角木塘水電站廠區(qū)高邊坡支護設(shè)計及后期穩(wěn)定分析

，，

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽，550002)

1 工程概況

角木塘水電站位于芙蓉江干流下游河段，地處貴州省道真縣忠信鎮(zhèn)聯(lián)江村放牛坪，為芙蓉江水電梯級開發(fā)中的第10級，上銜官莊電站，下接浩口電站。推薦壩址在角木塘大橋下游約2.0km～2.5km的芙蓉江河段上。該電站距道真縣城33km，距遵義市234km，道真縣距重慶市約230km。

角木塘水電站工程水庫校核洪水位387.034m，總庫容3259萬m3，正常蓄水位為383m，相應(yīng)庫容為2332萬m3，工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等。工程主要任務(wù)是發(fā)電，電站裝機容量70MW，保證出力(P=90%)10.1MW，多年平均發(fā)電量為2.51億kW·h，裝機利用小時數(shù)3590h。

2 建筑物布置

角木塘水電站為河床式電站，樞紐布置為碾壓混凝土重力壩+壩頂溢流表孔+下游消力池+右岸發(fā)電引水系統(tǒng)+河床式廠房。

根據(jù)設(shè)計，右岸邊坡順河向布置的主要建筑物有引水渠、發(fā)電引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房、尾水渠。

廠區(qū)右岸邊坡開挖范圍順河向水流方向長約200m，邊坡開挖高程范圍為329m～483m，最大邊坡開挖高度約140m?？紤]到壩頂高程為388m，壩頂以上永久工程邊坡的最大開挖高度約100m。

3 右岸邊坡地質(zhì)條件

廠區(qū)右岸邊坡地表覆蓋層為第四系殘坡積粘土夾碎石，主要分布在岸坡中下部，厚3.0m左右。下伏基巖由上至下為：

(1)二疊系上統(tǒng)吳家坪組(P3w)：上部為灰色薄至中厚層灰?guī)r夾少量泥巖、粉砂巖；下部為灰色薄層泥巖、粉砂巖與薄層灰?guī)r等不等厚互層，底部為粘土巖，軟硬相間呈薄層狀、碎裂結(jié)構(gòu)為主的全、強風(fēng)化巖體；

(2)二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)：灰色中至厚層灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r夾薄層泥灰?guī)r及瀝青質(zhì)，含燧石團塊。

廠房后邊坡屬于工程巖質(zhì)超高邊坡，邊坡總體坡度為懸坡，邊坡坡面產(chǎn)狀318°∠75°與層面反向、坡面與層面走向夾角11°，小于30°，屬層狀反向結(jié)構(gòu)邊坡。5組裂隙面中L5為反向結(jié)構(gòu)面、L1與L3為同向結(jié)構(gòu)面、L2與L4為橫向結(jié)構(gòu)面，L1～L5結(jié)構(gòu)面地質(zhì)產(chǎn)狀性狀描述詳見表1。

廠房及邊坡整體結(jié)構(gòu)為層狀反向邊坡，而裂隙延伸長度不大，邊坡巖體基本為硬質(zhì)巖邊坡，因此，邊坡不會產(chǎn)生沿著某一結(jié)構(gòu)面整體大規(guī)模滑移而形成滑坡，但存在表部巖層逐漸向外彎曲、拉裂、倒塌的傾倒變形破壞的可能。

4 廠區(qū)高邊坡支護設(shè)計

4.1 廠區(qū)388m高程以上邊坡支護設(shè)計

右岸進水渠～尾水渠靠山一側(cè)388m高程以上永久邊坡最高約90m。永久邊坡開挖每15m高差設(shè)一級馬道(寬2.2m)，并在其內(nèi)側(cè)設(shè)排水溝(0.3m×0.3m)。388m～433m高程開挖坡比為1∶0.5，433m～448m高程開挖坡比為1∶0.6，448m高程以上邊坡開挖坡比為1∶0.75。388m～418m高程邊坡采用φ28砂漿錨桿(根長6.0m，間排距3.0m，梅花形布置)+掛網(wǎng)(φ8@200×200)+噴C20混凝土(厚0.12m)支護，418m～448m高程邊坡采用φ28砂漿錨桿(根長9.0m，間排距3.0m，梅花形布置)+掛網(wǎng)(φ8@200×200)+噴C20混凝土(厚0.12m)支護，448m高程以上邊坡采用φ32砂漿錨桿(根長9.0m，間排距3.0m，梅花形布置)+掛網(wǎng)(φ8@200×200)+噴C20混凝土(厚0.12m)支護。各級邊坡均在坡面上設(shè)置φ80排水孔，孔深入基巖5m，間排距3m，梅花形布置。并且在邊坡剖面分段設(shè)置錨筋樁(孔徑150，5φ28，L=9m)，間距為3.0m。廠房段邊坡433m高程坡腳處設(shè)置一排5φ28錨筋樁。

