速度為0.10 g,場地地震動反應譜特征周期為0.45 s,相應地震基本烈度為Ⅶ度。

2.4 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)由于河道急劇下切,兩岸邊坡陡峻,植被稀少,水土流失嚴重。地表水系不發(fā)育,地下水類型主要為松散巖類孔隙水和巖溶裂隙水,接受大氣降水補給,地下水對混凝土無侵蝕性。

3 穩(wěn)定性分析

廠房邊坡在未進行邊坡開挖前的自然斜坡是穩(wěn)定的,邊坡開挖后的變形破壞主要表現(xiàn)為坡面巖石塊體的局部塌落,未見反映邊坡整體變形破壞的形跡,邊坡仍具有一定的整體穩(wěn)定性。但開挖的廠房邊坡坡腳附近存在緩傾坡外的斷層,邊坡巖體完整性較差,故邊坡整體穩(wěn)定性的安全余度不高,必須進行加固處理。

對于坡面巖體潛在的局部坍塌破壞問題,采用系統(tǒng)錨桿進行全面加固,能夠防止邊坡坡面地質(zhì)災害的發(fā)生。

3.1 計算模型

首先選取計算剖面,該剖面應能夠反映邊坡潛在的破壞方式,并能代表邊坡的整體穩(wěn)定性。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料,選擇典型剖面(見圖1)進行計算分析。

圖1 邊坡穩(wěn)定性計算剖面圖

從圖1可以看到,該計算剖面經(jīng)過潛在滑體分布的1 170m平臺的最后緣,代表的潛在滑體方量最大,對該剖面進行加固設(shè)計,確保加固后剖面潛在滑體的穩(wěn)定性,就能夠達到確保潛在滑坡體的整體穩(wěn)定性。在穩(wěn)定性分析計算中,分別計算邊坡開挖前后的穩(wěn)定性。

潛在滑坡底滑面依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查資料和勘探及施工資料綜合確定。潛在滑面的后緣是松散堆積土與完整巖體的接觸面,滑面在開挖坡面的出露位置是破碎巖體與完整巖體的分界線。

3.2 邊坡穩(wěn)定性計算分析

邊坡穩(wěn)定性分析的基本方法是平面極限平衡下限解法,具體可采用Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法和不平衡推力傳遞系數(shù)法。

合理確定邊坡潛在滑面的力學參數(shù)是進行邊坡防護設(shè)計的基礎(chǔ)。邊坡潛在的底滑面為由巖塊巖屑組成的斷層破碎帶,限于工程條件,無法進行原位力學試驗,也無法取得原狀巖土試樣進行室內(nèi)力學試驗。因此,需要取滑面強度參數(shù)經(jīng)驗值和采用反演計算法確定潛在滑面的力學參數(shù)。

根據(jù) 《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》 (GB 50287—99)對結(jié)構(gòu)面、軟弱層、斷層的抗剪斷強度取值建議,對巖塊巖屑結(jié)構(gòu)面的抗剪斷強度為 f′=0.55～0.45(Φ=28～240)、C′=25～ 10 kPa。

滑面力學參數(shù)通過反算法確定,即根據(jù)邊坡所處的發(fā)育階段及其相應的穩(wěn)定程度,用開挖后的剖面進行反算。通過廠房邊坡穩(wěn)定性分析,依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)論,認為開挖后邊坡尚未進入明顯的蠕動擠壓變形階段,而且此邊坡經(jīng)歷過幾次地震而不發(fā)生明顯的變形破壞,故取設(shè)計基本地震烈度Ⅶ度條件下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.10作為反演計算的依據(jù),不再考慮地震力的影響。應用Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法和不平衡推力傳遞系數(shù)法,反演計算滑面的力學參數(shù)。

反演計算過程中首先依據(jù)有關(guān)規(guī)范和經(jīng)驗確定滑面的內(nèi)聚力Φ為20 kPa,然后采用不同的計算方法反演計算出內(nèi)摩擦角φ。據(jù)此反算邊坡潛在滑面的力學參數(shù)(見表1)。

