牙塘水庫泄洪洞邊坡穩(wěn)定性分析及加固方案研究

屈新利，姜福基，俞 宏

(甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅 蘭州 730000)

隧洞進口洞臉邊坡的穩(wěn)定性決定隧洞的安全運行。特別是水庫泄洪兼輸水洞的洞臉邊坡，在汛期按水庫泄洪調度要求泄洪時，水位驟降是否引起洞臉邊坡滑坡堵塞洞口，造成水庫汛限水位急劇上升，危機大壩安全。自20世紀80年代以后，隨著大、中型水利水電工程的大量修建，邊坡安全的重要性越來越受到重視，已開展許多關于洞臉邊坡的穩(wěn)定性及處理措施的研究。如劉平祿[1]研究了二灘水電站左岸導流洞出口邊坡的加固方案，并提出了以預應力錨索為主的邊坡綜合整治措施；羅海林等[2]通過分析楓溪港河岸高邊坡不穩(wěn)定的現(xiàn)象及其成因，提出了相應的治理措施；萬克誠等[3]采用有限元方法研究了不同工況及加固方案下湖南涔天河水電站導流洞出口邊坡的穩(wěn)定性；劉林軍[4]采用強度折減法對清蓄下庫泄洪洞的兩種進洞方案的邊坡穩(wěn)定性進行了分析；張建[5]采用軟件ADINA研究了開挖和隧洞掘進對洞臉邊坡的影響；姚福海等[6]研究了李家峽水電站導流洞進口洞臉邊坡的處理及進洞措施；占艷平等[7]從地質角度對預應力錨索加固與削坡減載兩種治理方案對寺坪水電站導流隧洞進口洞臉邊坡的適用性進行了論證。袁黎明[8]以普棚水庫為背景分析了隧洞進口高邊坡的加固技術；劉大群[9]以姚家山水利樞紐工程輸水隧洞進口邊坡為研究對象，開展了高陡邊坡的穩(wěn)定性與開挖效應的研究。

上述研究成果雖然在解決具體工程問題方面體現(xiàn)出了各自的優(yōu)勢，但都是圍繞洞臉邊坡巖石裂隙產(chǎn)生的邊坡不穩(wěn)定進行的邊坡穩(wěn)定分析及加固，與本泄洪洞洞臉邊坡(存在厚度18.71m的洪積砂礫卵石夾壤土透鏡體，底部為上第三系紅砂巖強風化地層)的地層巖性完全不同，以上洞臉邊坡穩(wěn)定性處理均采用的是非壓力分散型預應力錨索加固，同時不涉及水庫水位驟降引起邊坡滑動問題。本文結合牙塘水庫泄洪輸水洞洞臉邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定情況和不同高程地質鉆探成果，提出壓力分散型預應力錨索加固結合削坡襯砌和壓力分散型預應力錨索加固結合隧洞進口延長的兩個方案開展對比研究，以期該研究成果能夠對本工程及類似工程的設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

牙塘水庫位于甘肅省臨夏回族自治州和政縣境內海撥3300m的太子山下牙塘河緣頭，水庫總庫容1920萬m3。泄洪輸水洞位于大壩左岸，洞長370m，圓形洞徑4m，洞進口前水庫正常高水位2410.88m，設計洪水位2509.78m，校核洪水位2512.45m，死水位2469.48m，洞進口底板設計高程2468.28m，出口高程2460.28m，隧洞縱坡1/43.57，邊坡自然坡度25°。洞進口位于Ⅲ級階地前緣斜坡坡腳處，洞進口地層表層為3～5m厚坡積礫質土，下部為厚度18.71m的洪積砂礫卵石夾壤土透鏡體，底部為上第三系紅砂巖。洞臉邊坡原設計1∶1.25，洞臉邊坡防護紅砂巖層邊坡部分采用厚度20cm的C20混凝土掛網(wǎng)噴錨護砌；砂礫石層邊坡部分采用厚度30～50cm的M10水泥砂漿砌塊石護砌。