表1 L1～L5結(jié)構(gòu)面地質(zhì)產(chǎn)狀性狀

4.2 廠區(qū)388m高程以下邊坡支護設(shè)計

廠房靠山側(cè)臨時邊坡開挖坡比為0～1∶0.15，10m～12m高差設(shè)一級馬道(寬1.2m)，根據(jù)揭露的地質(zhì)條件采取φ25砂漿錨桿(根長6.0m，間排距3.0m，梅花形布置)+掛網(wǎng)(φ8)+C25貼坡混凝土(厚0.12m)、錨索及框格梁等支護措施。尾水渠施工道路383m～388m高程以下按10m～12m高差設(shè)一級馬道(寬1.2m)，354m高程以下開挖坡比為1∶0.3，354m高程以上開挖坡比為1∶0.4。367m高程以下邊坡采用φ28砂漿錨桿(根長6.0m，間排距3.0m，梅花形布置)+掛網(wǎng)(φ8)+C25貼坡混凝土(厚0.8m)支護；367m高程以上邊坡采用φ25砂漿錨桿(根長6.0m，間排距3.0m，梅花形布置)+掛網(wǎng)(φ8)+C25貼坡混凝土(厚0.5m)支護，并且每級邊坡考慮1排150t錨索，間距4.0m，L=30m、40m，相間布置，并設(shè)縱橫向壓梁。

5 右岸邊坡滑塌處理措施

5.1 邊坡局部初次滑塌及處理方案

2015年6月17日，右岸廠房邊坡施工過程中，由于開挖邊坡暴露時間過久，經(jīng)過連續(xù)雨水天氣，導(dǎo)致388m～403m已開挖邊坡局部滑塌，滑塌部位位于廠房段右側(cè)，滑塌范圍沿河流方向約20m。

參建各方共同查看現(xiàn)場后，提出了處理方案：(1)先清除滑塌部分松動巖塊；(2)垮塌部分采用C20混凝土回填，其表層設(shè)置φ8@200×200鋼筋網(wǎng)，表層鋼筋與原設(shè)計錨桿焊接牢固；(3)滑塌區(qū)域邊坡排水孔間排距調(diào)整為1.5m，孔深5m。

5.2 邊坡局部再次滑塌及處理方案

388m高程以上未完成支護處理，往下開挖至377m高程時，2015年8月6日，上述滑塌范圍377m高程以上邊坡再次發(fā)生表層滑塌。我院地質(zhì)、水工設(shè)計人員及時查看現(xiàn)場后，對該范圍局部垮塌進行了地質(zhì)原因分析：

(1)垮塌區(qū)處于廠房(安裝間)后坡，正好處于負(fù)地形內(nèi)，地形坡度34°～53°，屬陡坡地形，地形條件較差；

(2)垮塌區(qū)出露地層巖性為二疊系上統(tǒng)吳家坪組第一段(P3w1)：巖性為灰色薄層泥巖、粉砂巖與薄層灰?guī)r呈不等厚互層，底部為粘土巖，厚約30.0m，巖性較軟，遇水易軟化，長期暴露易風(fēng)化；

(3)邊坡垮塌主要受L1裂隙控制(反傾向裂隙)，L1裂隙產(chǎn)狀325°～340°∠43°～70°，張性裂隙，間距0.3m～0.5m，有起伏較粗糙、局部張開度1cm～3cm，黃色黏土等軟質(zhì)充填物、可見延伸長度2.0m～3.0m、切層深度大于3.0m；

(4)垮塌區(qū)有軟弱夾層，層間存在夾泥現(xiàn)象，力學(xué)參數(shù)較低；

(5)垮塌區(qū)存在裂隙水，排水系統(tǒng)不暢，進一步加劇巖體軟化。

綜上所述，局部邊坡由于受風(fēng)化卸荷、溶蝕和構(gòu)造影響，局部巖體破碎，開挖坡比偏陡，高邊坡淺表層巖體穩(wěn)定性較差，放緩邊坡無條件，故須加強支護。我院與其余參建各方溝通后，提出了如下處理方案：

