阿爾塔什面板壩600 m級高陡邊坡防護施工技術研究

李 乾 剛， 石 永 剛， 孫 曉 曉

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

阿爾塔什水利樞紐工程水庫正常蓄水位高程為1 820 m，最大壩高164.8 m，總庫容為22.4億m3，屬大(1)型Ⅰ等工程。阿爾塔什水利樞紐壩址處地層巖性較為單一，主要由海相沉積的石炭系灰?guī)r和白云質灰?guī)r組成，強度高。壩址處的葉爾羌河自西向東流，河道較順直，河谷狹窄，兩岸山頂高程為2 050～2 250 m，山體高峻，具備修建高壩大庫的地形條件。壩址兩岸大部分基巖裸露，河谷呈不對稱的“U”型，右岸坡陡峻，坡高為565～610 m，岸坡自然坡度在1 960 m高程以下為50°～55°；以上為75°～80°，局部陡立，自然邊坡整體穩(wěn)定。右岸巖體強風化層的水平深度一般為1～2 m，弱風化層的水平深度為15～20 m，其巖體表層強風化層、不穩(wěn)定巖體及松動巖塊的存在與高陡地形為崩塌落石的發(fā)生提供了條件。

筆者針對以上實際情況進行了地質分析：

(1)邊坡內(nèi)發(fā)育起控制作用的F9斷層。盡管其反傾坡內(nèi)，但F9斷層的核部及其影響帶范圍厚約20～30 m，該范圍內(nèi)的巖體以角礫巖、膠結的糜棱巖和斷層泥為主，具有力學性質差、遇水易軟化的性質。當水庫蓄水至正常蓄水位高程1 820 m時，F(xiàn)9斷層的大部分將位于庫水位以下，在水的物理化學作用下軟化或被侵蝕，進而有可能使邊坡上部的巖體處于懸空而導致失穩(wěn)。

(2)右岸高邊坡因無大規(guī)模的順層結構面，在天然條件下整體穩(wěn)定性較好。施工期由于面板壩趾板的開挖，對邊坡下部形成了切腳，形成了一個高約90 m的人工邊坡。水庫蓄水后由于邊坡內(nèi)部水文地質條件的改變，其穩(wěn)定性必然會受到影響。

(3)邊坡內(nèi)部卸荷裂隙、巖層層面等結構面十分發(fā)育，在邊坡表面形成了大量、體積大小不等的潛在不穩(wěn)定塊體。危巖體處理需進行的開挖施工主要集中在堆石壩面板正上方區(qū)域，一旦發(fā)生滑塌失穩(wěn)破壞，必將對其下部的趾板造成嚴重威脅，進而直接影響到大壩的正常運行。

2 針對落石進行的研究

邊坡中處于穩(wěn)定狀態(tài)的巖體受到外界自然因素的影響，從穩(wěn)定狀態(tài)逐漸發(fā)展變化為不穩(wěn)定狀態(tài)，最后從邊坡上滾落，在其滾落過程中的破碎情況、能量變化、沖擊力和最終停止位置等均為落石運動研究的重要因素。施工過程中，工程技術人員主要關心的是落石滾落后的最終位置，以便依據(jù)落石距離劃定危險區(qū)域，保障邊坡下部大壩填筑過程中的安全。

在邊坡由上而下的開挖過程中，對于落石危害，工程技術人員利用Rocfall數(shù)值模擬分析軟件對落石運動軌跡進行了研究。通過控制以下參數(shù)：落石起始高程、落石所在區(qū)域的剖面、落石質量進行了現(xiàn)場落石統(tǒng)計分析試驗，確定了最大位移距離，最終依據(jù)研究結果劃定危險范圍。

落石位置為現(xiàn)場施工中危巖體的開挖部位，主要為坡頂?shù)腤1～W9位置處。圖1、2中的縱坐標0點處為實際高程1 670 m處，橫坐標0點處為坡角處，落石質量選取50 kg和500 kg進行數(shù)值計算，分析了模擬100個石頭落下時的軌跡，分析結束后統(tǒng)計其最終停落位置，落石運動軌跡見圖1、2。

