CCS水電站尾水渠邊坡穩(wěn)定及支護(hù)方案研究

梁成彥，鄒紅英，李 江

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州450003）

1 工程概況

CCS水電站位于南美洲厄瓜多爾東北部，是該國目前最大的水電工程，旨在解決其用電緊張困境，因此廣受關(guān)注。CCS水電站發(fā)電廠房位于Coca河沿岸熱帶雨林的山體內(nèi)，總裝機(jī)容量1 500 MW，配置8臺沖擊式水輪機(jī)組。電站尾水渠位于廠房下游Coca河轉(zhuǎn)彎處東南角，高程600～630 m，覆蓋層深厚，最大深度為45 m，植被發(fā)育，地形起伏較大，受地形地質(zhì)條件及道路影響，廠房尾水渠形成了高烈度深覆蓋層條件下的高邊坡，其穩(wěn)定問題亟待解決。

2 設(shè)計難點

CCS水電站所在的南美洲厄瓜多爾境內(nèi)屬于高烈度地震區(qū)域，地震烈度為Ⅷ度。為了滿足電站運行的水頭要求，尾水渠高程距離地表約50 m，且覆蓋層深厚，地質(zhì)條件非常差，結(jié)合該工程的重要性、特殊性，尾水渠邊坡設(shè)計出現(xiàn)了以下幾個重大難題。

（1）地震烈度高，工程區(qū)域?qū)佗鹊卣饚В逯导铀俣葹?.3g。

（2）尾水渠邊坡高度大于50 m，上部覆蓋層深厚（厚30～45 m），下部為破碎巖體，對于此類高烈度深覆蓋層條件下的邊坡設(shè)計來說，用于計算的地質(zhì)參數(shù)取值尤其重要，直接影響工程安全、投資和施工進(jìn)度，對于散粒體的現(xiàn)場土工試驗結(jié)果精度很有限，很難反映實際的地質(zhì)條件，哪怕微弱的參數(shù)差異對支護(hù)工程量和邊坡安全系數(shù)的影響也是非常大的，因此如何得到符合實際情況的覆蓋層地質(zhì)參數(shù)真值是邊坡穩(wěn)定分析的關(guān)鍵。

（3）尾水渠樁號C0+000.00—C0+042.00段左岸邊坡總高度為52 m，尾水渠距離進(jìn)出廠房的唯一交通要道非常近，直接導(dǎo)致尾水渠開挖范圍受限。常規(guī)來講，強(qiáng)風(fēng)化巖石邊坡開挖邊坡為1∶0.50～1∶0.75，覆蓋層開挖坡比至少1∶1.3才能夠穩(wěn)定；但是為了保證道路通暢和廠房施工順利進(jìn)行，不得不將開挖邊坡設(shè)定為較陡的坡度，下部強(qiáng)風(fēng)化巖石邊坡高22 m，直立開挖；上部覆蓋層邊坡高30 m，坡比為1∶0.3～1∶0.5，顯然形成了惡劣地質(zhì)條件下的高陡邊坡穩(wěn)定問題，此處的邊坡穩(wěn)定直接影響到坡頂進(jìn)廠道路的安全。

（4）尾水渠樁號C0+042.00—C0+160.00。進(jìn)廠道路距離邊坡頂部較遠(yuǎn)，使得邊坡坡度可以放緩，坡比基本在1∶1.0～1∶1.5，但是該部位的覆蓋層厚度比樁號C0+000.00—C0+042.00的更大，為30～45 m，在Ⅷ度地震的作用下，必須采取支護(hù)措施才能穩(wěn)定。如果大面積采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，則大深度的覆蓋層鉆孔難度大、耗時長，成本非常高，最重要的是工期無法保證，因此需要找到更加合適的支護(hù)策略。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 多參數(shù)真值反演分析

