象鼻嶺水電站BT2堆積體治理設(shè)計(jì)

張海超,陳毅峰,劉 杰

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴陽 550002)

1 工程概況

象鼻嶺水電站樞紐建筑物由碾壓混凝土拱壩、右岸引水系統(tǒng)和地下廠房等組成。BT2堆積體位于象鼻嶺水電站壩址右岸上游，其下游側(cè)距進(jìn)水口開挖邊坡約50 m，堆積體分布高程1 410.00～1 520.00 m，順河向最大寬度約250 m，面積約3.8×104m2，厚18～48 m，體積約115×104m3，其后緣為玄武巖陡壁。堆積體天然狀態(tài)整體穩(wěn)定，213國道改線段通過堆積體前緣，挖除了堆積體部分坡腳。2011年10月上旬，BT2堆積體產(chǎn)生變形，后緣拉裂、前緣剪出現(xiàn)象，不及時治理將影響施工期安全及運(yùn)行發(fā)電進(jìn)水口建筑物的安全。后經(jīng)多方案研究比選，及時采取“上部減載挖除、中部坡面削坡+底部坡腳支擋+構(gòu)筑排水系統(tǒng)”綜合治理措施，邊坡未進(jìn)一步破壞。至今，治理后邊坡經(jīng)歷了多次暴雨、水庫蓄水和1次6.5級地震，通過巡視檢查和監(jiān)測表明堆積體治理后，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 BT2堆積體地質(zhì)條件

BT2堆積體整體厚度為18～48 m，牛欄江四級階地后緣山體在長期地質(zhì)應(yīng)力作用下產(chǎn)生風(fēng)化、蝕變，在重力作用下逐步卸荷、松弛，最后產(chǎn)生崩塌而形成。其主要由底部的原始?xì)埰路e層、中部崩塌堆積層及頂部殘坡積層組成。殘坡積層主要分布于堆積體頂部，主要為黏土夾碎石，厚2.5～6.3 m，碎石含量約占20%；崩坡積層分布于堆積體表層，主要為黏土夾碎、塊石，厚2.3～16.6 m，黏土含量約占60%，偶見塊石隨機(jī)分布，結(jié)構(gòu)松散；崩塌堆積層分布于堆積體中、下部，主要為塊、碎石，厚6.8～30.5 m，結(jié)構(gòu)松散，未見架空現(xiàn)象，中間局部見一層或多層碎石夾黏土層。堆積體為單向斜坡地形，其上下游側(cè)均有沖溝[1-2]。

根據(jù)堆積體物質(zhì)組成情況，分3種類型布置現(xiàn)場直剪試驗(yàn)：① 黏土為主的;② 碎石為主的;③ 黏土和碎石比例相當(dāng)?shù)模恳环N類型按天然狀態(tài)、飽和狀態(tài)各做一組，共6組。BT2堆積體物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

表1 BT2堆積體物理力學(xué)參數(shù)建議值表

3 BT2堆積體滑動模式分析

堆積體破壞模式主要為2種：① 堆積體與基巖接觸帶參數(shù)較低，堆積體沿接觸帶滑動失穩(wěn)；② 沿堆積體內(nèi)部圓弧滑動。

從堆積體參數(shù)來看，經(jīng)初步計(jì)算BT2崩塌堆積體內(nèi)部圓弧滑動安全系數(shù)相對較高，基本滿足規(guī)范要求，且達(dá)到最小安全控制標(biāo)準(zhǔn)的剩余下滑力較小，不是控制模式。堆積體與基巖接觸帶存在泥化情況，參數(shù)較低，堆積體沿接觸帶滑動失穩(wěn)的可能性較大，安全系數(shù)較低，達(dá)到最小安全控制標(biāo)準(zhǔn)的剩余下滑力較大，是BT2邊坡穩(wěn)定分析的重點(diǎn)。

4 BT2崩塌堆積體穩(wěn)定分析

(1) 邊坡等級

由于復(fù)建213國道通過BT2堆積體前緣， BT2堆積體既屬于公路邊坡，又屬于水庫邊坡。綜合公路路塹邊坡與水電水利工程邊坡的情況，BT2崩塌堆積體邊坡按水電水利工程邊坡B類Ⅱ級邊坡進(jìn)行邊坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)，穩(wěn)定設(shè)計(jì)安全系數(shù)取持久工況為1.15，短暫工況為1.10，偶然工況為1.05。

