喬介平，殷本林

(1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都610051;2中國水利水電第七工程局有限公司第二分局，四川成都 611730)

1 概述

錦屏一級水電站大壩左岸復(fù)雜的地質(zhì)條件給邊坡開挖帶來了前所未有的難度和挑戰(zhàn)，其地質(zhì)條件之復(fù)雜、錨固工程規(guī)模之大、復(fù)雜程度之高為國內(nèi)外水電工程所罕見。錦屏一級水電站大壩左岸邊坡巖體受地質(zhì)構(gòu)造作用影響強烈，巖體內(nèi)斷層、層間擠壓錯動帶、節(jié)理裂隙發(fā)育，左壩肩及抗力體范圍內(nèi)發(fā)育有f5、f8、f42-9斷層及煌斑巖脈、深部裂縫。如何保證邊坡開挖施工期的安全穩(wěn)定問題是工程面臨的最大難題之一。

從分析施工期影響邊坡穩(wěn)定因素入手，制定了邊坡穩(wěn)定控制對策，創(chuàng)新地采取了結(jié)構(gòu)面斷層置換錨固、控制性分級開挖支護和分級預(yù)警等動態(tài)施工技術(shù)，有效地解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下高陡邊坡開挖安全穩(wěn)定問題。所取得的技術(shù)成果和經(jīng)驗，可為國內(nèi)類似高拱壩施工提供借鑒和指導(dǎo)。

2 工程基本情況

錦屏一級水電站拱壩壩高305 m，為世界第一高拱壩，壩址區(qū)為典型的深切河谷，左岸壩肩自然邊坡坡高超過1000 m，開挖后壩肩從2120 m高程至1580 m 高程形成540 m 的高邊坡，開挖方量達550萬m3。左岸開挖邊坡的巖性主要為大理巖，該邊坡斷層、裂縫發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜，是目前水電工程開挖高度最高、規(guī)模最大、穩(wěn)定條件最差的邊坡之一。大壩左岸邊坡開挖設(shè)計情況見圖1。

圖1 錦屏一級水電站左岸邊坡開挖設(shè)計圖

2.1 地貌與巖性特征

左岸壩肩及高程1885 m 以上的邊坡為典型的反向坡，巖層走向與谷坡走向基本一致，傾向坡里。高程1800 m 以上由砂板巖組成;高程1800 m 以下由大理巖組成。在微地貌上，高程1750 m以上梁溝相間，Ⅱ、Ⅴ勘探線為相對突出的山梁，其間為槽谷狀地形。

2.2 主要結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)特征

左岸壩肩及高程1885 m 以上邊坡巖體中發(fā)育的斷層有f5、f8、f42-9等，這些結(jié)構(gòu)面延伸長度大，具有一定寬度的破碎帶和影響帶，帶內(nèi)物質(zhì)力學(xué)性質(zhì)差，往往構(gòu)成控制邊坡變形和滑動破壞的邊界。左岸邊坡開挖揭露的主要結(jié)構(gòu)面見圖2。對錦屏一級水電站大壩左岸高邊坡影響最大的主要斷層和結(jié)構(gòu)面有:

(1)f5斷層:貫穿分布于左壩肩巖體內(nèi)，在砂板巖中破碎帶寬度一般為4～8 m;在大理巖中，破碎帶一般寬1～3 m，沿斷面局部有2～3 cm 的斷層泥。

(2)f8斷層:位于f5斷層外側(cè)，基本平行f5斷層延伸，由構(gòu)造角礫巖、糜棱巖、斷層泥組成。在砂板巖中，f5、f8斷層之間形成了寬10～20 m的破碎帶和影響帶，構(gòu)成了控制左岸壩肩邊坡巖體變形拉裂和可能失穩(wěn)破壞的重要切割邊界。

(3)f42-9斷層:產(chǎn)狀近EW S∠40°～60°，該方向斷層集中發(fā)育在砂板巖中，成組出現(xiàn)，其中f42-9斷層規(guī)模相對較大，破碎帶寬度一般為20～40 cm，局部可達100 cm，主要由散體結(jié)構(gòu)的巖屑、角礫及泥質(zhì)物質(zhì)組成。該組斷層傾向上游偏坡外，構(gòu)成了控制坡體變形失穩(wěn)的主要地質(zhì)邊界。

(4)煌斑巖脈(X):一般寬約2～3 m，產(chǎn)狀N60°～80°E SE∠70°～80°。在構(gòu)造改變過程中與圍巖接觸面多發(fā)育成小斷層，因此，陡傾坡外的煌斑巖脈構(gòu)成了控制邊坡變形穩(wěn)定的重要地質(zhì)邊界。