(1)垮塌部分采用C20混凝土回填，其表層設(shè)置φ8@200×200鋼筋網(wǎng)，表層鋼筋與原設(shè)計錨桿焊接牢固；

(2)滑塌區(qū)域邊坡排水孔間排距調(diào)整為1.5m，孔深5m；

(3)考慮到廠區(qū)整體邊坡高度較大，增加388m～403m、403m～418m廠房右側(cè)邊坡段錨索共計52根，錨索長度為20m，錨索間距4.0m；

(4)盡快實施完成錨索區(qū)的B型C20框格梁邊坡支護；

(5)盡快創(chuàng)造條件完善大壩永久監(jiān)測的平面控制網(wǎng)和水準(zhǔn)高程控制網(wǎng)，提高外部變形觀測精度。在72#和84#錨索各增加1支錨索測力計。

后來根據(jù)業(yè)主要求，再增加兩排150t級錨索，分別布置在右岸邊坡廠房段391.1m和406.1m高程，增加錨索28根，所有未實施錨索長度調(diào)整為30m，在44#、52#、60#錨索各增加1支錨索測力計。在相應(yīng)位置增加2支錨桿應(yīng)力計(R21、R22)和一個表面變形觀測墩TP16。

2015年8月29日，業(yè)主組織專家對邊坡開挖支護進行了技術(shù)咨詢。根據(jù)2015年8月29日《貴州角木塘水電站廠房邊坡穩(wěn)定治理咨詢意見》調(diào)整右岸邊坡支護措施如下：

(1)右岸邊坡未實施錨索長度調(diào)整為30m和40m間隔布置，錨索間距不變；

(2)388m高程以上錨索區(qū)單排布置采用橫向壓梁，雙排布置采用橫向壓梁和縱向連系梁支護，原設(shè)計有框格梁支護的相應(yīng)取消。

5.3 邊坡局部第三次滑塌及處理方案

上述滑塌處理、支護措施未完全實施的情況下，邊坡開挖繼續(xù)往下施工過程中，廠房安裝間右側(cè)邊坡6月17日與8月6日垮塌結(jié)合部位，10月20日發(fā)生表層滑塌。

該范圍邊坡再次發(fā)生表層滑塌后，我院組織地質(zhì)、水工人員及時查看了現(xiàn)場，并與參建各方商討后，提出了如下處理方案和要求：

(1)對滑塌邊坡影響范圍內(nèi)的邊坡裂縫噴C20混凝土進行封閉處理；

(2)清除坡腳(371m高程)滑塌體，采用C20混凝土貼坡?lián)鯄靥罨沃猎_挖坡面，擋墻外側(cè)坡度與設(shè)計開挖坡度相同，并恢復(fù)原設(shè)計馬道，貼坡混凝土施工完成后按原設(shè)計實施388m～418m高程范圍預(yù)應(yīng)力錨索支護；

(3)對滑塌范圍上下游側(cè)(高程418m附近)變形較大部位，將表層松散體清除，然后對坡面進行噴錨支護(φ28，L=9m，間排距2m，掛鋼筋網(wǎng)φ8@200×200，噴C20混凝土，厚120mm)；

(4)對滑塌影響區(qū)域加強監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測情況對局部不穩(wěn)定坡體進行開挖清除，清除后的坡面采用噴錨支護，對已穩(wěn)定坡體的裂縫進行無壓或低壓(0.05MPa)灌漿處理，具體現(xiàn)場實驗確定；

(5)在418m～433m高程范圍內(nèi)邊坡增設(shè)兩排150t級預(yù)應(yīng)力錨索及壓梁支護；

(6)強調(diào)邊坡按照自上而下逐級開挖的原則，上級邊坡支護完成后再進行下一級邊坡開挖，開挖邊坡應(yīng)盡快完成支護，減少坡面暴露時間。

廠房安裝間右側(cè)邊坡滑垮塌部分采取上述方案處理，同時對該范圍及周邊區(qū)域的支護措施進行加強。支護措施實施后，確保了上部邊坡的穩(wěn)定及后續(xù)下部邊坡開挖過程中的施工安全，邊坡未發(fā)現(xiàn)明顯不良跡象，后期邊坡監(jiān)測資料顯示，邊坡正常，支護處理方案合適。

