彭 江,雷運華

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,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行施工的導流方式。導流明渠設計流量為 12700m3/s。

導流明渠設計布置位置從右岸Ⅰ級階地通過。右岸原桐～雅公路高程1017～1020m,因導流明渠及主體工程布置的需要,需對其進行先期改建。改建公路沿明渠右邊墻岸坡靠山體側布置,全長1010.47m,設計路面高程約 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;在改建公路左側靠雅礱江公路高程以下為導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。當導流明渠開挖完成后,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 設計基本資料

2.1 地質條件

(1)地形地貌。工程邊坡開挖區(qū)位于原桐～雅公路內(nèi)側,為平均坡度 35°～40°的原始自然山體,其外側為修建原桐～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)地層巖性及地質構造。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,巖體結構面發(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,易風化剝落,其邊坡穩(wěn)定性差。

(4)巖體風化卸荷。工程邊坡開挖區(qū)內(nèi)巖體風化卸荷強烈,主要表現(xiàn)為頁巖普遍強風化、易剝落及表淺部巖體松弛、拉裂等,為層狀～碎裂、層狀～鑲嵌結構的Ⅴ級巖體。經(jīng)地質調查及開挖揭示,巖體強風化水平深度約 20～30m,強卸荷水平深度可達30～40m。

(5)水文地質。工程邊坡開挖區(qū)內(nèi)水文地質條件較為簡單,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 巖體質量分級及物理力學參數(shù)

本工程建立了壩基巖體質量分級體系,按五級巖體質量劃分標準,將壩區(qū)巖體具體劃分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級四級巖體。根據(jù)巖體結構類型和巖體質量等級劃分,開展相關試驗。根據(jù)實際的地質條件,經(jīng)分析論證和適當調整,并結合工程類比資料給出各級巖體的物理力學參數(shù),包括巖體變形特性參數(shù)、抗剪強度、結構面抗剪強度及承載強度等(參數(shù)略)。

2.3 邊坡設計安全標準確定

導流明渠為施工期的臨時泄水建筑物,級別為4級。導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)的各有關因素和邊界條件,并類比大量工程邊坡實例及相關專業(yè)規(guī)程、規(guī)范擬定邊坡安全標準(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)定性宏觀評價及結構分析

(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)巖體風化卸荷強烈,多為層狀～碎裂、層狀～鑲嵌結構的Ⅴ級巖體,邊坡開挖后局部形成的隨機塊體對邊坡穩(wěn)定不利,也將對施工安全帶來影響。

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

(4)邊坡形成后,邊坡下部強卸荷帶巖體基本被挖除,強卸荷帶巖體下限與坡面相交,上部強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)定性進行復核。

3.2 邊坡代表性剖面

根據(jù)工程地質資料,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構面、軟弱層帶和貫穿性結構面組合構成的定位塊體,無與成組節(jié)理或層間結構面組合構成的半定位塊體。

3.3 邊坡穩(wěn)定計算

(1)計算方法。根據(jù)地質部門提供的壩區(qū)巖體及結構面參數(shù)、相關地質剖面(如樁號 K+283.00m剖面圖),結合相關設計規(guī)程、規(guī)范,采用巖質高邊坡穩(wěn)定分析程序“EMU"進行計算。

(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)地質條件及經(jīng)驗取強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:預應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構模型進行穩(wěn)定計算,結果見表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,需加錨索等支護加固措施以增強邊坡的整體穩(wěn)定性。

4 邊坡設計

4.1 設計原則

(1)確保設計邊坡穩(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措施。

(5)加強地表、地下排水,減小水對邊坡穩(wěn)定的影響。

(6)應對施工程序和方法提出嚴格要求。

(7)堅持“動態(tài)設計、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整、優(yōu)化設計方案。

(8)充分考慮環(huán)境保護、美化環(huán)境。

4.2 開挖設計

遵循擬定的設計原則布置邊坡開挖設計輪廓:

(1)根據(jù)明渠結構布置先期對右岸公路進行改建,邊坡沿公路右側靠山體布置,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)地質條件、巖體及其結構面的力學特性、邊坡結構及邊坡穩(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施工,馬道寬度設為 2m。

4.3 排水布置設計

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置周邊截、排水溝,在馬道上設排水砌溝,在開挖坡面噴混凝土覆蓋。

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

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

4.4 加固支護設計

(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計輪廓、改善邊坡應力條件、加強邊坡整體穩(wěn)定性,以滿足要求的邊坡目標安全系數(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風化、強卸荷巖體的完整性和整體性。

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

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

(5)自進式錨桿加固。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行支護。錨噴支護及錨索未施工完畢,不得進行下層開挖。對全強風化強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格控制爆破技術,減少對邊坡巖體的震動和破壞。

4.6 邊坡監(jiān)測設計

根據(jù)邊坡地質與加固工程特點,結合勘探剖面和穩(wěn)定性分析的代表性剖面,布置相應代表性監(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)為了解邊坡加固結構的應力、應變特性,掌握加固效果,布置 8臺錨索應力計和 17套錨桿應力計。

(3)監(jiān)測設備的埋設應隨邊坡開挖、支護過程即時埋設、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、適時調整和優(yōu)化設計方案提供依據(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)測結果

5 結 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行二維穩(wěn)定性計算,為邊坡設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邊坡整體穩(wěn)定性效果明顯。根據(jù)邊坡地質條件在適當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、調整開挖坡比、局部加強支護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流明渠右側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、導流明渠的運行以及電站主體工程施工的安全、順利進行。

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

[2]陳祖煜,等﹒巖質邊坡穩(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﹒二灘水電站左岸導流洞出口邊坡加固處理[J].水電站設計,1994(1)﹒