尾水渠邊坡上部為覆蓋層，下部為強(qiáng)風(fēng)化巖體，覆蓋層又分為兩層，上層為邊坡崩積物，下層為砂礫石，針對散粒體，現(xiàn)場土工試驗通過標(biāo)準(zhǔn)貫入值提出了覆蓋層兩種介質(zhì)的抗剪強(qiáng)度。為了驗證參數(shù)的可靠性，一方面采用該參數(shù)進(jìn)行原始邊坡的穩(wěn)定分析，發(fā)現(xiàn)邊坡安全系數(shù)小于1，邊坡不穩(wěn)，與現(xiàn)場實際情況不符，證明該套參數(shù)不能真實反映地質(zhì)條件，另一方面現(xiàn)場取樣進(jìn)行試驗無法達(dá)到原位試驗的效果。綜合以上土工試驗針對散粒體抗剪強(qiáng)度的弊端，決定采用多參數(shù)真值反演分析的方法［1］來確定地質(zhì)參數(shù)，反演分析的前提是盡可能找到臨界穩(wěn)定的邊坡狀態(tài)。因此，首先對尾水渠按照較陡的坡度進(jìn)行了初步開挖，然后在無任何支護(hù)的情況下，讓其自然滑塌成穩(wěn)定邊坡。經(jīng)歷了長達(dá)半年之久的南美洲雨季連續(xù)強(qiáng)降雨侵襲之后，邊坡局部存在侵蝕滑塌現(xiàn)象，但整體穩(wěn)定，基本確定此時的邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)（安全系數(shù)為1）。通過測量邊坡開挖線得到實際的整體綜合坡度為30°（見圖1），作為覆蓋層介質(zhì)的內(nèi)摩擦角，覆蓋層分為兩種介質(zhì)，從上到下分別是崩積物和砂礫石，接下來參數(shù)反演分析的任務(wù)就是得到這兩種覆蓋層介質(zhì)的黏結(jié)強(qiáng)度真值，進(jìn)而用于邊坡穩(wěn)定分析（見表1）。

圖1 邊坡地形剖面

表1 參數(shù)真值反演分析結(jié)果

結(jié)合反演分析結(jié)果（見圖2、圖3）可看出：崩積物的黏結(jié)強(qiáng)度范圍大比例集中在18.0～20.0 kPa，崩積物的黏結(jié)強(qiáng)度最終取19.0 kPa；砂礫石的黏結(jié)強(qiáng)度范圍大比例集中在28.0～29.6 kPa，砂礫石的黏結(jié)強(qiáng)度最終取28.8 kPa。

圖2 崩積物黏結(jié)強(qiáng)度范圍正態(tài)分布

圖3 砂礫石黏結(jié)強(qiáng)度范圍正態(tài)分布

3.2 穩(wěn)定分析

邊坡穩(wěn)定分析針對尾水渠樁號C0+000.00—C0+042.00和C0+042.00—C0+160.00分別取一個典型剖面進(jìn)行計算。尾水渠計算剖面見圖4～圖5，邊坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)計算結(jié)果見表2。

表2 邊坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)

圖4 剖面1（C0+000.00—C0+042.00）

圖5 剖面2（C0+042.00—C0+160.00）

3.3 支護(hù)措施與監(jiān)測數(shù)據(jù)

CCS電站尾水渠邊坡因多種客觀原因而非常少見地集多種難點和復(fù)雜條件于一身，為了解決這些問題，提出了地連墻、預(yù)應(yīng)力錨索、冠梁約束型抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨桿、砂漿錨桿等多種措施聯(lián)合支護(hù)的設(shè)計理念。

