阿爾塔什面板壩600 m級高陡邊坡防護施工技術(shù)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(zhì)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(zhì)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(jié)的糜棱巖和斷層泥為主，具有力學性質(zhì)差、遇水易軟化的性質(zhì)。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(dǎo)致失穩(wěn)。

(2)右岸高邊坡因無大規(guī)模的順層結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(shù)人員主要關(guān)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(shù)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(zhì)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(jié)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(zhì)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(jié)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(zhì)量為50 kg)圖1 剖面落石運動數(shù)值計算結(jié)果圖

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

(落石質(zhì)量為500 kg)圖2 剖面落石運動數(shù)值計算結(jié)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(jié)果表

從表1中的計算結(jié)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(shù)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(chǔ)上，工程技術(shù)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(jié)合邊坡危巖穩(wěn)定分析結(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)預(yù)應(yīng)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(shè)置1 000 kN級預(yù)應(yīng)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(shè)置間排距為6 m、長度為10 m的預(yù)應(yīng)力錨桿，張拉力為150 kN。

(4)在邊坡噴護范圍內(nèi)設(shè)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(cè)的安全檢查通道以及邊坡上隨施工進展搭設(shè)的平行通道。水平棧橋通道寬度按照2 m進行設(shè)計，通過設(shè)置水平和斜向插筋與12#槽鋼結(jié)構(gòu)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(guān)規(guī)范要求，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。棧道外側(cè)設(shè)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(shè)安全網(wǎng)對欄桿進行封閉。

(2)簡易索道的設(shè)置。

防護材料采用簡易索道運輸，索道錨點設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)平臺，平臺高差不超過50 m并進行加固處理，以保證所搭設(shè)的腳手架下部基礎(chǔ)穩(wěn)定，然后再以平臺為基礎(chǔ)，搭設(shè)一定高度后再在邊坡巖體上鉆設(shè)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(shè)，結(jié)構(gòu)為三排，最內(nèi)側(cè)的立桿距巖面0.3～0.5 m，當其距離超過時增設(shè)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(shè)施。

對高邊坡各區(qū)支護制定了相應(yīng)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(shè)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(luò)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(jié) 語

阿爾塔什面板壩右岸高陡邊坡地質(zhì)條件復(fù)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(yīng)的邊坡防護處理技術(shù)，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。