劉洪平，王開湘

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

九甸峽水利樞紐屬大(2)型工程。引水發(fā)電系統(tǒng)的主要水工建筑物調(diào)壓井和廠房位于壩軸線下游2.2～2.5km的洮河右岸山坡及坡腳處[1- 2]。調(diào)壓井井口上部邊坡開挖線高程2241.0m，廠房基坑開挖最低點高程2046.5m，擾動及開挖邊坡高差194.5m；廠房后邊坡開挖線最高高程2155.0m，與廠房基坑底部開挖最低點高程的高差為108.5m[3]；廠房后邊坡及基坑的開挖是對超邊坡坡腳的開挖擾動，是超高邊坡的開挖，如圖1—2所示[4- 5]。本文總結(jié)超高邊坡的開挖設(shè)計和開挖中采取的工程措施的特點，探究邊坡變形觀測和邊坡穩(wěn)定性分析在保證施工安全、完善施工設(shè)計、消除工程隱患等方面作用，以供類似工程參考。

圖1 調(diào)壓井-廠房邊坡原始地形地貌

圖2 廠房開挖

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

調(diào)壓井-廠房處于中高山區(qū)，海拔在2000m以上。壓井布設(shè)于廠房區(qū)右岸山坡中部。廠房緊鄰洮河，地形相對開闊，有殘留的Ⅱ級侵蝕堆積階地，階地面寬30～50m，階面坡度小于5°；階地后緣至引洮平臺自然坡度33°～45°，階地后緣在2#壓力管道中心線處高程2093m，引洮平臺高程2182.0m，階地后緣至引洮平臺高差135.5m，調(diào)壓井井口上部邊坡開挖線(2241.0m)至引洮平臺高差59.0m。

1.2 地層巖性

調(diào)壓井和廠房開挖、壓力管道隧洞掘進揭露的地層巖性如圖3所示。

(1)上石炭-下二疊統(tǒng)(C3～P1)巖性可劃分為4個巖組。①灰?guī)r夾頁巖、泥灰?guī)r：厚70～100m?；?guī)r單層厚0.2～0.6m，巖性致密堅硬；泥灰?guī)r巖性相對軟弱，易風化；頁巖巖性軟弱，極易風化，

圖3 廠房后邊坡典型剖面

遇水后具黏塑性。②厚層灰?guī)r夾薄層灰?guī)r：厚40～60m，巖性致密堅硬；厚層灰?guī)r單層厚大于2m，薄層灰?guī)r厚0.1～0.4m。③砂巖、灰?guī)r、頁巖互層：厚80～100m。砂巖呈青灰色、褐黃色，青灰色砂巖巖性致密堅硬；褐黃色砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，遇水易崩解成松散狀。頁巖巖性軟弱，抗風化能力差，遇水具黏塑性，局部有灰?guī)r團塊并與泥灰?guī)r呈相變過渡。④灰?guī)r夾頁巖：巖性與前述灰?guī)r、頁巖基本一致。

(2)第四系(Q4)松散堆積物分別為沖積砂礫卵石、洪積塊石碎石土、洪積砂壤土、坡積塊石碎石土、人工堆積塊石碎石土。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震烈度

1.3.1 地質(zhì)構(gòu)造

廠房區(qū)位于近東西向展布的新堡-力士山復背斜北翼——新堡-力士山復背斜構(gòu)造的次級褶曲和區(qū)域性橋道堡斷層(Fe1)破碎帶及其上盤(圖3)。新堡-力士山復背斜構(gòu)造的次級褶曲為倒轉(zhuǎn)的不對稱背斜，軸面產(chǎn)狀NE75°～80°，傾向SW(岸內(nèi))，傾角40°～50°。轉(zhuǎn)折端巖層產(chǎn)狀變化較大。橋道堡斷層(Fe1)走向NW270°～280°，傾向SW(上游)，傾角60°～70°，破碎帶寬30m至百余米，組成物為角礫巖、糜棱巖及壓碎巖和斷層泥等，膠結(jié)較差但擠壓密實。受其影響，廠房區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖體破碎-極破碎。

