聶云峰，張 義，徐自享

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院 交通分院，四川 成都 610072)

1 前 言

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內大渡河上游干流上，為大渡河干流河段梯級開發(fā)規(guī)劃的第十梯級電站，是以發(fā)電為主，兼有防洪等綜合利用效益的大型水利水電樞紐工程。電站裝機容量2 600MW，水庫正常蓄水位1 690m。長河壩水電站上距丹巴縣城約85km，下距瀘定縣城、康定縣城分別約50km、51km，距成都公路里程約360km，省道S211公路從電站樞紐區(qū)右岸通過，并在下游瓦斯河口與國道G318線相接，交通較為方便。根據(jù)《長河壩水電站可行性研究報告》設計成果，按照電站水庫淹沒影響及施工總布置要求, 需對該段S211省道進行復建。

長河壩水電站S211復建公路K13+510～K13+600m段邊坡陡峻，坡度約40°～65°，大部基巖裸露，巖體卸荷強烈，線路在該陡坡段以外擋內挖方式通過，支護措施為預應力錨索擋土墻及噴錨支護等。影響巖質高陡邊坡的穩(wěn)定性的因素主要分為兩類：內在因素與外在因素。內在因素包括不利結構面組合、巖體質量、巖體風化卸荷特征等；外在因素包括爆破震動、地下水、地震等。根據(jù)優(yōu)勢結構面理論，巖質邊坡工程不僅應注意邊坡整體穩(wěn)定性，也應注意局部塊體穩(wěn)定。

本文根據(jù)巖質邊坡實際情況，采用巖質邊坡穩(wěn)定分析程序對大渡河水電站典型高陡巖質邊坡整體穩(wěn)定性進行了計算分析，分析了處于不利結構面組合中的危巖體，并根據(jù)計算結果提出了有效加固措施。

2 高陡巖質邊坡地質條件

2.1 地形地貌

工程區(qū)屬深切峽谷地貌，河谷狹窄，谷坡陡峻，河谷下部主要為“V”形谷，局部為峽谷，中上部為寬谷。地形坡度一般40°～45°，局部45°～65°，河床寬度60～150m。該段兩岸分布多條小沖溝，溝槽中分布少量崩積塊碎石，結構松散。

2.2 地層巖性

工程區(qū)巖性為晉寧期-澄江期淺灰色～灰白色花崗巖，花崗巖體內含有深灰色輝長巖捕虜體，巖體間呈焊接式接觸關系。

花崗巖呈淺灰、淺灰白色，偶見肉紅色，中細粒、中粗?；◢徑Y構，塊狀構造。其礦物成分主要有斜長石、鉀長石、石英、黑云母及少量副礦物(如細粒鐵礦、榍石、磷灰石等)組成。其中斜長石約35%～50%，石英約20%～30%，鉀長石為20%～30%，黑云母約2%～4%。石英閃長巖、輝長巖及淺灰色粗粒黑云母花崗巖局部分布。

2.3 地質構造

工程區(qū)無區(qū)域性斷裂、斷層通過，地質構造以節(jié)理裂隙(裂隙密集帶)為主要特征，屬于Ⅳ～Ⅴ級結構面，主要為原生結構面及構造結構面，個別為次生結構面。

巖體內發(fā)育的裂隙主要有4組:(1)N20°～50°E/SE∠30°～55°，(2)N20°～40°E/SE(NW)∠75°～85°，(3)N60°～85°W/NE(SW)∠70°～85°，(4)N10°～30°E/ NW∠10°～30°。1組結構面間距2～5m，結構面延伸長均在數(shù)十米以上，部分貫穿整個左右岸，將岸坡巖體切割成似層狀，面多平直，微起伏粗糙，一般張開1～5mm，局部張開5～8mm，嵌合松弛，連通性較好。因此，該組結構面是控制壩區(qū)岸坡穩(wěn)定和洞室穩(wěn)定的主要控制性結構面。2和3 組結構面間距1～3m，結構面延伸長均在10～30m以上，面多起伏粗糙，張開0.5～2mm，嵌合較松弛，連通性較好；4組緩傾結構面延伸長度幾米至十余米，常單條發(fā)育，局部地段發(fā)育密度大，面多起伏粗糙，一般張開0.2～1mm，連通性較好。

2.4 水文地質條件

大渡河兩岸沖溝旱季無水，僅暴雨期匯集較小流量，向大渡河排泄。

工程區(qū)根據(jù)地下水的賦存條件，含有少量基巖裂隙水。岸坡一般弱風化上段(強卸荷)巖體具強～極強透水性；弱風化下段(弱卸荷)巖體具中等～強透水性；微新巖體具弱微透水性。

2.5 地 震

根據(jù)該水電站工程場地地震安全性評價報告，該區(qū)50年超越概率10%的基巖動峰值加速度為0.172g(地震基本烈度為Ⅷ度)，動反應譜特征周期為0.45s。故公路結構物或構造物水平地震峰值加速度和反應特征周期分別按0.172g和0.45s進行抗震設防。