由于牙塘水庫海拔較高，冬季氣溫較低，夏季降雨量較大，洞臉護坡經(jīng)歷20多年的凍脹破壞，邊坡防護已起伏不平，砌石勾縫砂漿部分已脫落，尤其是左側邊坡已明顯起鼓，噴錨護砌砂漿現(xiàn)已大面積掉塊，掛網(wǎng)鋼筋大部分已裸露銹蝕，洞臉邊坡存在不穩(wěn)定的安全隱患，特別是水庫水位驟降可能造成滑坡以堵塞洞口，給汛期水庫正常下泄洪水帶來威脅，危及大壩安全。

2 洞臉邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡現(xiàn)狀

從1#剖面向上游至7#剖面處，坡面傾向由SE170°漸變?yōu)镾E111°，坡面高度為44.6～51.8m。第四系松散堆積物覆蓋層下的紅砂巖面總體傾向SE151°，傾角約2°，紅砂巖與砂礫卵石層的分界高程由1#剖面處2496.87m漸變至上游7#剖面處的2490.76m。邊坡護砌為：紅砂巖界面以下為掛網(wǎng)噴錨護砌，砂礫卵石部位為漿砌石護砌，坡面地下水溢出點的分布范圍為4#～6#剖面基巖面上部的砂礫卵石邊坡的坡腳處，溢出點高程在2492～2494m之間，地下水順基巖頂面和預留排水孔零星溢出。

目前坡面破壞狀況為：在4#～6#剖面處地下水溢出點附近砂礫卵石邊坡有明顯的凸鼓變形現(xiàn)象，其分布高度在2492.5～2493.5m之間，造成這種現(xiàn)象的原因是由于地下水對局部坡體的浸泡所致，另外上部砂礫卵石邊坡局部考慮臨時上壩路的寬度，4#～6#剖面在上壩路面以上產(chǎn)生了1.02～5.33m垂直面，坡角超過了其允許坡角，致使邊坡面產(chǎn)生了凸鼓現(xiàn)象，護砌面的漿砌石呈現(xiàn)松動狀態(tài)，紅砂巖部位噴錨護砌由于遇坡面水結冰凍脹，造成了大部分砂漿掉塊脫落，掛網(wǎng)鋼筋銹蝕，現(xiàn)狀邊坡存在不穩(wěn)定隱患。

2.2 地層巖性及物理力學性質

根據(jù)牙塘水庫泄洪兼輸水洞地質勘察成果，進口洞臉邊坡屬溝谷Ⅲ級基座階地前緣，其下部基巖為第三系上新統(tǒng)臨夏組(N2L)砂巖組成，上部主要為第四系al-Pla3砂礫卵石層。

N2L砂巖為厚層狀，磚紅色，屬泥鈣質膠結，遇水易軟化，且遇水有輕微崩解性，其干密度為2.08～2.21g/cm3，飽和密度為2.21～2.26g/cm3，在干燥狀態(tài)下單軸抗壓強度為3.7MPa，飽和狀態(tài)下：單軸抗壓強度為1.3MPa，彈性模量為60～80MPa，泊松比為0.42，軟化系數(shù)為0.39，內聚力為2.4～1.7MPa，內摩擦角為35.7°～37.7°。

砂礫卵石層，呈褐黃、銹黃色，砂以中粗砂為主，相對密度為0.69，天然密度2.1g/cm3，干燥狀態(tài)下內摩擦角的均值為34.7°，內聚力的均值為94.2kPa。在飽和狀態(tài)下，彈性模量60MPa，內摩擦角均值28.1°，內聚力均值49.4kPa。

2.3 穩(wěn)定性分析

2.3.1 砂礫卵石層邊坡穩(wěn)定性

根據(jù)牙塘水庫興利調節(jié)計算及有關規(guī)范規(guī)定，結合現(xiàn)狀和擬采取的邊坡加固處理方案，擬定以下三種水庫水位驟降工況對現(xiàn)狀砂礫卵石層邊坡進行穩(wěn)定性計算(工況一：正常運用條件下水位驟降工況；工況二：非常運用條件水庫水位驟降工況Ⅰ；工況三：非常運用條件水庫水位驟降工況Ⅱ)。各剖面在各工況下的砂礫卵石層邊坡最不利滑動面穩(wěn)定安全系數(shù)計算值見表1。