尾水渠樁號C0+000.00—C0+042.00段的左岸邊坡上部30 m為崩積物和砂礫石組成的覆蓋層，下部為巖石。下部巖石邊坡采取地連墻+預(yù)應(yīng)力錨索+預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)方式，既保證邊坡穩(wěn)定，又充當(dāng)尾水渠的過流邊墻，一墻兩用，墻厚1.5 m，嵌固深度為2.00～3.90 m，墻體預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)為1 000 kN@3.25 m×3.25 m，入巖深度為10 m。上部覆蓋層邊坡支護(hù)以預(yù)應(yīng)力錨索為主［2］、砂漿錨桿為輔，但是預(yù)應(yīng)力錨索噸位的選擇成了主要問題，噸位過小，預(yù)應(yīng)力錨索數(shù)量會很多，造成浪費，影響工期；噸位過大，可能造成覆蓋層變形過大，預(yù)應(yīng)力損失，預(yù)應(yīng)力錨索起不到應(yīng)有的作用。因此，最終決定采用500 kN@3.00 m×3.00 m預(yù)應(yīng)力錨索，入巖深度為10 m［3］，對邊坡的腰部進(jìn)行局部支護(hù)（見圖6），同時增設(shè)多點位移計和預(yù)應(yīng)力錨索測力計，以監(jiān)測邊坡施工安全，并且獲得反饋資料。

500 kN預(yù)應(yīng)力錨索從2014年2月開始施工，同年11月施工完畢，在此期間，根據(jù)多點位移計數(shù)據(jù)（見圖7）可知，邊坡在2014年1月開始表層變形明顯增大，直到3月份變形還在持續(xù)增大，隨著預(yù)應(yīng)力錨索的施工，變形趨于收斂在20 mm左右，此后無明顯變化。根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索測力計監(jiān)測數(shù)據(jù)（見圖8）可知，500 kN預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)應(yīng)力由500 kN逐步減小到約450 kN，并長期穩(wěn)定，可以判斷邊坡在500 kN預(yù)應(yīng)力錨索的作用下已達(dá)到基本穩(wěn)定。下一步為了滿足邊坡安全系數(shù)的要求，并且加快工程施工進(jìn)度和節(jié)省工程投資，決定將預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)加大到1 000 kN@3.00 m×3.00 m，入巖深度為10 m，預(yù)應(yīng)力錨索平均長度為45 m。通過后期的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，該段邊坡BX1-56、BX1-57多點位移計數(shù)據(jù)長期收斂無異常，500 kN和1 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索測力計監(jiān)測數(shù)據(jù)也長期收斂無異常，即便是2016年4月在厄瓜多爾發(fā)生7.8級地震期間，邊坡變形也無異常，表明邊坡支護(hù)策略有效，邊坡是安全穩(wěn)定的。

圖6 剖面1的開挖支護(hù)施工面貌

圖7 剖面1多點位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

圖8 剖面1預(yù)應(yīng)力錨索測力計監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

尾水渠樁號C0+042.00—C0+160.00段全部采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的話，數(shù)量多，單根長度大，總長度預(yù)計為9 000 m左右，且大深度覆蓋層鉆孔難度大、耗時長，總體成本非常高。因此，考慮到覆蓋層深度大、坡度較緩的特點，經(jīng)過方案比選和論證，最終采取以冠梁約束型抗滑樁為主［4］，預(yù)應(yīng)力錨索、砂漿錨桿為輔的聯(lián)合支護(hù)方式（見圖9）?？够瑯对O(shè)置在邊坡中部高程617 m的馬道上，固定從馬道以下滑出的滑弧，從馬道以上滑出的滑弧采用砂漿錨桿Φ28@2.00 m×2.00 m，長度為12 m。抗滑樁間距采用6 m，共16根，截面為2.00 m×3.00 m和2.20 m×3.00 m，總長度為14～22 m（見圖10）。根據(jù)邊坡穩(wěn)定計算的最大滑弧深度確定抗滑樁的錨固長度，錨固長度為伸入滑弧以下的部分，長度為總樁長的1/3～1/4［5］。另外，由于該部位基巖面高程變幅大，且考慮到投資、工期和施工安全，因此決定因地制宜地優(yōu)化抗滑樁的長度，根據(jù)每根抗滑樁開挖過程揭露的具體地質(zhì)條件，分別核算每根抗滑樁的長度，既保證邊坡穩(wěn)定，又確?？够瑯堕L度最經(jīng)濟(jì)。對于個別地下水特別豐富的惡劣情況，無法將抗滑樁施工到設(shè)計深度，因此考慮增設(shè)部分預(yù)應(yīng)力錨索補充抗滑樁的支護(hù)力。