1.3.2 地震烈度

工程區(qū)50年超越概率10%的地震烈度為7度，相應基巖水平向峰值加速度為144.8gal，50年超越概率2%的地震烈度為8度，相應基巖水平向峰值加速度為283.9gal[1- 3，6]。

1.4 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)為高寒陰濕向溫帶半濕潤區(qū)的過渡地帶。多年平均氣溫為7.3℃，極端最低氣溫-29.6℃，多年平均降水量為565.2mm[3]。廠區(qū)內(nèi)地下水類型第四系孔隙性潛水和基巖裂隙水。

1.4.1 孔隙性潛水

賦存于河床及階地砂礫卵石中，地下水位與河水位基本一致，主要受河水和基巖裂隙水補給。河床砂礫卵石滲透系數(shù)為122m/d，階地砂礫卵石滲透系數(shù)為5～10m/d。

1.4.2 基巖裂隙水

賦存于上石炭-下二疊統(tǒng)地層中，含水層巖性為灰?guī)r和砂巖，主要受大氣降水及上游基巖裂隙水補給，地下水流向南東→北西排泄于河床。由于相對不透水頁巖夾層分布，致使地下水運動受阻，局部水位抬高形成層間水。

2 調(diào)壓井、壓力管道和廠房布設(shè)

調(diào)壓井、壓力管道和廠房布設(shè)如圖3所示。

(1)調(diào)壓井布設(shè)于廠房區(qū)右岸山坡上。井的圓形斷面直徑26.0m，井口高程2226m，底部高程2134m(基巖開挖面)，井筒深度92m。調(diào)壓井底板進水高程為2137.0m。

(2)壓力管道布設(shè)了3條。由斜管段和水平段組成，斜管段布置方向與背斜軸呈75～80°夾角。開挖斷面為5.9m的圓形洞。上水平段高程2137m，長37.46m，斜管段坡度45.22°，斜距長82.27m，下水平段高程2058m。

(3)廠房后邊坡開挖按15m高度分5級開挖，每級設(shè)2.0m寬馬道。1～5級馬道高程分別為2138.25m、2123.25m、2108.25m、2093.25m、2078.25m，開挖坡比分別為1∶0.75、1∶0.75、1∶0.75、1∶0.30、1∶0.30；基坑最低開挖高程2046.5m，后邊坡坡比1∶0.10。

主廠房、副廠房、安裝間布置在自廠房后邊坡坡腳向河邊0～84.35m的區(qū)段，廠房長軸方向長122.5m，兩側(cè)臨時開挖坡比1∶0.75。

3 調(diào)壓井和廠房開挖中出現(xiàn)的問題及采取的措施[3]

3.1 調(diào)壓井開挖及采取措施

調(diào)壓井自上至下揭露的巖性：井口坡積塊石碎石土厚度5～6m(施工時全部挖除)，井身中部為砂巖、灰?guī)r、頁巖互層，下部為灰?guī)r夾泥灰?guī)r、頁巖，井基巖性灰?guī)r。

井身處背斜核部，巖層呈薄層狀結(jié)構(gòu)且略扭曲，層面裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖體完整性系數(shù)為0.20～0.40。在開挖過程中，井壁局部有潮濕現(xiàn)象，地下水活動微弱。圍巖類別為Ⅳ類。

開挖中采用錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土聯(lián)合支護的方式對井壁進行支護，最后襯砌120cm厚的C20鋼筋混凝土。