從表1可以看出，正常運用條件水位驟降工況，邊坡1#～3#、7#剖面滑動穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范值，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，4#剖面處于臨界平衡狀態(tài)，5#～6#處于不穩(wěn)定狀態(tài)；但從表2可以看出，經(jīng)對4#～5#剖面臨時施工道路以上現(xiàn)狀直坎段砂礫卵石邊坡按1∶1.5削坡，并做漿砌石護坡；路面以下砂礫卵石邊坡按1∶1.25削坡；6#～7#剖面砂礫卵石邊坡按1∶1.9削坡，并將3#～5#剖面按扭曲面銜接，所有砂礫卵石層邊坡表面除排水孔位置為干砌石以外均改為漿砌石護坡后，邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高較快，邊坡由臨界穩(wěn)定和不穩(wěn)定轉變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)；非常運用條件水位驟降工況Ⅰ，現(xiàn)狀砂礫卵石層邊坡1#、7#剖面處于穩(wěn)定狀態(tài)，2#剖面處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，3#剖面處于臨界平衡狀態(tài)，4#～6#剖面處于不穩(wěn)定狀態(tài)；從表2看出，對4#～7#剖面按前述正常運用條件工況下不穩(wěn)定邊坡消坡方式進行削坡和護坡，由于水庫水位驟降速度快，坡內地下水位降低緩慢，使得穩(wěn)定安全系數(shù)較正常運用工況變化不大，且5#剖面邊坡由臨界穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)對邊坡坡面進行比較分析，認為5#剖面不穩(wěn)定的原因是由于該剖面處于削坡漸變扭曲面中間，坡面依然較陡所致；非常運用條件水位驟降工況Ⅱ，庫水位由正常水位降至死水位過程中，隨著庫水位的降低，溢洪道底檻高程2506.28m以上不再參與泄流，水量全部由泄洪洪輸水洞泄流，并適當控制泄洪洞的泄流量，增加了砂礫卵石層內地下水的排出時間，現(xiàn)狀砂礫卵石層邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均較非常運用條件水位驟降工況Ⅱ有所提高，全部處于穩(wěn)定狀態(tài)和基本穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 砂礫卵石層邊坡安全系數(shù)

從上述水庫水位驟降三個工況分析，洞臉邊坡的穩(wěn)定性與庫水位驟降關系極為密切，如正常運用工況和非常運用工況Ⅰ，因泄洪洞和溢洪道閘門全部開啟，庫水位降落速度較快，洞臉邊坡砂礫卵石中的地下排出速度較漫，砂礫卵石層中的孔隙水壓力對坡面的穩(wěn)定產(chǎn)生負作用，使得正常運用工況下的4#～6#剖面、非常運用工況Ⅰ下的3#～6#剖面邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于規(guī)范值，但從4#～7#剖面削坡處理后的表2計算結果看出，除5#剖面處于臨界狀態(tài)以外，其余剖面最不利滑動面穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.05，由此判定4#～7#剖面實施削坡處理后在水庫水位2496.88m以下驟降過程中砂礫石邊坡穩(wěn)定狀態(tài)將逐步好轉。

表2 砂礫卵石層邊坡經(jīng)削坡處理后的安全系數(shù)

通過分析得出以下結論：在對砂礫卵石邊坡不進行較大范圍處理的情況下，要提高邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，比較可行的辦法是適當限制水庫水位驟降速度，延長砂礫石層地下水的排出時間，增大地下水的排出量，降低砂礫石層中的地下水位，減小砂礫石層中的孔隙水壓力的負作用力。但水庫蓄水位在非常情況下不可能按邊坡排水時間進行泄洪，必須研究經(jīng)濟合理的加固處理方案。