表1 不同計算方法反演潛在滑面的力學參數(shù)表

用邊坡開挖后的潛在滑坡穩(wěn)定性計算剖面獲得的滑面強度參數(shù),計算原始地形條件下的穩(wěn)定性系數(shù)見表2。從表中可以看出,廠房邊坡開挖后邊坡的整體穩(wěn)定性系數(shù)下降了0.09。為將開挖后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高到開挖前的水平,就需進行加固處理,以將邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)恢復到原始斜坡的水平。因此,為保證邊坡的長期穩(wěn)定與安全,需要采取加固措施,以彌補由邊坡開挖引起的穩(wěn)定性的降低。

表2 邊坡開挖前的安全系數(shù)表

4 邊坡治理設(shè)計

4.1 治理設(shè)計原則

結(jié)合研究區(qū)域地質(zhì)環(huán)境及邊坡的變形破壞特征與穩(wěn)定性狀況,采用技術(shù)可靠、經(jīng)濟有效的治理措施,對邊坡進行加固處理,以防止邊坡發(fā)生變形破壞而影響廠房的施工和正常運營。

4.2 設(shè)計方案

由于不具備放緩邊坡的環(huán)境條件,可行的處治措施是進行邊坡加固。具體加固措施的選擇是依據(jù)穩(wěn)定性分析計算結(jié)果和現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查結(jié)果,并綜合考慮現(xiàn)場施工環(huán)境和施工條件的影響而定的。

具體加固措施為:采用坡面地表排水系統(tǒng),減少地表水在邊坡表面流動和向邊坡深部入滲,提高邊坡表面和整體穩(wěn)定性;采用系統(tǒng)錨桿和掛網(wǎng)噴漿來提高開挖邊坡坡體表面破碎巖體的穩(wěn)定性,防止局部坍塌和崩塌的發(fā)生;采用預應力錨索+框格梁加固體系及水平排水孔來提高邊坡的整體穩(wěn)定性,防止邊坡沿潛在的滑面發(fā)生滑動變形。

加固后邊坡的整體穩(wěn)定性滿足有關(guān)規(guī)范的安全要求,并使開挖后的邊坡穩(wěn)定性達到開挖前的水平。按照這樣的設(shè)計思路,根據(jù)剩余推力法計算,錨索需要承擔的抗滑力為756 kN/m。

綜合考慮經(jīng)濟、錨固效果以及施工條件、潛在底滑面產(chǎn)狀等因素,確定錨索傾角為25°;計算得單寬錨固力為T=735 kN/m。為了保證破碎巖體坡面的承載力,采用小噸位的預應力錨索,根據(jù)合理間距的范圍,選擇縱橫梁間距均為5m,錨索剖面布置和平面布置見圖2和圖3,即在沿坡面30 m長的范圍內(nèi)布置7排預應力錨索,排距5 m。則單根錨索的設(shè)計錨固力為N=T×5/6=613 kN?？紤]1.2的安全系數(shù),實際設(shè)計錨固力取N=750kN。為保障邊坡錨固體系的長期安全穩(wěn)定性,防止個別錨桿和錨索失效對邊坡穩(wěn)定性的影響,并確保錨固施加的預應力能均勻地分布到邊坡的坡面上,防止坡面巖體破碎影響錨索預應力的保持,設(shè)計方案中采用大斷面框格梁系統(tǒng)。其中的縱梁在一定程度上起到抗滑樁的作用,以便充分發(fā)揮邊坡坡腳段錨桿的加固作用。

圖2 錨索剖面布置圖

圖3 框格梁及錨索平面布置圖

4.3 施工方案

整個加固工程分框格梁、預應力錨索、錨桿和泄水孔4部分。其中框格梁采用C30混凝土,鋼筋采用Ⅰ級鋼和Ⅱ級鋼。其中縱梁寬800 mm,高1 200 mm,橫梁寬600 mm,高800 mm。受力鋼筋保護層厚度40 mm。