(落石質量為50 kg)圖1 剖面落石運動數(shù)值計算結果圖

開挖坡頂危巖體時，工程技術人員對各剖面的落石運動進行了分析，得到了落石質量為50 kg和500 kg時的落石運動距離計算結果(表1)。

(落石質量為500 kg)圖2 剖面落石運動數(shù)值計算結果圖

表1 落石起始位置在坡頂時各剖面落石運動距離計算結果表

從表1中的計算結果可以看出，落石運動的最大水平距離達109.7 m，其余都在100 m范圍內(nèi)。在坡頂進行開挖時，工程技術人員依據(jù)各剖面落石最大的運動距離在現(xiàn)場劃定了危險區(qū)域，較好地保證了施工安全。

3 綜合治理方案的研究

3.1 邊坡危巖體開挖

在對阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡實地勘察與測量的基礎上，工程技術人員對測量到的危巖體進行了分區(qū)與方量估算，確定了31個危巖體以及邊坡表面的淺層卸荷體，總處理方量約為70萬m3。由于右岸高邊坡較陡，開挖面狹窄，根據(jù)右岸危巖體分布特點及面板壩右岸高邊坡處理原則，為避免機械、人員在其上部施工時存在整體滑塌風險，采取沿山脊頂部自上而下分區(qū)分層開挖及支護的方式。坡面部位采取光面爆坡施工以增加坡面的平整度及巖體的整體性。同一層面的開挖支護施工按照“先開挖、后主被動網(wǎng)封閉跟進、同步下降”的方式進行。

3.2 主動網(wǎng)封閉

結合邊坡危巖穩(wěn)定分析結果和危巖體群開挖方案，最終確定的落石防治方針為：以主動防護為主，被動防護為輔。主動防護系統(tǒng)采用柔性支護，以鋼絲繩網(wǎng)為主，其具有覆蓋包裹作用，可以控制邊坡上巖石的運動，能夠很好地防止小體積巖塊的掉落。被動防護網(wǎng)的組成有環(huán)形網(wǎng)、固定系統(tǒng)、減壓環(huán)和鋼柱四個部分，組合成一個整體后將形成區(qū)域防護，具有一定的抗沖撞、消減落石能量的能力，其能力大小主要取決于鋼絲繩網(wǎng)的韌性、鋼柱和錨固的強度。

以主動防護為主(高程1 910～2 230 m，從壩軸線上游65 m向上游方向延伸240 m布置)與被動防護相結合(高程1 820～2 000 m，從壩軸線上游40 m向上游方向延伸290 m布置4道被動網(wǎng))。對于坡面上由未查明的小型危巖和由結構面切割形成的隨機塊體采用被動防護措施進行支護。

3.3 邊坡加固處理措施

高陡邊坡的加固對工程起到了至關重要的作用，所采用的主要加固方法包括錨、噴、灌、換、護、排等。

(1)在右岸高邊坡高程約1 860～1 910 m范圍布置了2 000 kN級有粘結預應力錨索，錨索間排距為5 m×5 m，錨索長度為30 m、35 m，間錯布置，下俯15°；在高程約1 960～2 000 m范圍W19(W20)危巖體處設置1 000 kN級預應力錨索，錨索間排距為5 m×5 m，錨索長度為35 m、40 m，間錯布置。

(2)右岸高邊坡高程1 820～2 230 m范圍內(nèi)掛網(wǎng)錨噴。砂漿錨桿長4.5 m、錨固長度為4.4 m，間排距3 m，錨桿拉拔力為100 kN；掛網(wǎng)鋼筋間排距為0.2 m；噴C30混凝土，厚度為0.1 m。