圖2 左岸邊坡開挖揭露的主要結(jié)構(gòu)面示意圖

3 對影響工程安全穩(wěn)定的關(guān)鍵因素進行分析

(1)通過地質(zhì)評價并采用多種方法進行分析論證后認(rèn)為:左岸壩肩天然邊坡是基本穩(wěn)定的;

(2)對左岸邊坡整體穩(wěn)定性起控制作用的主要結(jié)構(gòu)面為f5、f8、f42-9斷層、X 煌斑巖脈及深部裂縫等特定結(jié)構(gòu)面。上述結(jié)構(gòu)面空間組合可形成多種滑移模式，其中拱肩槽開挖后出露的f42-9斷層是控制左岸拱肩槽開挖邊坡整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

(3)對施工期的穩(wěn)定性分析結(jié)果表明:左岸邊坡在高程2110 m 至1885 m 的開挖階段，為邊坡減載的過程，邊坡穩(wěn)定性有一定提高。在高程1885 m 至以下的開挖階段，由于潛在滑體前沿剪出口的阻滑區(qū)巖體被挖除，開挖邊坡的穩(wěn)定性明顯降低。最終經(jīng)采用綜合加固措施，即錨索+錨固洞+抗剪洞+隨機錨桿的加固處理，提高了邊坡的穩(wěn)定性，達到了設(shè)計要求。

(4)左岸高程1960 m 以上邊坡為傾倒變形巖體。受傾倒變形巖體的影響，該區(qū)域已經(jīng)形成了由陡傾拉裂面構(gòu)成的后緣面，穩(wěn)定控制模式為剪斷傾倒破壞巖體的滑動破壞。

(5)根據(jù)邊坡開挖施工動態(tài)反饋分析成果得知，當(dāng)邊坡開挖至高程1885 m 時，高程1885 m平臺巖體在開挖卸載作用下向臨空面卸荷回彈，高程1885 m 上部巖體沿已有的斷層、巖脈以及多條深部裂縫產(chǎn)生松弛或張開并產(chǎn)生往下的剪切滑移變形。由于開挖邊坡高度較高，巖體開挖卸荷作用較強烈，卸荷范圍較大，需重點對f42-9斷層的加固方案和時機進行重點研究。

(6)潛在失穩(wěn)塊體組合多，潛在滑出面密集，分布平面和高程范圍大，在空間上具有很強的復(fù)雜性。從開挖過程穩(wěn)定性分析成果可以看出，錦屏一級水電站大壩左岸邊坡開挖過程中潛在失穩(wěn)的塊體主要分布在高程1750 m 以上，以潛在滑出面密集，基本覆蓋了高程1750 m 以上的整個邊坡。

(7)隨著開挖的不斷進行，潛在失穩(wěn)塊體不斷變化，呈現(xiàn)出隨開挖時間的動態(tài)變化。隨著開挖和支護措施的不斷進行，最危險局部塊體逐漸變化，從最初的最危險塊體f8+層面到開挖至高程1885 m 時的f5+層面，最后到開挖支護完成時的f5+f8+層面組合危險塊體?？梢哉f，局部塊體穩(wěn)定性問題在不斷地變化，因此，要特別注意對可能出現(xiàn)的邊坡局部穩(wěn)定性問題進行及時處理。

(8)降雨對邊坡穩(wěn)定的影響比較明顯。在降雨入滲的作用下，邊坡內(nèi)部的孔隙水壓力增大，同時斷層結(jié)構(gòu)面抗剪強度降低，造成局部塊體的穩(wěn)定性顯著下降。特別是在暴雨工況下，邊坡的安全系數(shù)下降非常迅速。

4 對邊坡開挖穩(wěn)定控制采取的施工對策

從錦屏一級水電站左岸邊坡的工程地質(zhì)條件、可能變形的失穩(wěn)模式和施工期穩(wěn)定性分析成果可以看出:左岸高邊坡的穩(wěn)定性問題復(fù)雜，潛在失穩(wěn)塊體分布多且影響范圍廣，隨著開挖施工的進行，潛在失穩(wěn)塊體不斷變化。

(1)通過勘探及施工開挖揭露以及穩(wěn)定分析成果得知:左岸壩肩邊坡的可能失穩(wěn)模式主要是由煌斑巖脈、f42-9斷層、SL44-1深部裂隙等邊界組成的控制性“大塊體”整體滑動問題;f42-9、SL44-1上盤巖體內(nèi)與其平行的其它結(jié)構(gòu)面形成相對較小的塊體的局部滑動問題以及由隨機裂隙組成的“小塊體”滑動問題。根據(jù)巖體失穩(wěn)的不同特征和分析成果，在f42-9斷層上設(shè)置了抗剪洞以增加抗滑力，以系統(tǒng)錨桿和錨索為主對局部結(jié)構(gòu)面組合的小型塊體進行加固。