3.2 壓力管道隧洞開挖中出現(xiàn)的問題及采取的措施

壓力管道斜管段地形坡度30°～35°，表層坡積塊碎石土厚10～15m。隧洞穿越巖性(自調(diào)壓井→廠房)為：灰?guī)r夾頁巖，砂巖、頁巖、灰?guī)r互層，厚層灰?guī)r夾薄層灰?guī)r，灰?guī)r夾頁巖、泥灰?guī)r互層，巖性變化大，上覆巖體厚50～60m。隧洞圍巖巖體破碎，巖層產(chǎn)狀倒轉(zhuǎn)且傾向與坡向相反。開挖過程中隧洞中的地下水，呈滲水、滴水狀，局部呈涌水狀，多出露在頁巖夾層與灰?guī)r接觸面上，頁巖遇水軟化，其分布區(qū)成洞條件差，有剝離塌落等現(xiàn)象。3條壓力管道隧洞圍巖均屬穩(wěn)定性差的Ⅳ類圍巖。

施工中對3條壓力管道隧洞洞頂270°范圍的圍巖內(nèi)采用系統(tǒng)錨噴支護。系統(tǒng)錨桿長度3.0m，間排距1.5m，直徑25mm，掛Φ8@20鋼筋網(wǎng)噴厚10cm的C20混凝土。壓力管道采用鋼襯素混凝土結(jié)構(gòu)。

3.3 廠房開挖中出現(xiàn)的問題及采取的措施

3.3.1 廠房開挖及出現(xiàn)的問題

廠房后邊坡處于區(qū)域斷層Fe1的上盤，巖層扭曲，巖體破碎，巖性軟硬不均，其中的泥灰?guī)r、頁巖巖性較軟弱，遇水軟化，易風化，且邊坡巖體中地下水活動性較強，工程地質(zhì)條件差。

廠房后邊坡及廠基開挖對超高邊坡(調(diào)壓井頂部至廠房建基面)坡腳造成了擾動，破碎的巖體、大氣降水和地下水對頁巖的軟化等原因?qū)е聫S房后邊坡坡腳處的局部不穩(wěn)定巖體塌滑。

(1)1#塌方。2005年9月22日，廠后邊坡東北側(cè)產(chǎn)生局部塌方，塌方位于4級馬道上部2093.25～2108.25m高程(寬約59m)和3級馬道上部2108.25～2125.25m高程(寬約65m)。由于塌方使邊坡局部形成負坡，對上部邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

1#塌方的主要原因是由于在不利的工程地質(zhì)條件下，強降雨導致下部基巖飽和軟化及施工過程中未能及時對開挖邊坡進行支護。

(2)2#塌方。2006年9月17日，廠后邊坡東北側(cè)再次產(chǎn)生局部滑塌，塌方范圍在高程2062.0～2093.25之間，寬度約45m，滑塌方量約5000m3。

2#塌方的主要原因為：①廠房基坑開挖深度大，工程地質(zhì)條件較差，臨時開挖邊坡較陡，臨時開挖邊坡支護措未及時跟進。②廠后邊坡3級馬道以下為巖質(zhì)邊坡，巖性以灰?guī)r為主夾部分頁巖、泥灰?guī)r，巖體破碎，裂隙發(fā)育。其產(chǎn)狀為陡傾角，走向與開挖面小角度相交，對邊坡穩(wěn)定不利。③從壓力隧洞開挖情況看，部分地段滲水較大，說明該邊坡處地下水富集，對邊坡穩(wěn)定不利。④壓力管道的爆破開挖施工，對邊坡穩(wěn)定也有一定影響。

3.3.2 采取的工程處理措施

廠房開挖最終采用陡邊坡開挖、邊開挖、邊錨固、邊防護的設(shè)計方案。錨固為網(wǎng)格式鋼筋混凝土框架加預應力錨索錨固方案[7]。

(1)鋼筋砼梁格和錨索施工

鑒于廠房后邊坡巖性為巖土混合，基巖巖體軟硬不均、完整性差且頁巖、泥巖風化強烈，廠房后邊坡及廠基開挖是對超高邊坡腳的擾動，在鋼筋混凝土網(wǎng)格梁和預應力錨索支護施工時還采用了貼坡混凝土措施，完善了原設(shè)計的護坡方案。