(3)右岸高邊坡高程2 000～2 230 m范圍內(nèi)設置間排距為6 m、長度為10 m的預應力錨桿，張拉力為150 kN。

(4)在邊坡噴護范圍內(nèi)設置排水孔，孔徑42 mm，間排距4 m，孔深3 m，仰角15°，與錨索及錨桿錯開，梅花型布置。

3.4 F9斷層和卸荷裂隙的綜合治理

對F9斷層影響帶一定范圍內(nèi)的碎裂巖體進行了灌漿處理并對斷層核部混凝土洞塞進行置換。對斷層進行置換之前，對破碎帶范圍內(nèi)進行了灌漿處理以提高斷層影響帶內(nèi)巖體的整體性與變形模量。由于F9斷層核部較寬且為糜棱巖，極易風化，因此，對壩軸線上游至趾板處出露的F9斷層在出露面采用C25混凝土塞封閉。影響帶核部置換情況見圖3。

4 分梯段防護施工措施

圖3 F9斷層灌漿處理、核部置換示意圖

(1)施工道路的布置。

為滿足高邊坡處理的施工條件，施工人員的交通主要利用布置在右岸下游側的安全檢查通道以及邊坡上隨施工進展搭設的平行通道。水平棧橋通道寬度按照2 m進行設計，通過設置水平和斜向插筋與12#槽鋼結構焊接，斜向槽鋼為利于受力，其外露部分與主要受力槽鋼焊接，焊縫長度、寬度等指標需滿足相關規(guī)范要求，以確保結構的穩(wěn)定性。棧道外側設置防護欄桿，高度不得低于1.2 m，欄桿等間距刷紅白相間的油漆并掛設安全網(wǎng)對欄桿進行封閉。

(2)簡易索道的設置。

防護材料采用簡易索道運輸，索道錨點設置在邊坡上，通過對索道覆蓋范圍、卷揚機工作效率和索道群經(jīng)濟合理性進行計算，確定了“下錨點固定、上錨點可動”的布置原則，采用單下錨點多上錨點的布置形式設置主、副索道并增加了安全防護措施，施工人員使用雙安全繩加安全防墜器的雙保險裝置。施工過程中，鉆機、工具、鉆桿等機具采用安全繩單獨進行固定，防止出現(xiàn)物體墜落打擊。

(3)施工排架的設計。

為有效解決右岸邊坡高陡開挖之后無馬道、后期支護過程中施工難度大等問題，有針對性的開挖腳手架搭設平臺，平臺高差不超過50 m并進行加固處理，以保證所搭設的腳手架下部基礎穩(wěn)定，然后再以平臺為基礎，搭設一定高度后再在邊坡巖體上鉆設錨桿，由支撐錨桿和落地桿承受荷載。排架立桿步距采用1.6 m，立桿橫向間距為1.5 m，立桿縱向間距為1.5 m；采用φ48.3×3.6 mm的鋼管搭設，結構為三排，最內(nèi)側的立桿距巖面0.3～0.5 m，當其距離超過時增設立桿，其橫向搭建寬度不小于3 m，縱向的長度依據(jù)支護范圍確定。

(4)安全監(jiān)測設施。

對高邊坡各區(qū)支護制定了相應的安全監(jiān)測措施，減少了施工區(qū)域及區(qū)域下方大壩填筑施工存在上下交叉作業(yè)、相互干擾的情況，安設了一臺自動報警測風儀和一套防雷裝置，安裝了300萬像素(50倍變焦)高清網(wǎng)絡球機對右岸高邊坡施工進行24 h監(jiān)控，以保障施工安全。

5 結 語

阿爾塔什面板壩右岸高陡邊坡地質條件復雜、治理區(qū)域較分散、巖體較為破碎、斷層分布且節(jié)理裂隙發(fā)育，容易引發(fā)各種工程安全問題。該工程通過科學分析，確定了高邊坡施工處理原則和總體方案并采取了與之相適應的邊坡防護處理技術，進行了有效的施工，保障了高陡邊坡施工處理工期，進而保證了主體工程施工進度，減少了高邊坡施工對下部大壩填筑、面板澆筑過程中的危害，有效地解決了邊坡處理過程中坡下施工的安全問題。