(2)為了保證開挖開口線以上的邊坡穩(wěn)定和開口線以下邊坡的施工安全，先安排進行開口線以外的邊坡處理和加固施工，采取清除危石、挖前錨噴、漿砌石擋護、鋼欄、柔性防護網(wǎng)(如鋼絲網(wǎng))等處理措施。

(3)針對錦屏一級水電站左岸邊坡工程的地質(zhì)條件、邊坡穩(wěn)定性及加固措施要求，借鑒和吸取國內(nèi)外類似工程的成功施工經(jīng)驗，形成了一套本工程切實可行的各類邊坡開挖支護的施工程序和相應(yīng)的施工措施。

對于高邊坡的開挖支護施工，嚴(yán)格控制開挖爆破，加強支護措施，尤其是對邊坡開口線下部的3～4層臺階的開挖支護施工。

對于大壩壩肩及纜機平臺邊坡的開挖及支護，施工單位采用“隨機支護→錨索→系統(tǒng)錨噴支護”的施工順序，各層的開挖支護應(yīng)遵循:首先，將每層工作面出現(xiàn)的危石及時清除干凈，并配置性能好、效率高的鉆錨設(shè)備，對不穩(wěn)定巖體采用蹬渣作業(yè)進行隨機支護;其次，在每層梯段出渣完成后，優(yōu)先安排工作面錨索施工，施工預(yù)案可以考慮滯后開挖面一個梯段;最后進行系統(tǒng)支護，預(yù)案可考慮滯后開挖面兩個梯段。

(4)鑒于爆破能量、結(jié)構(gòu)的響應(yīng)程度對爆破的振動標(biāo)準(zhǔn)都會產(chǎn)生影響，且爆破振動在一定的高程范圍存在放大效應(yīng)，因此，有必要開展現(xiàn)場爆破試驗，制定合理的爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)和爆破振動控制措施。

(5)加強邊坡工程施工期的安全監(jiān)測工作，同時，應(yīng)重視施工期工作面的巡視檢查(特別是在雨季施工)，尤其是對左岸壩肩f42-9的安全監(jiān)測工作，以便及早發(fā)現(xiàn)邊坡開挖施工中的安全隱患并及時進行加固處理。開展施工期的爆破振動跟蹤監(jiān)測工作，及時反饋信息，優(yōu)化調(diào)整爆破設(shè)計。

5 復(fù)雜地質(zhì)條件下的邊坡開挖動態(tài)施工技術(shù)

5.1 結(jié)構(gòu)面（斷層）置換錨固

(1)主要結(jié)構(gòu)面f42-9斷層的置換錨固。

f42-9斷層的加固措施為抗剪洞置換加固。順f42-9走向布置抗剪洞，對f42-9斷層進行置換處理，增加結(jié)構(gòu)面的抗剪作用。抗剪洞布置在高程1883 m、1860 m 及1834 m 三個高程，均采用9 m×10 m 的斷面?？辜舳醇版I槽周圍設(shè)置一定深度的固結(jié)灌漿(圖3)。

圖3 1883 m 高程f42-9斷層抗剪洞平面布置示意圖

(2)主要結(jié)構(gòu)面f5斷層的置換錨固。

左岸墊座后坡的f5斷層位于永久邊坡相交面，對其采取開挖、支護、混凝土回填和灌漿方式進行處理，處理高程范圍為1885～1850 m，處理寬度3～10 m，深5～8 m 墊座后坡f5斷層置換情況見圖4。

(3)主要結(jié)構(gòu)面f2斷層的置換錨固。

大壩左岸建基面f2斷層及擠壓帶處理范圍位于左岸拱肩槽。處理方式采用開挖刻槽、混凝土置換，處理高程范圍為1647～1686.37 m，開挖刻槽寬度為13.5～16 m。

(4)結(jié)構(gòu)面(斷層)處理效果。

結(jié)合邊坡開挖過程中斷層處理的實際進展情況，在邊坡開挖至1885 m 高程時，對左岸邊坡的整體穩(wěn)定性及時進行了數(shù)值模擬分析，對主要邊坡穩(wěn)定性進行了復(fù)核，對所完成的主要結(jié)構(gòu)面(斷層)置換錨固后邊坡下挖過程中的穩(wěn)定性狀況進行了反饋分析。

