長河壩電站右岸高邊坡開挖線外安全防護設(shè)計與施工

樊 鵬，王 寧

（中國水利水電第五工程局，四川 成都 610066）

1 工程概況

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，為大渡河開發(fā)的第10級電站，樞紐工程建筑物主要由礫石土心墻壩、泄洪系統(tǒng)、引水發(fā)電系統(tǒng)組成，總裝機2600MW，主要建筑物為一等大（1）工程。

右岸壩肩邊坡工程為高邊坡施工，邊坡開挖設(shè)計開口線高程為EL.1735m，邊坡最大開挖高度250m。其中 EL.1485～1520m 開挖坡比 1∶0.9，EL.1520～1697m 開挖坡比 1∶0.7，壩頂 EL.1697m以上永久開挖邊坡1∶0.5，在EL.1727m高程設(shè)一條馬道，馬道寬3.0m。右岸壩肩邊坡支護包括錨桿、錨筋、錨筋束、預(yù)應(yīng)力錨索施工、噴混凝土噴護，以及排水孔施工。根據(jù)招標(biāo)圖紙，預(yù)應(yīng)力錨索主要布置在壩頂（高程EL.1697m）以上邊坡上，錨筋分布在中部混凝土板基礎(chǔ)面上，其它部位為錨桿。壩頂以上混凝土噴護厚度為15cm，以下為8cm，巖體較破碎的排水孔內(nèi)放入塑料盲溝。

右岸邊坡設(shè)計開挖線1735m以上至2085m范圍內(nèi)邊坡存在大量坡積體，隨時可能發(fā)生局部塌滑及掉塊現(xiàn)象，為了確保施工期及電站運行期的安全，本工程采用了主、被動網(wǎng)對開挖范圍之外的高邊坡進行聯(lián)合防護。

2 防護的必要性

右岸邊坡山體高達(dá)600～700m，坡度由下至上在60°～90°范圍內(nèi)變化，坡面地形呈凸出山脊，三面臨空，地貌結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，凸凹不平，局部區(qū)域出現(xiàn)了彈跳平臺或坡度拐點。巖石裸露，幾乎無植被，多處出現(xiàn)淺表層卸荷拉裂巖體。大自然的作用使山體不斷滋生許多潛在危石，山體的中上部位表層顯得十分破碎，時有掉塊發(fā)生。

通過進場后對現(xiàn)場地形察勘，右岸邊坡設(shè)計開挖線1735m以上至2085m高程范圍內(nèi)，均不同程度存在坡積體，在下部開挖爆破施工過程中，隨后可能因爆破振動發(fā)生塌滑，為了確保電站施工期及運行期安全，右岸邊坡設(shè)計開挖范圍之外的邊坡需進行必要的安全防護。

3 右岸邊坡防護設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場實地勘察，右岸邊坡設(shè)計開挖范圍之外尚存在不穩(wěn)定邊坡面積達(dá)30000m2，表層坡積體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，因此邊坡防護方案以盡量減少邊坡擾動，采取以防為主，局部危石清撬為輔的原則。經(jīng)綜合考慮后，最終確定邊坡不穩(wěn)定坡面采用主動網(wǎng)進行覆蓋，并在下方設(shè)置一道被動網(wǎng)。

3.1 主動柔性防護安全系統(tǒng)設(shè)計

針對不同的邊坡病害區(qū)，根據(jù)力學(xué)原理，以及“局部受力、整體承載”的理念，得出主動柔性防護系統(tǒng)的具體方案。

取危石質(zhì)量 m=1000kg，密度 ρ=2.7g/cm3，體積V=0.6m×0.6m×1.02m。

危石受到阻止下滑的靜摩擦力為：

式中 F阻為危石受到的最大下滑阻力，包括山體對危石的阻力和鋼繩網(wǎng)對危石的阻力；m為危石的質(zhì)量，θ為坡度；μ1為危石與山體的靜摩擦系數(shù)；μ2為柔性鋼繩網(wǎng)與危石的摩擦系數(shù)；P為柔性綱繩網(wǎng)對危石的法向壓力。