2.6 巖體風化卸荷特征

工程區(qū)巖體主要為花崗巖，巖石致密堅硬，抗風化能力強，風化作用主要沿裂隙進行，局部可見球狀風化，其風化強度、深度和分布規(guī)律明顯受構造、地形、巖體卸荷和地下水等因素控制，總的風化特征是：

(1)巖體風化微弱，淺表部位巖石總體屬弱風化，主要表現(xiàn)為沿裂面多有銹蝕、褪色或2～5mm風化暈。擠壓斷層破碎帶或裂隙密集帶，往往局部風化較強，形成夾層風化。

(2)巖體風化隨高程降低而有所減弱，河床巖體風化一般較淺。

(3)巖體卸荷促進巖體風化的加劇，岸坡巖體風化程度隨著卸荷作用的增強而有所增強。

(4)在有地下水活動處巖石風化亦相對較強。

(5)弱風化巖體的聲波縱波波速Vp=3 000～4 500m/s。

(6)弱風化帶巖體根據(jù)其風化程度和工程意義可進一步分為弱風化上段和下段，弱風化上段一般與強卸荷帶相對應，弱風化下段與弱卸荷帶相對應。

工程區(qū)巖體具有集中卸荷和夾層式風化的特點，弱風化深度約3～14m，強卸荷深度30～40m，弱卸荷深度80～120m。

2.7 局部危巖體發(fā)育特征

工程區(qū)地形陡峻、巖體堅硬致密、節(jié)理裂隙發(fā)育、懸崖眾多，為斜坡巖體松動并轉化為危巖體創(chuàng)造了條件，只要是斜坡地形較陡的地段都不同程度的發(fā)育危巖體。危巖體的主要特征為：巖體被三組至四組節(jié)理裂隙切割，巖體嚴重松動，節(jié)理裂隙張開1～20cm，有的危巖體僅有底面與斜坡基巖接觸，周圍臨空。工程區(qū)發(fā)育的危巖體是公路主要的不良地質現(xiàn)象，對公路安全運行構成了較為嚴重的威脅。

3 邊坡整體穩(wěn)定性分析評價

3.1 邊坡概況

工程區(qū)所在公路等級為三級，巖質邊坡按其所屬公路工程等級、邊坡所處位置、邊坡重要性等分析，工程區(qū)地質條件較復雜，屬于一級邊坡，為高陡永久邊坡。

高陡巖質邊坡典型斷面K13+550m處邊坡高46.9m，坡度約50°～60°，最陡處約60°～70°，表層卸荷較強烈，節(jié)理裂隙較發(fā)育，結構面微張～張開，巖體被三組至四組節(jié)理裂隙切割形成軟弱結構面，結構面類型為巖屑夾泥。

因該處斜坡陡峻，若采用內挖邊坡方式，則開挖形成三級巖質高邊坡。該段邊坡裂隙較發(fā)育，卸荷較強烈，1組結構面和2組結構面易形成不利結構面組合，影響邊坡整體穩(wěn)定。綜上所述，如采用邊坡開挖方案則支護工程量較大，工程造價較高，不能滿足經濟、合理、有效的工程設計原則。因此該段邊坡采用了不開挖外擋方案，即階梯式錨索擋土墻方案，利用擋土墻自重反壓邊坡，并使預應力錨索穿過巖體強卸荷下限，進入弱風化弱卸荷花崗巖一定深度，確保邊坡整體穩(wěn)定。

3.2 邊坡安全系數(shù)取值

根據(jù)(JTG D30—2004)《公路路基設計規(guī)范》第3.7.4條規(guī)定，路塹邊坡穩(wěn)定性驗算時，其穩(wěn)定性系數(shù)應滿足表1規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)要求，否則應對邊坡進行支護。

表1 路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

3.3 邊坡設計標準

3.3.1 邊坡荷載組合

對于開挖后的邊坡，荷載組合為自重+天然狀態(tài)地下水壓力；對于施加支護后的邊坡，荷載組合為自重+天然狀態(tài)地下水壓力+支護措施加固力+路面汽車軸載。工程區(qū)車輛荷載為汽車—80級，汽車軸載為530kN,軸間距3m。

3.3.2 邊坡設計工況

邊坡設計工況分為三種，分別為：

(1)正常工況：邊坡處于天然狀態(tài)下的工況；

(2)正常工況Ⅰ：邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨狀態(tài)下的工況；

(3)非正常工況Ⅱ：邊坡處于地震等荷載作用狀態(tài)下的工況。

3.4 邊坡整體穩(wěn)定性計算依據(jù)

3.4.1 典型剖面選取

通過現(xiàn)場地面地質調查，本文選取K13+550m處具有代表性的沿主滑方向(優(yōu)勢結構面組合方向即1組結構面與2組結構面的不利結構面組合方向)的剖面進行穩(wěn)定性計算，以便詳細分析評價高陡巖質邊坡的情況。