2.3.2 邊坡應力狀況分析

計算工況按非常運用條件水位驟降工況Ⅰ(水庫水位驟降按死水位～正常高水位的1/3處)考慮。計算斷面選為1#剖面。考慮兩個方案：①不加錨索;②采用1000kN級錨索。兩種方案下坡體的剪應力、主應力及破壞接近度如圖1和圖2所示。

從圖1(a)中可以看出，1#剖面巖質邊坡及砂礫卵石邊坡在不施加預應力錨索情況下，高程2503.80m以上坡體最大剪應力為0.183MPa，坡腳高程2478.21m處的最大剪應力為-0.131MPa，最大剪應值均小于1.0MPa，表明坡體、坡腳不存在剪切破壞；從圖1(b)中可以看出，高程2496.548m以上邊坡最大主應力為-0.1MPa(拉應力)，坡腳高程2478.21m處最大主應力為0.364MPa(壓應力)，可見砂礫卵石邊坡會發(fā)生開裂，需進行防護，巖質邊坡表面基本正常；從圖1(c)可以看出，高程2496.548m以上砂礫卵石邊坡和紅砂巖弱風化層以下破壞接近度η<1(圖中深色部分)，表明未破壞；高程2496.548m以下紅砂巖弱風化層巖質邊坡破壞接近度η>1(圖中淺色部分)，表明巖質邊坡強風化層已進入屈服狀態(tài)，由Tresca屈服準則η=1/K得出巖質邊坡強風化層安全系數(shù)k=1.03，小于SL212- 2012《水工預應力錨固設計規(guī)范》[10]規(guī)定的四級邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)1.1～1.05。從圖2(a)中可以看出，高程2496.548m以上坡體最大剪應力為0.217MPa，坡體中部最大剪應力為-0.46MPa，坡腳最大剪應力為-0.068MPa；從圖2(b)中可以看出，坡腳高程2478.21m處最大主應力為0.262MPa(壓應力)，坡體中部(高程2496.548～2484.88m之間)最大主應力為-1.229MPa(拉應力)。

圖1 不加錨索計算結果

圖2 施加1000kN錨索計算結果

對比圖1和圖2可知，砂礫卵石層與紅砂巖層分界面高程2496.548m以下不加錨索和加錨索剪應力和主應力值變化不很大，但加錨索后的破壞接近度η<1的范圍增加，數(shù)值也相應減小，由Tresca屈服準則得出巖質邊坡強風化層的穩(wěn)定安全系數(shù)由1.03提高為1.82，由此可見本隧洞洞臉邊坡1#～6#剖面砂礫卵石邊坡坡腳和紅砂巖強風化層部分施加預應力錨索后穩(wěn)定安全系數(shù)有較大提高，增加錨索是十分必要的。

3 邊坡加固方案

3.1 方案擬定

根據(jù)本隧洞工程地質勘探報告建議的邊坡比值及洞臉邊坡穩(wěn)定性分析，以及現(xiàn)狀邊坡護砌的實際情況，本文提出了兩個洞臉邊坡加固處理方案。

方案一，錨索加固結合削坡襯砌方案：洞臉1#～4#剖面，洞進口高程2473.13至高程2503.00m之間高度29.87m的砂礫卵石邊坡坡腳和巖質邊坡在現(xiàn)狀邊坡和經(jīng)消坡后的邊坡面上，先澆筑20cm厚C20鋼筋混凝土面板，然后采用壓力分散型預應力錨索和框格梁加固，并在框格梁孔間打入Φ20錨桿。4#～6#剖面高程2502.91～2513.92m的砂礫卵石邊坡削坡為1∶1.509，坡面采用厚度50～30cm的M10水泥砂漿砌塊石護坡；高程2473.13～2502.91m的局部砂礫卵石邊坡和巖質邊坡削坡為1∶1.23～1∶1.12，然后在砂礫卵石層及紅砂巖強風化層邊坡坡面上澆筑同上厚度的面板，并采用同上形式的錨索加固。6#～7#剖面將高程2490.83～2509.61之間的砂礫卵石邊坡按1∶1.9削坡，坡面采用同前厚度的漿砌塊石護坡；高程2474.14～2490.83m之間的巖質邊坡按1∶1.23～1∶1.12削坡，然后打入Φ20、長6m錨桿，坡面采用厚度20cm的C15混凝土噴錨掛網(wǎng)護面。方案一平面布置見圖3。