(2) 計(jì)算方法及工況

采用陳祖煜[3]的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序STAB2005對BT2崩塌堆積體進(jìn)行分析計(jì)算。由于風(fēng)化巖體碎裂，采用土質(zhì)邊坡穩(wěn)定計(jì)算，采用Spencer法。

DL/T 5353-2006《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，B類水庫邊坡，邊坡位于庫水位上部，庫水對其影響較小，地震設(shè)計(jì)烈度為Ⅶ度，考慮地震作用，根據(jù)運(yùn)行期及施工期可能出現(xiàn)的情況，庫岸邊坡計(jì)算工況為蓄水后持久工況、短暫工況(暴雨或久雨)、偶然工況(地震)。

(3) 計(jì)算剖面

BT2崩塌堆積體從上游至下游的1-1′～5-5′共5個剖面進(jìn)行計(jì)算。

(4) 213公路復(fù)建后BT2崩塌堆積體穩(wěn)定計(jì)算成果詳見表2。

據(jù)表2計(jì)算成果可知，2-2′～4-4′剖面各工況下安全系數(shù)均小于1， 1-1′和5-5′剖面安全系數(shù)大于1。BT2堆積體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，計(jì)算與實(shí)際狀態(tài)一致。

5 治理方案設(shè)計(jì)

5.1 方案選擇研究

根據(jù)堆積體破壞模式及穩(wěn)定分析成果，研究采取了2種治理方案。

方案1：上部減載挖除、中部坡面削坡(挖除局部陡區(qū)域，防止局部失穩(wěn))+下部坡腳抗滑樁錨索支擋+排水系統(tǒng)。

方案2：中、上部只進(jìn)行少量削坡，防止局部失穩(wěn)，而在中、下部坡腳采用大斷面抗滑樁支擋+排水系統(tǒng)。

表2 213公路復(fù)建后BT2崩塌堆積體沿接觸帶穩(wěn)定計(jì)算成果表

方案1，上部削坡減載后，安全穩(wěn)定提高效果明顯，安全系數(shù)從0.815～1.130(1～4剖面)提高到了1.067～1.280，基本滿足控制設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，僅3-3′剖面持久工況不滿足要求?？紤]繼續(xù)全面減載開挖工程量太大，局部減載多個開挖面，顯然既不經(jīng)濟(jì)亦不美觀，所以下部3-3′控制范圍內(nèi)布設(shè)小斷面抗滑樁?？够瑯稙橹睆? m的圓截面樁，樁平均長為22 m，共10根，頂部設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索。綜合措施實(shí)現(xiàn)了邊坡安全系數(shù)完全滿足規(guī)范要求。

方案2，根據(jù)堆積體滑動特點(diǎn)，分別在中部偏下和下部坡腳各布設(shè)1排抗滑樁。上排抗滑樁斷面為5 m×7 m，平均深度34 m，共需要12根；下排抗滑樁斷面為3 m×5 m，平均深度22 m，共需要20根。方案2工程量大，投資大，且需要在邊坡處于失穩(wěn)過程中、尚未實(shí)現(xiàn)新的平衡情況下進(jìn)行施工，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

經(jīng)綜合比較采用方案一作為BT2推薦治理方案，詳見圖1～2。

圖1 BT2治理方案平面布置圖

圖2 BT2治理方案典型剖面布置圖

5.2 推薦方案詳細(xì)設(shè)計(jì)

(1)上部減載挖除、中部削坡治理設(shè)計(jì)

高程1 470.00 m以上全部挖除減載； 1 470.00～1 405.00 m按1∶2坡比削坡減載，在1 430.00 m和1 440.00 m分別設(shè)置馬道，且1 440.00～1 470.00 m之間原布設(shè)1條施工道路，馬道寬約2～3 m，施工道路寬5 m，減載后穩(wěn)定計(jì)算成果詳見表2。

(2)下部坡腳支擋

在堆積體3-3′剖面約50 m范圍內(nèi)213國道路肩內(nèi)側(cè)設(shè)置1排錨拉抗滑樁，平均樁長為22 m、直徑2 m的圓截面樁，樁間距5 m，樁身嵌入基巖約為1/3樁長。在距樁頂1 m的位置設(shè)置1根2 000 kN級錨索，錨索伸入基巖，入射角20°，錨索平均長度40 m，錨索預(yù)加應(yīng)力為1 000 kN。坡腳支擋處理后穩(wěn)定計(jì)算成果詳見表2。

(3) 坡面防護(hù)設(shè)計(jì)