3.4.2 滑面假設及滑移模式

根據(jù)現(xiàn)場地質調查，上述高陡邊坡基巖裸露，巖性為花崗巖，卸荷較強烈，節(jié)理裂隙較發(fā)育，部分結構面連貫性較好，巖體可能沿不利結構面組合即軟弱結構面產生平面滑動。

3.4.3 計算方法

本文采用水科院陳祖煜院士開發(fā)的EMU巖質邊坡穩(wěn)定性分析軟件，計算方法主要采用嚴格janbu(檢布)法、簡化Bishop法。

3.4.4 計算工況

結合滑移模式，本文分別核算了三種工況，即天然條件、降雨條件(按孔隙水壓力系數(shù)γu=0.2考慮)、8度地震工況。

3.4.5 計算參數(shù)

邊坡計算選取強度參數(shù)見表2。

表2 邊坡穩(wěn)定計算參數(shù)

暴雨或長時間降雨工況下軟弱結構面凝聚力選取為0.035MPa，地震工況下軟弱結構面凝聚力選取為0.03MPa。

3.4.6 邊坡開挖及支護方案

K13+550m處邊坡較為陡峻，采用不開挖外擋即錨索擋土墻支護方案(見圖1)。具體開挖及支護方案如下：

邊坡高53.8m，高陡巖質邊坡按規(guī)范要求開挖呈階梯型，高寬比1∶0.5。底寬4.475m，階梯高2～3m，階梯寬1～1.5m。擋土墻基礎及墻身均采用C15片石混凝土。

沿剖面方向布置2根8φ15.2預應力錨索，鎖定張拉力為1 000KN，錨索長30m，下傾10°～15°。錨桿采用￠25注漿錨桿，長4.5m，錨入巖體3.5m，梅花型布置。

3.5 邊坡整體穩(wěn)定性計算

本次利用極限平衡分析方法進行計算，其穩(wěn)定系數(shù)見表3。

表3 邊坡整體穩(wěn)定性計算結果

3.6 邊坡整體穩(wěn)定性評價

根據(jù)邊坡整體穩(wěn)定性計算結果，K13+550m自然邊坡在天然工況下為基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下為欠穩(wěn)定狀態(tài)，在地震工況下為失穩(wěn)狀態(tài)。K13+550m邊坡施加錨索+噴錨支護后在天然工況及暴雨工況下為穩(wěn)定狀態(tài)，在地震工況下為基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4 邊坡局部危巖體穩(wěn)定性分析評價

工程區(qū)斜坡陡峻，該段公路上方約20m陡坡處分布危巖體，巖體松動變形強烈，局部懸空。根據(jù)現(xiàn)場調查，邊坡為N27°E/SE∠60°,危巖體主要被三組結構面切割：

圖1 K13+550m處邊坡開挖支護示意

(1)L1:N35°E/SE∠43°；

(2)L2:N30°E/SE∠80°；

(3)L3:N73°W/NE∠78°。

從圖2可見，L1結構面與L2結構面與坡面傾向相同，L1結構面為順坡向中傾節(jié)理，傾角小于坡角。L2結構面為順坡向陡傾節(jié)理，傾角大于坡角。L3結構面基本垂直于邊坡坡向，屬于橫坡向陡傾節(jié)理。因此L1、L2、L3結構面與坡面組成較明顯的不穩(wěn)定塊體，穩(wěn)定性較差，判定為危巖體。

建議工程區(qū)根據(jù)局部危巖體分布情況，有針對性的采用長錨桿及錨筋束加固方案，錨桿與錨筋束與結構面應大角度相交，若塊體體積較小時可采取爆破清除方案，確保邊坡局部塊體穩(wěn)定性。

5 結論及建議

5.1 結 論

(1)巖質邊坡開挖后在某些工況下可能沿軟弱結構面即不利結構面組合產生失穩(wěn)，施加錨索后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)明顯提高，無邊坡整體失穩(wěn)現(xiàn)象。根據(jù)穩(wěn)定性計算結果和邊坡結構特征分析，施加支護后該邊坡整體穩(wěn)定，邊坡支護設計方案合理有效。

圖2 邊坡主要結構面赤平極射投影

(2)高陡巖質邊坡局部存在危巖體，本文利用赤平極射投影圖分析評價了結構面對邊坡局部塊體穩(wěn)定性的影響，提出了相應加固措施。

5.2 建 議

(1)邊坡支護設計時應根據(jù)現(xiàn)場實際地質情況，因地制宜采用多種支護手段，選擇經濟合理有效的支護方案。

(2)巖質邊坡整體穩(wěn)定狀態(tài)主要取決于軟弱結構面，應查清軟弱結構面分布及其對邊坡巖體的不利影響因素，為邊坡加固方案提供符合實際情況的設計參數(shù)。

(3)邊坡錨索施工時應充分考慮軟弱結構面的走向及傾角，為最大限度發(fā)揮錨索的作用，應盡可能使預應力錨索與軟弱結構面大角度相交。

(4)巖質邊坡爆破震動對巖體結構面力學性能產生較大影響，對高陡巖質邊坡采取弱爆破方式，保證巖質邊坡的穩(wěn)定性。

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