經(jīng)計算，對結(jié)構(gòu)面(斷層)采取置換錨固處理后，大壩左岸邊坡塊體的穩(wěn)定性計算結(jié)果見表1。

表1 斷層置換和加固后邊坡塊體穩(wěn)定性計算結(jié)果表

5.2 控制性分級開挖支護

5.2.1 開挖及支護程序

(1)邊坡開挖支護的總體程序。

場地清理→邊坡開挖→坡面清理→地質(zhì)編錄→坡面錨噴支護→坡面排水孔。開挖邊坡的支護在分層開挖中逐層進行。

(2)開挖分層高度控制。

大壩左岸邊坡高程1885～1730 m 區(qū)間每層開挖高度為7.5 m，高程1730 m 以下邊坡開挖每層開挖高度為10～15 m。

圖4 左岸墊座后坡f5斷層置換平面位置圖

表2 左岸邊坡開挖錨索支護與開挖高程對應(yīng)關(guān)系表

(3)支護與開挖面高差控制。

邊坡高程1885～1730 m 區(qū)間的系統(tǒng)支護(除錨索)與開挖工作面高差不大于7.5 m，預(yù)應(yīng)力錨索與開挖工作面高差不大于15 m，高程1730 m 以下邊坡系統(tǒng)支護(除錨索)與開挖工作面高差不大于15 m，預(yù)應(yīng)力錨索與開挖工作面高差不大于30 m。

(4)邊坡開挖坡與洞的施工程序。

在大壩左岸邊坡開挖中，優(yōu)先采用先洞后坡的施工程序。開挖中遇到出露洞室時，優(yōu)先對洞室進行開挖、支護、襯砌及回填灌漿。

5.2.2 控制性分級開挖支護動態(tài)過程

針對邊坡開挖施工的實際情況，在現(xiàn)場施工過程中，將大面的錨索支護與開挖面的高差大體控制在30 m 左右。

我們對左岸邊坡開挖和支護過程進行了統(tǒng)計，按照9個開挖程序統(tǒng)計的大面錨索支護與開挖高程的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。各施工區(qū)開挖與大面錨索支護的相對高差平均值分別為25 m、32 m 和29 m，平均高差約29 m;在各施工區(qū)開挖過程中，錨索大面支護一般滯后15～30 m，極少數(shù)局部區(qū)域超過30 m。

5.2.3 控制性分級開挖支護效果

(1)邊坡大面錨索支護與開挖面維持30 m左右高差;從多角度、多途徑開展工作，總結(jié)并得出了適合錦屏一級水電站左岸邊坡復(fù)雜地質(zhì)條件下深孔、大噸位預(yù)應(yīng)力錨索快速施工工藝和方法，進而保證了支護及時跟進。

(2)根據(jù)開挖邊坡可能的滑移破壞模式進行了動態(tài)分析，組織優(yōu)勢資源，開展了有針對性的重點支護加固。例如，針對某一高程范圍局部塊體楔形體破壞的2級破壞模式，根據(jù)分級支護措施要求，采取液壓錨固鉆機在施工平臺上逐層進行錨索孔造孔作業(yè)，并組織輕型錨固鉆機對楔形體分布區(qū)域進行重點的錨索支護作業(yè)，該高程范圍其他區(qū)域的錨索支護可以略為放緩，以保證邊坡的局部穩(wěn)定和正常下挖。

(3)根據(jù)對破壞模式進行的動態(tài)分析，對不同區(qū)域出現(xiàn)的各類破壞模式在工程措施上要區(qū)別對待。在1885 m 高程以上，以2級破壞模式為主，采取了針對塊體失穩(wěn)的錨索支護措施;而在1885 m 高程以下，以3～4級破壞模式為主，注重了噴錨支護的及時性，并且針對斷層出露部位，注意及時封閉和采取特殊的開挖方式;在邊坡開口線邊緣，危巖體傾倒滑塌破壞模式居多，此時，組織人員設(shè)備及時進行清除，以消除安全隱患。

在錦屏一級水電站左岸邊坡開挖施工過程中，施工單位結(jié)合認(rèn)真細(xì)致的現(xiàn)場地質(zhì)工作，建立了暢通、快速的信息反饋機制，制定了從整體到局部，再到重點的多層次邊坡分級支護方案，保證了邊坡施工期的整體和局部穩(wěn)定，同時，邊坡開挖程序的優(yōu)化也在很大程度上加快了施工進度。