削坡減載后出露基巖面采用錨噴、掛網(wǎng)、排水孔和隨機(jī)錨桿措施。基巖面采用直徑28 mm、L=9 m的錨桿與直徑25 mm、L=4.5 m的錨桿間隔布置，間距4 m×4 m；設(shè)置排水孔，排水孔間距3 m×3 m，排水孔長度L=5 m,水平仰角10°，梅花形布置。噴C20混凝土厚度10 cm，掛網(wǎng)鋼筋直徑6.5 mm，間距0.2 m×0.2 m。削坡減載后覆蓋層邊坡坡面采用草皮護(hù)坡，并且設(shè)置排水孔，排水孔間距3 m×3 m，排水孔長度L=5 m，水平仰角10°，梅花形布置。

(4) 排水系統(tǒng)

堆積體邊坡開口線周邊布設(shè)截水溝、馬道內(nèi)側(cè)布置截排水溝，與坡面的排水孔組成邊坡綜合排水系統(tǒng)。

6 安全監(jiān)測設(shè)計(jì)及監(jiān)測成果分析

在BT2堆積體設(shè)置2個主監(jiān)測斷面，代表性主監(jiān)測斷面詳見圖3。每個監(jiān)測斷面布置2套4點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)，3個表面觀測墩和2個測斜孔；設(shè)置2個輔助監(jiān)測斷面，各布置3個表面觀測墩。BT2主要監(jiān)測成果詳見表3，表3監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，BT2堆積體總體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

BT2堆積體邊坡治理后經(jīng)歷了2014—2017年共4 a多次暴雨；2014年8月昭通市魯?shù)榭h6.5級地震，距離工程大約20 km，在工程區(qū)域范圍影響烈度6度；2017年6月水庫蓄水，2018年水位接近堆積體坡腳。經(jīng)多次現(xiàn)場巡視檢查未發(fā)現(xiàn)開裂、變形情況，多點(diǎn)位移計(jì)、測斜孔、鋼筋計(jì)、錨索測力計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)均平穩(wěn)，說明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 BT2主監(jiān)測斷面圖

監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測時段累計(jì)數(shù)據(jù)范圍評價錨桿測力計(jì)蓄水前(2013.06～2017.03)-12.82～13.40 MPa蓄水后(2017.04～2017.11)-12.82～11.23 MPa累計(jì)應(yīng)力整體不大,變化過程相對較平穩(wěn),暫無異常變化情況,蓄水前后累計(jì)應(yīng)力變化不大,蓄水影響較小。多點(diǎn)位移計(jì)蓄水前(2014.07～2017.03)-0.43～2.03 mm蓄水后(2017.04～2017.11)-0.87～3.92 mm累計(jì)位移整體較小,變化過程較平穩(wěn),暫無異常變化情況,蓄水前后累計(jì)位移變化不大,蓄水影響較小。鋼筋計(jì)蓄水前(2014.11～2017.03)-39.8～-9.46 MPa蓄水后(2017.04～2017.11)-46.26～-4.69 MPa累計(jì)應(yīng)力整體不大,變化過程相對較為平穩(wěn),暫無異常變化情況,蓄水前后累計(jì)應(yīng)力變化較小,蓄水影響較小。錨索測力計(jì)蓄水前(2015.08～2017.03)33.5～68.39 kN蓄水后(2017.04～2017.11)32.17～70.16 kN荷載累計(jì)損失量整體較小,變化過程較為平穩(wěn),體現(xiàn)該部較為穩(wěn)定,暫無異常,蓄水前后累計(jì)應(yīng)力變化不大,蓄水影響較小。測斜孔蓄水后(2017.05～2017.11)0.14～46.91mm累計(jì)位移整體不大,堆積體整體呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

7 結(jié) 語

BT2堆積體形成機(jī)理是上部巖石逐步卸荷、松弛，最后產(chǎn)生崩塌，堆積于階地斜坡上，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。由于“切腳”開挖，邊坡穩(wěn)定失穩(wěn)，發(fā)生變形、開裂但未發(fā)生大范圍滑動。經(jīng)及時采取“上部減載挖除、中部坡面削坡+底部坡腳支擋+構(gòu)筑排水系統(tǒng)”綜合治理措施，安全系數(shù)得到明顯提高，滿足設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)。堆積體邊坡治理后經(jīng)歷了暴雨、地震及蓄水影響，通過巡視檢查與監(jiān)測表明，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。采取的治理方案有較好的安全提升效益、費(fèi)用效益和快速消除安全隱患效益，有一定借鑒意義。