圖3 加固方案一平面布置圖

圖4 加固方案二平面布置圖

方案二，錨索加固結合隧洞延長方案：洞進口1#～3#剖面高程2478.21～2496.00m之間高度17.79m的巖質邊坡強風化層面按方案一的方法處理。隧洞進口延長60m，3#～7#剖面邊坡維持現(xiàn)狀邊坡不再處理。延長段隧洞斷面考慮施工方便，且與現(xiàn)洞口很好銜接，采用與現(xiàn)洞口相同的斷面，即6×6m的矩形斷面。結構厚度按洞頂以上覆土4m，再考慮洞口左側邊坡可能產(chǎn)生滑塌后的土體厚度2m的荷載，按隧洞為空洞時的不利工況計算，洞底板厚度1.0m，側墻、頂板厚度0.8m。方案二平面布置見圖4。

3.2 錨索體系設計

3.2.1 錨索體形式選擇

錨索體的形式根據(jù)SL212- 2012的要求，應根據(jù)錨固工程的使用年限、單根預應力錨索的設計錨固力、錨索的布置及施工條件，經(jīng)綜合比較選擇。本隧洞洞臉邊坡較陡，機械式施工難度較大，且?guī)r石單軸抗壓強度小于60MPa，不適合；膠結式的拉力型、拉力分散型、壓力型、拉壓復合型等一般適合于巖體單軸抗壓強度高、錨固段長度小于10m的邊坡加固。本隧洞洞臉邊坡上部為較厚的砂礫卵石層，錨索必須伸入下部的第三系紅砂巖中，而該巖體較軟弱，干燥狀態(tài)下單軸抗壓強度3.7MPa，飽和狀態(tài)下單軸抗壓強度為1.3MPa，且錨索全部淹沒于庫水之中，同時紅砂巖與水泥漿(砂漿)粘結強度較低，錨索錨固段長度要求較長，錨索體型式優(yōu)先選用壓力分散型結構。這種錨索的最大優(yōu)點是錨固段的剪應力分布更加均勻，可以最大限度地發(fā)揮錨固段的承載能力，多用于錨固深度較深、施加的預應力噸位較高的預應力錨索。本研究選擇壓力分散型錨索。

3.2.2 錨索體長度確定

單根錨索體的長度，由自由段和錨固段兩部分組成，自由段長度根據(jù)地質橫剖面，錨索穿過的砂礫卵石層和紅砂巖強風層作為錨索的自由段長度，錨索錨固段長度根據(jù)前述有限元應力分析和巖石與錨固體粘結強度確定。錨索間距豎向采用3.5m，橫向5.0m，錨索設計噸位根據(jù)有限元分析確定為1000kN，錨固體直徑取130mm，分4級承載體錨固，錨孔傾角按現(xiàn)狀和消坡后的邊坡布置為30°，錨索鋼膠線根數(shù)選為8根，每束錨索鋼絞線由固端1級承載體2根逐步增加到4級承載體8根，每級承載體抗拉撥力由一級300kN，逐步增加至1000kN。錨固長度確定由以上參數(shù)按理正邊坡穩(wěn)定分析程序計算的錨固段長度為22m。

按SL212- 2012規(guī)范中公式計算的錨索錨固段長為23.6m，與理正邊坡穩(wěn)定分析程序計算值相接近，故取錨固段長度最大值24m，其中伸基巖弱風化層內長度不小于22m。單根錨索總長度根據(jù)地質剖面和邊坡穩(wěn)定性分析以及錨固段長度的計算，單根錨索長度最長為44m，最短17.3m，平均34.4m，其中：