將 μ1=1，μ2=1，P=4kN，S=1m2，θ=60°代入上式得：

F阻=13kN；

F下=mgsinθ=8.66kN（F下為危石的下滑分力）。

根據(jù)以上計算及工程實際情況，選定型號為“FSS-JG-250-G”加強型主動柔性防護系統(tǒng)。加強型FSS-JG-250-G與普通型FSS-JG-300-G相比，鋼繩網(wǎng)更密，強度更好，錨桿數(shù)量增加，整體抗拔力增大，這是基于山體病害嚴(yán)重（山體高、陡峭，而且十分破碎）來確定的。因此，采用FSS-JG-250-G最為可靠。

該處山體巖層破碎，堆積層厚達(dá)2～3m，清方只能清除表面部分危石，由于山勢十分險峻，采用潛空鉆和大功率空壓機來滿足鉆孔深度是難以實現(xiàn)的，只能采用手風(fēng)鉆鉆孔，但鉆孔深度都難以保證。為此針對本工程實際情況，專門組織技術(shù)工程人員現(xiàn)場研究認(rèn)為：在堆積層采用長2m錨桿的“整體”基礎(chǔ)較為可行。通過混凝土滲注，使基礎(chǔ)與周邊粘接成整體以達(dá)到錨桿抗拔力設(shè)計要求。

防護系統(tǒng)的上沿錨桿采用深度為3m的雙排式錨桿。

3.2 被動柔性防護安全系統(tǒng)設(shè)計

（1）被動系統(tǒng)能級的確定

選擇多大的能級系統(tǒng)主要根據(jù)邊坡高度、危石大小、地形地貌和“子彈效應(yīng)”的影響等綜合因素來測算的，同時應(yīng)適當(dāng)增大“保險系數(shù)”。

首要考慮的是來自邊坡高處危石帶來的威脅，1792m高程處的被動防護系統(tǒng)至上部主動防護系統(tǒng)落差約100m。取上部高處質(zhì)量為 540kg的危石作為研究對象，危石體積V=0.2×1×1=0.2m3，危石密度 ρ=2700kg/m3，危石落差取 h=100m，坡面對危石的動摩擦系數(shù)μ=0.7；山體坡度α=60°，具體狀況見圖 1。

計算公式：E勢=mgh

圖1 危石平動動能計算簡圖

E=ET+EA(ET=MV2/2，EA=1/2Iω2)

ET=E/1.2（經(jīng)驗公式）

計算結(jié)果：ET=342.9kJ

根據(jù)計算結(jié)果,危石的平動動能為342.9kJ，選擇能級500kJ的FSS-PD-500型被動柔性安全防護系統(tǒng)。

（2）被動系統(tǒng)高度和安裝位置的確定

為了實現(xiàn)有效攔截，確定系統(tǒng)的高度是非常重要的，系統(tǒng)的高度與能級無關(guān)，但與危石彈跳的速度和彈跳的角度有關(guān)。

彈跳高度 H=V2sin2θ/2g （θ為坡度 45°～60°）

V≤(2gh)1/2（h為危石落差）

由此可見，為了避免危石在彈跳時翻越攔截系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)安裝在地形平坦區(qū)靠山上方的斜坡部位，原則上選擇在落石動量小、彈跳高度低的位置，安置在危石拋物線軌跡起始部位。結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，被動防護系統(tǒng)高度確定為5m。