5.3 分級預(yù)警動態(tài)控制

筆者根據(jù)多點位移計監(jiān)測到的變形數(shù)據(jù)，對邊坡變形與開挖過程的關(guān)系進行了分析，并通過深部監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取PD42平硐內(nèi)谷幅測點的累積變形數(shù)據(jù)，就開挖過程對邊坡變形的影響進行了分析。

谷幅監(jiān)測PD42～PD21測線各測段變形過程曲線見圖5。PD42平硐0+78范圍內(nèi)的谷幅測點變形主要反映了邊坡開挖后巖體產(chǎn)生橫河向的卸荷變形，與開挖過程線有較好的相關(guān)性。在2007年10月5日～12月31日期間，施工Ⅲ區(qū)的開挖基本處于停滯狀態(tài)，開挖方量很小，因此，谷幅測點PD42-2的變形很小，監(jiān)測值為1.76 mm。2008年1月份以后，邊坡開挖強度加大。由于開挖的擾動，巖體產(chǎn)生了卸荷變形，測點變形繼續(xù)增加。

圖5 谷幅監(jiān)測PD42～PD21測線各測段變形過程曲線

多點位移計、谷幅監(jiān)測反映的邊坡淺表部和深部變形數(shù)據(jù)表明:(1)邊坡變形與開挖過程有著密切的聯(lián)系。當(dāng)開挖強度較大時，邊坡變形量的增加明顯;而當(dāng)開挖停滯時，特定區(qū)域內(nèi)的邊坡變形會顯著減小。(2)支護措施的及時跟進對邊坡變形的控制作用也非常明顯。當(dāng)開挖邊坡采取錨索等支護措施后，相應(yīng)的上部多點位移計測點的變形數(shù)據(jù)增長幅度會放緩。

因此，當(dāng)邊坡變形出現(xiàn)異常、變形速率明顯加快時，可以采取停止開挖、及時加強支護的措施。

根據(jù)錦屏一級水電站左岸邊坡實際開挖過程中出現(xiàn)的邊坡變形速率變化規(guī)律以及測值水平，在該工程中采取了如表3所示的警戒級別進行指標(biāo)判定和預(yù)警，再將其實際運用于錦屏一級水電站邊坡開挖過程中，共計發(fā)出二級警戒8次，一級警戒10次。我們特別針對錦屏一級水電站邊坡特點，對潛在局部不穩(wěn)定塊體和雨季開挖施工進行了重點分析和預(yù)警工作。

6 結(jié)語

表3 錦屏一級水電站左岸邊坡開挖施工建議警戒等級及判定指標(biāo)表

通過對錦屏一級水電站左岸高邊坡施工過程中存在的安全穩(wěn)定性問題進行分析，采用結(jié)構(gòu)面(斷層)置換錨固、控制性分級開挖支護和分級預(yù)警等動態(tài)施工技術(shù)并確保了左岸邊坡安全穩(wěn)定并得到了以下主要結(jié)論:

(1)左岸邊坡主要結(jié)構(gòu)面(斷層)性狀差，產(chǎn)生破壞的后果極其嚴(yán)重。綜合考慮了施工期的邊坡穩(wěn)定與左岸整體邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系，采取了布置抗剪洞、斷層置換等抗滑穩(wěn)定措施，通過數(shù)據(jù)演算和監(jiān)測，證明該方案有效地改善了左岸邊坡在施工期的安全穩(wěn)定條件。

(2)根據(jù)開挖揭示的工程地質(zhì)情況和邊坡可能的潛移破壞模式分析，制定了錦屏一級水電站大壩左岸邊坡開挖施工過程中的穩(wěn)定性分級控制工程措施。在開挖過程中，對所涉及的可能失穩(wěn)的部位，開展了有針對性的重點支護，實施了“整體、局部、重點部位”相協(xié)調(diào)的高邊坡“多層次分級、多形式組合”的支護方案，錦屏一級水電站大壩左岸邊坡開挖的實踐證明:采取控制性分級開挖支護，有效地解決了潛在失穩(wěn)巖體造成的邊坡穩(wěn)定影響。

(3)根據(jù)對錦屏一級水電站大壩左岸邊坡實際開挖過程中出現(xiàn)的邊坡變形速率的變化規(guī)律進行分析，采取了三級警戒等級劃分與指標(biāo)判定和預(yù)警，并將其實際運用在左岸邊坡開挖支護過程中，共發(fā)出二級警戒8次，一級警戒10次，有效地提高了邊坡開挖失穩(wěn)風(fēng)險的防控水平，保證了左岸邊坡施工的安全穩(wěn)定。

［1］胡厚田.邊坡地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2001.