第一方案：錨索結合削坡加固，即1#～6#剖面高程2503.0～2473.13m之間，錨索加固邊坡長45m，高度24.29～29.87m，總面積1310m2，共設錨索130根(其中試驗錨索5根)，總長4563m。

第二方案：錨索結合隧洞進口延長，即1#～3#剖面高程2496.00～2478.21m，之間錨索加固邊坡長23m，高17.79m，面積409m2，共設錨索61根(含實驗錨索3根)，總長2235m。

3.2.3 技術經(jīng)濟比較

為保證牙塘水庫泄洪輸水洞進口洞臉邊坡工程運行安全和經(jīng)濟合理，提出了錨索結合削坡加固方案和錨索結合隧洞進口延長方案。經(jīng)對比分析，方案一總投資275.52萬元(其中錨索201.15萬元，削坡加護砌74.37萬元)；方案二總投資450.42萬元(其中錨索加固面95.86萬元，隧洞延長段171.31萬元，施工導流圍堰及其它183.25萬元)。從工程安全性分析：方案二錨索結合隧洞進口延長基本避免了水位驟降引起洞臉邊坡滑坡堵塞洞口的問題，但該方案延長段隧洞位死水位1.2m以下，且洞基紅砂巖經(jīng)過長時間過水浸泡，現(xiàn)已完全軟化，必須進行基礎處理，且基坑排水工作量很大，特別是進入汛期，除施工期需要導流外，汛期導流圍堰工程量也很大，如按大壩填筑施工導流洪水標準，P=10%考慮，汛期施工導流洪水流量為20m3/s，水庫沒有其它泄水通道，且延長段隧洞砼澆筑工程量很大，沒有時間與原洞口合攏，即是加快施工進度，也需在7月底才能完成施工(不含自然因素的影響)；方案一根據(jù)邊坡穩(wěn)定分析，適當控制水位驟降，延長砂礫石邊坡地下水的排出時間，洞臉邊坡經(jīng)錨索加固結合削坡處理后是穩(wěn)定的，且削坡工程施工較為簡單，進度快，不存在施工導流問題，投資也較方案二省174.9萬元。故本研究推薦采用方案一。

4 結論

牙塘水庫泄洪輸水洞位于大壩左岸，洞臉護坡經(jīng)歷20多年的凍脹破壞存在安全隱患，特別是水庫水位驟降可能造成滑坡并堵塞洞口，給汛期水庫正常下泄洪水帶來威脅。本文研究了洞臉邊坡的穩(wěn)定性并論證了相應的加固方案，主要研究成果如下：

(1)針對現(xiàn)狀砂礫卵石層邊坡擬定了三種水庫水位驟降工況，工況一：正常運用條件下水位驟降工況；工況二：非常運用條件水庫水位驟降工況Ⅰ；工況三：非常運用條件水庫水位驟降工況Ⅱ。

(2)洞臉邊坡的穩(wěn)定性與庫水位驟降關系密切。正常運用工況下4#～6#剖面、非常運用工況Ⅰ下3#～6#剖面邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于規(guī)范值，但4#～7#剖面經(jīng)削坡處理后，除5#剖面處于臨界狀態(tài)以外，其余剖面最不利滑動面穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.05。

(3)針對現(xiàn)狀洞進口洞臉邊坡穩(wěn)定情況擬定了兩套加固設計方案，方案一錨索結合削坡加固和方案二錨索結合隧洞進口延長，從錨索形式選擇及工程投資等方面開展了對比研究。研究表明，無論從邊坡穩(wěn)定、施工難易程度還是工程投資方面方案一均優(yōu)于方案二，且方案二存在汛期施工沒有導流條件的問題。

為保證牙塘水庫泄洪輸水洞進口洞臉邊坡運行安全，并減輕施工難度，本文認為在科學合理的調度庫水位，并按本文提出的水位驟降規(guī)律運行調度方案一是安全的，因此推薦方案一。