4 方案實施

右岸邊坡開挖線之外主要的防護范圍分布在1792～2085m高程，垂直高差達(dá)600m之多，且防護面積大，范圍廣，安全防護網(wǎng)施工存在很大難度。

4.1 施工難點

（1）柔性防護網(wǎng)施工區(qū)域地勢高、山體陡、道路難。從S211省道至防護區(qū)垂直高差約550m。由于該段山體極陡，施工道路很難修建，目前項目部已經(jīng)修建的部分臨時施工道路為機械路，車輛無法行走。高程EL.1700m往上再無法修筑機械路，只能修筑人行道至各施工現(xiàn)場，根據(jù)本方案的工程量計算，防護網(wǎng)所需材料總重約300t（防護網(wǎng)約40多t，水泥沙石約250多t），大部分材料需人工搬運至各施工場地。為了保證施工期材料的供應(yīng)，在施工期專門成立物資保障隊伍，專門進行施工及生產(chǎn)物資的轉(zhuǎn)運工作，大大增加了施工費用。

（2）由于施工道路多數(shù)為人行道。施工人員生活保障難度極大，施工人員居住在S211省道附近，則無法保證施工時的時間利用率，如果居住在EL.1992m高程，生活問題很突出，為了解決生活問題，必須利用大量人力往上背運生活物資及生活用水。

（3）施工安裝期間對周邊安全的影響。因修建施工便道及危石清撬、柔性防護安裝對周邊安全都將產(chǎn)生影響，因此處于防護工程正下方的中鐵十九局施工營地及臨建設(shè)施是否需要搬遷；上游的中水十四局及中水七局的臨時設(shè)施是否需要搬遷；在施工區(qū)EL.1850m左右有一條通訊光纜是否需要改線；施工區(qū)下方項目部水電等臨建設(shè)施是否需拆除；施工期間S211省道是否需要實行交通管制等都待考慮。

4.2 主動防護系統(tǒng)施工方法及技術(shù)要求

縱橫交錯的φ16縱向支撐繩和φ16橫向支撐繩構(gòu)成4.5m的正方形模式與2～3m長的錨桿相聯(lián)結(jié)，每個4.5m×4.5m網(wǎng)格內(nèi)鋪設(shè)一張4.0m×4.0m的DO/08/250型鋼繩網(wǎng)，每張鋼繩網(wǎng)與四周支撐繩間用縫合繩縫合聯(lián)結(jié)并進行預(yù)張拉，該預(yù)張拉工藝能使系統(tǒng)對坡面施以一定的方向預(yù)緊壓力，從而提高表層巖土體的穩(wěn)定性，阻止崩塌落石的發(fā)生，同時，在鋼繩網(wǎng)下鋪設(shè)小網(wǎng)孔的SO/2.2/50型格柵網(wǎng)，以阻止小尺寸巖塊的塌落；

4.3 被動防護系統(tǒng)施工方法及技術(shù)要求

按設(shè)計并結(jié)合現(xiàn)場地形對鋼柱和錨桿基礎(chǔ)進行測量定位，現(xiàn)場放線長度應(yīng)比設(shè)計系統(tǒng)長度增加約3%～8%,對地形起伏較大。系統(tǒng)布置難沿同一等高線呈直線布置時取上限（8%）；對地形較平整規(guī)則，系統(tǒng)布置能基本上在同一高線沿直線布置時取下線（3%）。在此基礎(chǔ)上,柱間距可以為設(shè)計間距20%的縮短或加寬調(diào)整范圍。對覆蓋層不厚的地方，當(dāng)開挖至基巖而尚未達(dá)到設(shè)計深度時，則在基坑內(nèi)的錨孔位置處鉆鑿錨桿孔，待錨桿插入基巖并注漿后才灌注上部基礎(chǔ)混凝土。

5 結(jié)語

長河壩電站右岸邊坡開挖線范圍之外的安全防護網(wǎng)施工項目在2008年2月3日開始施工，截至5月10日全部完成。“5·12”地震，主被動聯(lián)合防護效果明顯，震后，僅幾處有20～30cm崩落并被被動網(wǎng)攔住，而其他未防護邊坡出現(xiàn)大量的滾石，阻斷了道路，防護網(wǎng)成功使用并達(dá)到了預(yù)期效果。本項目共施工主動網(wǎng)防護施工面積達(dá)17000m2，被動網(wǎng)防護面積為1050m2，防護范圍大、施工難度高，在類似工程施工中具有一定的推廣及借鑒意義。