預應力錨索采用1 860級高強度低松弛鋼絞線,最小破斷力260.7kN,直徑15.24 mm,錨索錨具采用OVM15-6型張拉錨具。錨索每束6根,傾角25°。單根錨索設(shè)計噸位750 kN,預應力張拉噸位825 kN。有效內(nèi)錨固段長度不小于8 m,鉆機成孔,孔徑130 mm,傾角25°。

錨索施工順序為:錨索鉆孔,錨孔1次注漿;框格梁澆筑;錨索2次張拉;補充灌漿及封錨等。錨索施工前做好錨索拉拔試驗,檢驗巖體與砂漿間的抗剪強度 (石灰?guī)r,τ≥1 MPa),以驗證錨索的有效錨固長度。錨索長度可根據(jù)具體的鉆孔資料確定的完整基巖的位置適當變化,但應保證錨固段的長度不小于8 m。錨索編制前應對每根錨索都要進行捆扎質(zhì)量檢查,除銹除油污,對有死彎,機械損傷應剔除,確保滿足設(shè)計要求。錨體張拉應分2次進行,第1次張拉按5級張拉(即錨索設(shè)計噸位的25%,50%,75%,100%,110%5級),前4級穩(wěn)定時間為 3 min,第1次張拉后6～10 d再進行1次張拉,以便補償錨索的松弛和地層的徐變等因素造成的預應力損失。在引水隧洞軸線兩邊的錨索應在隧洞爆破開挖完成后再進行預應力張拉,避免爆破導致預應力過大損失,必要時應進行補償張拉。張拉前應對張拉設(shè)備進行標定,作為張拉的依據(jù),并在正式張拉前用10%或20%設(shè)計拉力進行預張拉,以便索體各部位接觸緊密,索體完全順直。

錨桿采用φ 36鋼筋,鉆機成孔,孔徑110 mm,錨桿采用全長粘結(jié)型錨桿,錨桿長度15 m,傾角25°,錨桿外端垂直彎起,長度1 000mm,保證與框格梁的粘結(jié)。錨索 (桿)注漿采用M40水泥砂漿,配合比由試驗確定,注漿壓力不小于1.5MPa,注漿用水泥為42.5R普通硅酸鹽水泥,施工時水泥砂漿應攪拌均勻,1次拌和的水泥砂漿應在初凝前用完。錨孔注漿時,采用1次注漿法,將自由端涂滿防銹油,油脂須采用無粘結(jié)預應力筋專用防腐潤滑脂,套上PVC套管,1次將錨固段和張拉段注滿,不能留空隙。自由段每隔2 m設(shè)置1道定中件。錨桿施工順序可以分為:錨桿鉆孔,錨桿注漿;框格梁澆筑。

泄水孔孔徑100 mm,孔深8 m,向上傾角5°。

整個治理工程施工前應整平坡面,清除坡面表面浮石,施工過程中,施工影響區(qū)設(shè)立警示標志,作業(yè)面影響范圍內(nèi)人員撤離。

5 結(jié) 論

基于以上對滑坡的基本特征和穩(wěn)定性分析,通過采取排水系統(tǒng)與抗滑支擋有機結(jié)合的工程治理措施,從目前滑坡地面調(diào)查情況看,滑坡區(qū)無新的變形破壞跡象,表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

可以看出,采取排水系統(tǒng)與抗滑支擋有機結(jié)合的綜合處治方案是保障該滑坡處治工程獲得成功的關(guān)鍵。在排水系統(tǒng)設(shè)計中,根據(jù)滑坡體水文地質(zhì)情況,可采用地表排水系統(tǒng);在抗滑支擋工程設(shè)計中,根據(jù)滑坡體的滑動位移特點、滑坡推力特征、地形條件及地層結(jié)構(gòu)情況選擇恰當?shù)闹醴桨甘墙档突绿幹喂こ藤M用獲取最佳處治效果的先決條件。