開挖后在坡面布置C25鋼筋砼梁格，梁格節(jié)點設(shè)置預應力錨索(200t和120t交叉布置)對其進行加固。梁格布置順坡向間距為4.0m，垂直坡向間距為5.0m，梁格斷面尺寸為60cm×80cm。坡面采用掛網(wǎng)噴15cm厚C20砼進行加固，且布置減壓排水花管。

在錨索造孔過程中，發(fā)現(xiàn)有20%的錨索孔原設(shè)計錨固段巖體破碎，打鉆時漏風嚴重。處理措施是局部加深、固壁灌漿后重新鉆孔的方法予以處理，并且固壁灌漿反復進行，部分地段套管護壁。在灌漿過程中局部地段耗漿量非常大，說明巖體中有貫穿性大裂隙的存在。另外邊坡上部施工用水和大氣降水下滲，造成很多錨索孔內(nèi)有水，使邊坡巖體受到滲水浸泡。

(2)開挖過程中邊坡局部塌方工程處理措施

1#塌方的工程處理措施。為防止由于1#塌方引起廠后邊坡進一步塌滑，保證工程施工安全，先對負坡以上邊坡進行局部的修坡處理，然后對塌方范圍內(nèi)邊坡澆筑C20貼坡砼，增設(shè)張拉力分別為200t和120t的預應力錨索。1#塌方處理增加C20貼坡砼6500m3，120t預應力錨索54根，200t預應力錨索23根。

2#塌方的工程處理措施。①分區(qū)分序在塌方區(qū)周圍進行錨筋束及預應力錨索加固，以便對塌方區(qū)周圍及時鎖邊，保證已加固岸坡的穩(wěn)定和安全。錨筋束的插置施工后，及時的實施了固結(jié)灌漿。②塌方已造成3級馬道底部產(chǎn)生臨空面，因此，清除塌方虛渣后對該段邊坡采用C20砼進行貼坡加固(貼坡砼的施工，增加了上部岸坡的穩(wěn)定，為后續(xù)施工增加了安全裕度)。③為防止邊坡變形向上游進一步發(fā)展，在2#和3#壓力(管道)斜洞之間自建基面澆注貼坡砼，并設(shè)置兩根張拉力為200t的預應力錨索進行上游滑裂面的鎖腳。④貼坡砼完成后，為保證邊坡的整體穩(wěn)定和安全運行，在2063.75～2093.25m高程之間、寬約45m段，設(shè)置張拉力為200t的預應力錨索6排，對該邊坡進行加固，錨索長度分別為25m和30m。同時在2093.25～2078.5m高程之間設(shè)置間排距為4m×5m的排水孔3排，排水孔入巖深度為5.0m。

廠房后邊坡施工處理后形態(tài)如圖4所示。

圖4 廠房后邊坡施工處理后形態(tài)

4 開挖中的邊坡變形觀測[3]

廠房后邊坡施工時，在2093.25m高程馬道表面設(shè)置了4個位移標點，2109.05m高程馬道表面設(shè)置2個位移標點，2124.05m高程馬道設(shè)置4個位移標點；在2138.25m高程馬道設(shè)置3支活動式測斜管，在高程2123.25m和2108.25m馬道各設(shè)置1支活動式測斜管[8]。

施工階段的觀測時段為2006年4月8日至2006年12月6日。觀測前期一般為2～5d觀測1次，若遇降雨，則加密為1d/次。錨索張拉結(jié)束后為7d/次。

觀測結(jié)果表明：CL2、CL3兩孔向邊坡傾向方向位移一般為5～10mm，最大位移達11mm，CL4、CL5兩孔向邊坡傾向方向位移一般為0.5～2.5mm，最大位移達3.0mm，說明邊坡整體呈基本穩(wěn)定狀態(tài)。