圖9 剖面2開挖支護(hù)設(shè)計（單位：m）

圖10 剖面2開挖支護(hù)施工面貌

從邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出：BX1-60號多點位移計在2015年1—3月監(jiān)測到大幅度的變形，為6 m深度范圍內(nèi)的淺層位移，經(jīng)過現(xiàn)場短時間的停工和判斷，確定主要原因是多點位移計附近進(jìn)行了高負(fù)荷錨桿鉆孔和灌漿施工（見圖11）；其他部位的位移計和預(yù)應(yīng)力錨索測力計均無明顯變化，進(jìn)一步確定，其僅對局部錨桿施工帶來影響，現(xiàn)場采取降低錨桿施工強(qiáng)度措施后解決了該問題。另外，對抗滑樁內(nèi)主受力鋼筋設(shè)置鋼筋計以測量鋼筋的受力狀態(tài)，從2015年5月開始收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，鋼筋拉力經(jīng)過4個月直到2015年9月基本收斂，拉力范圍為6～22 kN，均小于鋼筋的抗拉強(qiáng)度，因此抗滑樁受力完全在設(shè)計允許范圍內(nèi)。2016年4月在厄瓜多爾發(fā)生7.8級地震期間，邊坡變形無異常，表明抗滑樁和錨桿的邊坡支護(hù)策略是有效的，邊坡是安全穩(wěn)定的。

圖11 多點位移計監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié) 論

對CCS水電站尾水渠邊坡穩(wěn)定及支護(hù)方案關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，得出以下主要結(jié)論：

（1）采用現(xiàn)場局部施工先行，取得邊坡臨界狀態(tài)后，經(jīng)過多參數(shù)真值反演分析得到符合實際的地質(zhì)參數(shù)，彌補了散粒體土工試驗精度有限的不足，為邊坡穩(wěn)定分析提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）在樁號C0+000.00—C0+042.00段，受道路限制，覆蓋層邊坡不得已采取1∶0.3～1∶0.5的坡比，強(qiáng)風(fēng)化直立開挖，該段邊坡采取地連墻，預(yù)應(yīng)力錨索、預(yù)應(yīng)力錨桿和砂漿錨桿聯(lián)合支護(hù)方案，上部覆蓋層預(yù)應(yīng)力錨索通過前期噸位控制和監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋確定最終預(yù)應(yīng)力錨索噸位。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示邊坡位移和預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力均在短時間內(nèi)收斂，認(rèn)證了邊坡整體設(shè)計理念及支護(hù)方案的合理性，保證了道路通暢，避免了另設(shè)進(jìn)廠道路對廠房施工工期的重大延誤。

（3）在樁號 C0+042.00—C0+160.00段覆蓋層深厚，預(yù)應(yīng)力錨索施工難度大、耗時長、成本高，經(jīng)方案論證，最終采用以抗滑樁為主，預(yù)應(yīng)力錨索、砂漿錨桿為輔的聯(lián)合支護(hù)方案。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，邊坡位移收斂，抗滑樁受力在設(shè)計允許范圍內(nèi)，且短時間內(nèi)收斂，證明了邊坡整體設(shè)計理念及支護(hù)方案的合理性，保證了道路通暢，避免了另設(shè)進(jìn)廠道路對廠房施工工期的重大延誤。

（4）CCS電站廠房尾水渠邊坡開挖支護(hù)設(shè)計于2014年6月被批準(zhǔn)實施，2015年7月基本完成施工。CCS電站尾水渠邊坡因多種客觀原因而非常少見地集多種難點和復(fù)雜條件于一身，是疑難邊坡設(shè)計的典型案例，對國內(nèi)外類似工程設(shè)計和研究具有極大的參考意義。