聶云峰，張 義，徐自享

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 交通分院，四川 成都 610072)

1 前 言

長(zhǎng)河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)大渡河上游干流上，為大渡河干流河段梯級(jí)開發(fā)規(guī)劃的第十梯級(jí)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(jī)容量2 600MW，水庫(kù)正常蓄水位1 690m。長(zhǎng)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(guò)，并在下游瓦斯河口與國(guó)道G318線相接，交通較為方便。根據(jù)《長(zhǎng)河壩水電站可行性研究報(bào)告》設(shè)計(jì)成果，按照電站水庫(kù)淹沒(méi)影響及施工總布置要求, 需對(duì)該段S211省道進(jìn)行復(fù)建。

長(zhǎng)河壩水電站S211復(fù)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(qiáng)烈，線路在該陡坡段以外擋內(nèi)挖方式通過(guò)，支護(hù)措施為預(yù)應(yīng)力錨索擋土墻及噴錨支護(hù)等。影響巖質(zhì)高陡邊坡的穩(wěn)定性的因素主要分為兩類：內(nèi)在因素與外在因素。內(nèi)在因素包括不利結(jié)構(gòu)面組合、巖體質(zhì)量、巖體風(fēng)化卸荷特征等；外在因素包括爆破震動(dòng)、地下水、地震等。根據(jù)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面理論，巖質(zhì)邊坡工程不僅應(yīng)注意邊坡整體穩(wěn)定性，也應(yīng)注意局部塊體穩(wěn)定。

本文根據(jù)巖質(zhì)邊坡實(shí)際情況，采用巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序?qū)Υ蠖珊铀娬镜湫透叨笌r質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，分析了處于不利結(jié)構(gòu)面組合中的危巖體，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了有效加固措施。

2 高陡巖質(zhì)邊坡地質(zhì)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(jié)構(gòu)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(nèi)含有深灰色輝長(zhǎng)巖捕虜體，巖體間呈焊接式接觸關(guān)系。

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

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)無(wú)區(qū)域性斷裂、斷層通過(guò)，地質(zhì)構(gòu)造以節(jié)理裂隙(裂隙密集帶)為主要特征，屬于Ⅳ～Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面，主要為原生結(jié)構(gòu)面及構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，個(gè)別為次生結(jié)構(gòu)面。

巖體內(nèi)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(jié)構(gòu)面間距2～5m，結(jié)構(gòu)面延伸長(zhǎng)均在數(shù)十米以上，部分貫穿整個(gè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面。2和3 組結(jié)構(gòu)面間距1～3m，結(jié)構(gòu)面延伸長(zhǎng)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(jié)構(gòu)面延伸長(zhǎng)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(zhì)條件

大渡河兩岸沖溝旱季無(wú)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(fēng)化上段(強(qiáng)卸荷)巖體具強(qiáng)～極強(qiáng)透水性；弱風(fēng)化下段(弱卸荷)巖體具中等～強(qiáng)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(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，該區(qū)50年超越概率10%的基巖動(dòng)峰值加速度為0.172g(地震基本烈度為Ⅷ度)，動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s。故公路結(jié)構(gòu)物或構(gòu)造物水平地震峰值加速度和反應(yīng)特征周期分別按0.172g和0.45s進(jìn)行抗震設(shè)防。

2.6 巖體風(fēng)化卸荷特征

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

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

(2)巖體風(fēng)化隨高程降低而有所減弱，河床巖體風(fēng)化一般較淺。

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

(4)在有地下水活動(dòng)處巖石風(fēng)化亦相對(duì)較強(qiáng)。

(5)弱風(fēng)化巖體的聲波縱波波速Vp=3 000～4 500m/s。

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

工程區(qū)巖體具有集中卸荷和夾層式風(fēng)化的特點(diǎn)，弱風(fēng)化深度約3～14m，強(qiáng)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(jiān)硬致密、節(jié)理裂隙發(fā)育、懸崖眾多，為斜坡巖體松動(dòng)并轉(zhuǎn)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(yán)重松動(dòng)，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(zhì)現(xiàn)象，對(duì)公路安全運(yùn)行構(gòu)成了較為嚴(yán)重的威脅。

3 邊坡整體穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

3.1 邊坡概況

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

高陡巖質(zhì)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(qiáng)烈，節(jié)理裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面類型為巖屑夾泥。

因該處斜坡陡峻，若采用內(nèi)挖邊坡方式，則開挖形成三級(jí)巖質(zhì)高邊坡。該段邊坡裂隙較發(fā)育，卸荷較強(qiáng)烈，1組結(jié)構(gòu)面和2組結(jié)構(gòu)面易形成不利結(jié)構(gòu)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(hù)工程量較大，工程造價(jià)較高，不能滿足經(jīng)濟(jì)、合理、有效的工程設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)力錨索穿過(guò)巖體強(qiáng)卸荷下限，進(jìn)入弱風(fēng)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(shè)計(jì)規(guī)范》第3.7.4條規(guī)定，路塹邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，其穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)滿足表1規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)要求，否則應(yīng)對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)。