5 開挖后邊坡穩(wěn)定性分析評價

廠房后邊坡開挖施工于2006年3月前已經(jīng)全部完成。河海大學水利水電工程學院于2007年9月完成了《甘肅九甸峽水利樞紐廠房高邊坡穩(wěn)定性研究模型開發(fā)》。模型采用彈塑性有限元法(應用ANSYS軟件)、非連續(xù)變形分析對廠房后邊坡的穩(wěn)定性進行了評價[7]。

(1)選取邊坡巖體塌方段、安裝間段和主廠房段3條剖面，建立邊坡分級開挖、支護加固的非線性有限元計算分析模型，以及基于塊體系統(tǒng)分析的非連續(xù)變形分析模型。

(2)模擬邊坡分級開挖和支護加固的施工過程，獲得了開挖后和支護后邊坡的應力和安全系數(shù)分布。在無降雨的情況下，開挖后邊坡是穩(wěn)定的(塌方段剖面Kmin=1.41、安裝間段剖面Kmin=1.4、主廠房段剖面Kmin=1.42)；采用錨索支護加固后，邊坡的最小穩(wěn)定安全系數(shù)有明顯提高(塌方段剖面Kmin=1.71、安裝間段剖面Kmin=1.68、主廠房段剖面Kmin=1.70)，錨索的作用是顯著的。

(3)在邊坡排水孔正常工作的條件下，遭遇設(shè)計地震，邊坡是穩(wěn)定的(塌方段剖面Kmin=1.47、安裝間段剖面Kmin=1.43、主廠房段剖面Kmin=1.46)。

(4)降雨時，邊坡內(nèi)暫態(tài)飽和區(qū)的影響較小，控制該邊坡穩(wěn)定的主要因素是巖體浸水后其力學參數(shù)降低顯著降低；在現(xiàn)有支護措施的條件下，即使邊坡排水孔排水失效，邊坡也能基本穩(wěn)定(塌方段剖面Kmin=1.23、安裝間段剖面Kmin=1.25、主廠房段剖面Kmin=1.27)，但安全系數(shù)偏小，較為危險。

(5)在電站引水洞或者調(diào)壓井滲漏導致邊坡內(nèi)地下水位明顯升高的極端情況下，邊坡是穩(wěn)定的(塌方段剖面Kmin=1.24、安裝間段剖面Kmin=1.25、主廠房段剖面Kmin=1.26)，但安全系數(shù)偏小，較為危險。

(6)該邊坡是穩(wěn)定的。安裝間段附近的安全系數(shù)較小，最為危險。建議做好邊坡排水，盡可能減少降雨入滲，同時，切實有效地控制地下水位，減小邊坡巖體浸水導致力學參數(shù)降低的可能性，確保工程安全。

6 電站運行后廠房邊坡穩(wěn)定性觀測

2008年7月30日，首臺機組并網(wǎng)發(fā)電，庫水位為2171.6m，9月6日，第二臺機組并網(wǎng)發(fā)電，庫水位為2174.8m，12月31日，最后一臺機組并網(wǎng)，庫水位為2176.6m，水輪發(fā)電機組均能達到設(shè)計發(fā)電能力。

電站全負荷運行后，電站廠房后邊坡布設(shè)的4個測斜孔和10個位移標點的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，各測點向臨空面的位移量均不大，且沒有發(fā)展的趨勢，表明超高邊坡總體處于穩(wěn)定和安全狀態(tài)。

2012年6月在廠后邊坡增設(shè)兩個水位監(jiān)測孔，布置在高壓管道平管段斜管段部位，2012年11月16日起測，2016年兩支滲壓計變化均不大。年內(nèi)CP17滲壓水位在2107.941～2108.763m之間變化，變幅0.822m；CP18在2066.346～2067.382m之間變化，年內(nèi)變幅1.036m。但是，2016年巡檢時發(fā)現(xiàn)廠房后邊坡有一個錨索墩帽破損脫落，個別墩帽發(fā)現(xiàn)有裂縫和墩帽根部分離的現(xiàn)象，廠房右側(cè)護坡與后邊坡拐角處一個常年排水孔(編號S1- 1，高程2180.0m)滲漏水量較往年略有增大，廠房內(nèi)水輪機層2#、3#機組上游側(cè)伸縮縫滲漏水較往年有明顯增大等現(xiàn)象。表明廠房后邊坡地下水位上升，對廠房后邊坡的穩(wěn)定不利，故在廠房后邊坡增設(shè)了54個排水孔并于2017年1月完成新增排水孔的施工。