6 右岸邊坡穩(wěn)定分析

6.1 廠區(qū)邊坡失穩(wěn)模式分析

穩(wěn)定分析通常選取若干個典型剖面作為計算剖面。本次穩(wěn)定分析中，對廠區(qū)邊坡選取3-3剖面、4-4剖面、5-5剖面、7-7剖面、8-8剖面作為穩(wěn)定分析計算剖面，對尾水區(qū)邊坡選取10-10剖面、11-11剖面、12-12剖面作為穩(wěn)定分析計算剖面，各剖面的平面位置如圖1所示，廠區(qū)邊坡3-3剖面的工程地質(zhì)剖面如圖2所示。

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定[1]，并結(jié)合右岸邊坡的實際狀況，本次穩(wěn)定分析擬復(fù)核的計算工況包括：

圖1 邊坡穩(wěn)定分析選取邊坡剖面位置

圖2 廠區(qū)邊坡剖面3-3工程地質(zhì)剖面

(1)施工期：主要復(fù)核邊坡在天然狀況、考慮降雨與考慮地震工況條件下的穩(wěn)定狀況；

(2)正常運行期：主要復(fù)核邊坡在正常蓄水位、正常蓄水位遭遇暴雨、正常蓄水位遭遇地震以及校核洪水位時的穩(wěn)定狀況。

巖質(zhì)邊坡的變形與失穩(wěn)主要受其內(nèi)部發(fā)育的結(jié)構(gòu)面的控制，即巖體結(jié)構(gòu)控制論[2]。在對右岸邊坡進行穩(wěn)定性定量分析評價之前，首先采用赤平投影分析方法[3]，對其失穩(wěn)模式進行分析。

右岸邊坡巖體內(nèi)部發(fā)育的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀情況如表1所示。

對右岸廠區(qū)邊坡，臨空面平均產(chǎn)狀為330°∠63.4°，采用赤平投影方法獲得的失穩(wěn)模式如圖3所示。

圖3 右岸廠區(qū)邊坡失穩(wěn)模式

由圖3可以看出，該部位邊坡可能存在以下失穩(wěn)模式：

(1)裂隙L1的極點落在滑動區(qū)，可能會沿該組結(jié)構(gòu)面發(fā)生平面滑動破壞；

(2裂隙L1分別與裂隙L2、裂隙L3、裂隙L4的交棱線極點落在滑動區(qū)，可能會發(fā)生楔體滑動破壞；

(3)裂隙L2分別與裂隙L3、裂隙L4的交棱線極點落在滑動區(qū)，可能會發(fā)生楔體滑動破壞；

(4)裂隙L3與裂隙L4的交棱線的極點落在滑動區(qū)，可能會發(fā)生楔體滑動破壞。

6.2 邊坡錨索加固后穩(wěn)定分析計算結(jié)果

廠區(qū)邊坡與尾水區(qū)邊坡采用地質(zhì)建議值，預(yù)應(yīng)力錨索加固后的穩(wěn)定分析成果見表2。

6.3 穩(wěn)定分析結(jié)論

(1)監(jiān)測資料分析失穩(wěn)模式判斷結(jié)果表明，右岸邊坡的主要滑動模式為沿強風(fēng)化與弱風(fēng)化巖體內(nèi)部剪出，沿結(jié)構(gòu)面組合發(fā)生楔體滑動的可能性不大。

(2)采用二維極限平衡法[4]對右岸邊坡不同工況下的穩(wěn)定性進行分析計算。對廠區(qū)邊坡，在天然條件下，各計算剖面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)[5]在1.10～4.50之間?？紤]降雨工況，當(dāng)給定孔壓系數(shù)γu=0.1時，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在1.06～4.31之間，較天然狀況降低0.1左右；當(dāng)給定孔壓系數(shù)γu=0.2時，除剖面7-7沿強風(fēng)化巖體內(nèi)部剪出時安全系數(shù)略低外，其它計算剖面的安全系數(shù)均大于1.05。

(3)對設(shè)計建議的加固處理措施的加固效果進行分析評價。廠區(qū)邊坡，天然條件下各剖面的安全系數(shù)大于1.15，考慮降雨工況，當(dāng)給定孔壓系數(shù)γu=0.05時，其安全系數(shù)大于1.10。

表2 廠區(qū)邊坡采用錨索加固后的穩(wěn)定分析成果