表1 路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

3.3 邊坡設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

3.3.1 邊坡荷載組合

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

3.3.2 邊坡設(shè)計(jì)工況

邊坡設(shè)計(jì)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?duì)顟B(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(jì)算依據(jù)

3.4.1 典型剖面選取

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地面地質(zhì)調(diào)查，本文選取K13+550m處具有代表性的沿主滑方向(優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面組合方向即1組結(jié)構(gòu)面與2組結(jié)構(gòu)面的不利結(jié)構(gòu)面組合方向)的剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，以便詳細(xì)分析評(píng)價(jià)高陡巖質(zhì)邊坡的情況。

3.4.2 滑面假設(shè)及滑移模式

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，上述高陡邊坡基巖裸露，巖性為花崗巖，卸荷較強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙較發(fā)育，部分結(jié)構(gòu)面連貫性較好，巖體可能沿不利結(jié)構(gòu)面組合即軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生平面滑動(dòng)。

3.4.3 計(jì)算方法

本文采用水科院陳祖煜院士開發(fā)的EMU巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析軟件，計(jì)算方法主要采用嚴(yán)格janbu(檢布)法、簡(jiǎn)化Bishop法。

3.4.4 計(jì)算工況

結(jié)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(jì)算參數(shù)

邊坡計(jì)算選取強(qiáng)度參數(shù)見表2。

表2 邊坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

暴雨或長(zhǎng)時(shí)間降雨工況下軟弱結(jié)構(gòu)面凝聚力選取為0.035MPa，地震工況下軟弱結(jié)構(gòu)面凝聚力選取為0.03MPa。

3.4.6 邊坡開挖及支護(hù)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(hù)方案(見圖1)。具體開挖及支護(hù)方案如下：

邊坡高53.8m，高陡巖質(zhì)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(chǔ)及墻身均采用C15片石混凝土。

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

3.5 邊坡整體穩(wěn)定性計(jì)算

本次利用極限平衡分析方法進(jìn)行計(jì)算，其穩(wěn)定系數(shù)見表3。

表3 邊坡整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3.6 邊坡整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)邊坡整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)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(hù)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(píng)價(jià)

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(dòng)變形強(qiáng)烈，局部懸空。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，邊坡為N27°E/SE∠60°,危巖體主要被三組結(jié)構(gòu)面切割：

圖1 K13+550m處邊坡開挖支護(hù)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(jié)構(gòu)面與L2結(jié)構(gòu)面與坡面傾向相同，L1結(jié)構(gòu)面為順坡向中傾節(jié)理，傾角小于坡角。L2結(jié)構(gòu)面為順坡向陡傾節(jié)理，傾角大于坡角。L3結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(duì)性的采用長(zhǎng)錨桿及錨筋束加固方案，錨桿與錨筋束與結(jié)構(gòu)面應(yīng)大角度相交，若塊體體積較小時(shí)可采取爆破清除方案，確保邊坡局部塊體穩(wěn)定性。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié) 論

(1)巖質(zhì)邊坡開挖后在某些工況下可能沿軟弱結(jié)構(gòu)面即不利結(jié)構(gòu)面組合產(chǎn)生失穩(wěn)，施加錨索后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)明顯提高，無(wú)邊坡整體失穩(wěn)現(xiàn)象。根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果和邊坡結(jié)構(gòu)特征分析，施加支護(hù)后該邊坡整體穩(wěn)定，邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案合理有效。

圖2 邊坡主要結(jié)構(gòu)面赤平極射投影

(2)高陡巖質(zhì)邊坡局部存在危巖體，本文利用赤平極射投影圖分析評(píng)價(jià)了結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡局部塊體穩(wěn)定性的影響，提出了相應(yīng)加固措施。

5.2 建 議

(1)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況，因地制宜采用多種支護(hù)手段，選擇經(jīng)濟(jì)合理有效的支護(hù)方案。

(2)巖質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定狀態(tài)主要取決于軟弱結(jié)構(gòu)面，應(yīng)查清軟弱結(jié)構(gòu)面分布及其對(duì)邊坡巖體的不利影響因素，為邊坡加固方案提供符合實(shí)際情況的設(shè)計(jì)參數(shù)。

(3)邊坡錨索施工時(shí)應(yīng)充分考慮軟弱結(jié)構(gòu)面的走向及傾角，為最大限度發(fā)揮錨索的作用，應(yīng)盡可能使預(yù)應(yīng)力錨索與軟弱結(jié)構(gòu)面大角度相交。

(4)巖質(zhì)邊坡爆破震動(dòng)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響，對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡采取弱爆破方式，保證巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。

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