7 超高邊坡成功開挖原因探析及類似工程施工建議

7.1 成功開挖原因探析

基于實際工程地質(zhì)條件、切合實際的設(shè)計開挖方案和征對施工中出現(xiàn)的具體問題并采取合理的工程處理措施是成功開挖的主要原因，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)在超高邊坡坡腳開挖長122m、24寬、深42m(廠房中心)的廠房基坑，對超高邊坡坡腳的擾動、邊坡坡腳處應力的重分布是廠房基坑開挖的必然結(jié)果，自清坡開挖最高點向下，邊開挖、邊護坡、邊錨固，適時(在邊坡應力未釋放、重分布前)阻止邊坡應力釋放、重分布是超高邊坡開挖施工必須踐行的施工理念。

(2)廠房后邊坡最高開挖線從2155.0m高程開始，沿山脊向兩側(cè)降低，總體從2149.25m高程進行開挖；最高開挖線至廠房建基面高差達108.5m。自上而下開挖每15m高差預留2m寬的馬道，共布置了5級馬道。每15m預留馬道的開挖方案和預應力錨索、噴錨、掛網(wǎng)等工程措施不僅防護了淺表層的松動巖體、加固了一定深度的邊坡，還及時封閉了邊坡應力的釋放和應力的重分布，是超高邊坡坡腳廠房成功開挖行之有效的工程處理措施。

(3)施工過程中出現(xiàn)局部坍塌發(fā)生在強風化層、軟硬互層的巖性分布區(qū)，噴錨措施未能及跟進、長歷時降雨時坡面防水設(shè)施未到位、施工用水的管理不當是造成局部坍塌的主要原因，壓力管道隧洞的爆破開挖施工是局部塌方的誘因。故合理地設(shè)計調(diào)壓井開挖、壓力管道隧洞掘進、廠房開挖的施工工序及工期是類似超高邊坡開挖施工中必須注意的問題。

(4)在施工邊坡上設(shè)置邊坡變形觀測點在施工中進行觀測，不僅能在施工安全中起到預警作用，還能為完善設(shè)計、建立邊坡穩(wěn)定性研究模型提供依據(jù)。

(5)依據(jù)邊坡開挖揭露的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件、變形觀測資料、設(shè)計開挖方案、工程處理措施等建立的邊坡穩(wěn)定性研究模型，不僅能分析和評價采取工程處理措施后邊坡的穩(wěn)定性，還能及時發(fā)現(xiàn)影響采取工程處理措施后邊坡及電站運行中邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。電站運行期間，工程設(shè)計人員采納“安裝間段附近的安全系數(shù)較小，最為危險。建議做好邊坡排水，盡可能減少降雨入滲，同時，切實有效地控制地下水位，減小邊坡巖體浸水導致力學參數(shù)降低的可能性，確保工程安全。”的建議后，在邊坡底部布設(shè)了的排水孔，在工程運行中發(fā)現(xiàn)廠房后邊坡地下水位上升后，又在廠房后邊坡增設(shè)了54個排水孔，消除了因地下水排泄不暢形成的水壓力對邊坡穩(wěn)定的影響。

7.2 類似工程施工建議

(1)邊坡開挖施工中不僅要加強施工用水管理，還要加強坡面防水尤其是長歷時降雨的入滲和暴雨對坡面的沖刷。

(2)要合理安排調(diào)壓井開挖、壓力斜管隧洞掘進、廠房開挖的工序、工期。