超高土石壩塊石料場(chǎng)邊坡支護(hù)勘察設(shè)計(jì)

楊 國 華，馮 文 新，胡 金 山

(1.河南地礦職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

超高土石壩一般壩高大于200 m[1]，壩體龐大，其對(duì)塊石料需求量大。同時(shí)由于大壩填筑進(jìn)度較快，對(duì)支護(hù)進(jìn)度要求高，很容易因支護(hù)不及時(shí)影響料場(chǎng)出料進(jìn)度，從而影響大壩填筑。本文以深厚覆蓋層上最高壩長河壩水電站為例，詳細(xì)闡述了該電站塊石料場(chǎng)勘察支護(hù)設(shè)計(jì)。

長河壩水電站為大渡河干流水電規(guī)劃“三庫22級(jí)”的第10級(jí)電站，電站總裝機(jī)2 600 MW，總庫容10.75億m3。該電站為2017年12月全部建成。其大壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高240 m，壩基還下伏50～70 m覆蓋層，為深厚覆蓋層上世界上最高壩。

長河壩塊石料場(chǎng)包括兩個(gè)塊石料場(chǎng)，大壩上下游各一個(gè)，分別為響水溝塊石料場(chǎng)和江嘴塊石料場(chǎng)。由于壩體填筑方量超大，達(dá)3 417萬m3，兩料場(chǎng)邊坡均超過300 m，料場(chǎng)邊坡穩(wěn)定問題較一般工程突出[2]。同時(shí)該電站連續(xù)21個(gè)月最高月填筑強(qiáng)度超過100萬m3/月[3]，填筑強(qiáng)度很高，對(duì)邊坡支護(hù)進(jìn)度要求也高。

在前期料場(chǎng)勘察時(shí)查明了料源質(zhì)量及儲(chǔ)量。在招標(biāo)及技術(shù)實(shí)施階段，重點(diǎn)進(jìn)行了料場(chǎng)邊坡勘察，查明了料場(chǎng)邊坡地質(zhì)條件(包括強(qiáng)卸荷松動(dòng)巖體及主要斷層分布情況)，分析了主要變形破壞模式和穩(wěn)定性，提出了料場(chǎng)開挖及支護(hù)的建議。開采坡比根據(jù)地質(zhì)條件而確定，隨著開挖揭示而進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。同時(shí)，根據(jù)不利結(jié)構(gòu)面組合形成的塊體穩(wěn)定性問題進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整開挖及支護(hù)設(shè)計(jì)，在條件許可時(shí)將斷層帶挖除等。提出隨著大壩填筑高程的上升，料源富余系數(shù)越來越高，在料場(chǎng)中下部可將開挖坡比放緩，既保證邊坡穩(wěn)定，又保證大壩填筑順利進(jìn)行，大大節(jié)約了支護(hù)工程量[2]。

2 塊石料場(chǎng)

2.1 響水溝塊石料場(chǎng)

該料場(chǎng)位于壩區(qū)上游右岸響水溝溝口，距壩址3.5 km，地形形態(tài)為一山包，三面臨空，地形坡度一般40°～50°。料場(chǎng)后緣為一寬約60～90 m的埡口(見圖1)，前緣為高度100～200 m基巖陡壁，坡度70°～80°。

圖1 響水溝料場(chǎng)開采前全貌圖

料場(chǎng)絕大部分基巖裸露，出露一套晉寧期—澄江期的侵入巖，以花崗巖(γ2(4))為主，巖質(zhì)致密堅(jiān)硬。料場(chǎng)無區(qū)域性斷裂通過，地質(zhì)構(gòu)造以次級(jí)小斷層、擠壓破碎帶、節(jié)理裂隙(或裂隙密集帶)、巖脈(輝綠巖脈、石英巖脈)為特征。巖體中主要發(fā)育的構(gòu)造裂隙有4組，一組順坡中傾坡外，一組順坡中傾坡內(nèi)，一組與坡面斜交，另一組與坡面正交。巖體中發(fā)育一規(guī)模較大的斷層，F(xiàn)1：N35°W/SW∠65°～70°，順坡陡傾坡內(nèi)，延伸長大，帶寬25～40 cm，主要由碎粉巖、碎粒巖組成，該斷層穿過料場(chǎng)后緣，形成埡口。

料場(chǎng)三面臨空，岸坡陡竣，基巖裸露，地表植被發(fā)育較差，巖體卸荷強(qiáng)烈，強(qiáng)卸荷水平深度多達(dá)46 m以上，料場(chǎng)后緣邊坡強(qiáng)卸荷表部可見松動(dòng)巖帶(見圖2)。響水溝典型剖面見圖3。

圖2 響水溝料場(chǎng)后緣松動(dòng)巖體圖

圖3 響水溝料場(chǎng)典型斷面圖

2.2 江嘴塊石料場(chǎng)

該料場(chǎng)位于壩區(qū)下游左岸磨子溝溝口左側(cè)，距壩址6 km。地形形態(tài)總體上為山包，地形上二面臨空，下游發(fā)育一淺沖溝，地形坡度一般40°～60°，料場(chǎng)后緣坡度30～35°，而后為基巖陡壁(見圖4)。料場(chǎng)大部分基巖裸露，淺表有約0.5 m～1.5 m的根植土層。出露巖體為一套晉寧期—澄江期的侵入巖，以石英閃長巖(δ02(3))為主，巖質(zhì)致密堅(jiān)硬。巖體中主要發(fā)育的構(gòu)造裂隙有4組，兩組順坡中陡傾、陡傾坡外，一組與邊坡斜交，一組與坡面大角度相交傾下游。巖體中發(fā)育三條規(guī)模較大的斷層，其中對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大的為F3斷面，順坡陡傾，N35°E/NW∠65°～70°，帶寬40～60 cm，由碎粉巖及少量碎粒巖組成(見圖5)。

料場(chǎng)多臨空，岸坡陡竣，巖體表部卸荷強(qiáng)烈，強(qiáng)卸荷水平深度多達(dá)35 m以上，巖體淺表部有5～10 m厚的松動(dòng)巖帶，下游沖溝溝壁全為松動(dòng)巖帶。

圖4 江嘴料場(chǎng)全貌及下游沖溝圖

3 邊坡支護(hù)勘察設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)調(diào)整

3.1 兩料場(chǎng)天然條件下邊坡均基本穩(wěn)定

響水溝料場(chǎng)表部巖體變形均較弱，控制性結(jié)構(gòu)面為第①組順坡中陡傾裂隙，但由于其延伸長度有限，未見長大的順坡斷層等其他結(jié)構(gòu)面，料場(chǎng)自然邊坡總體基本穩(wěn)定。江嘴料場(chǎng)由于長大順坡斷層及順坡裂隙傾角大于坡角，順坡裂隙其延伸長度有限，邊坡天然狀態(tài)下未見大的變形破壞，整體基本穩(wěn)定。

圖5 江嘴料場(chǎng)F3斷層圖

3.2 工程邊坡開挖及支護(hù)均采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

3.2.1 開采坡比隨開挖揭示而動(dòng)態(tài)調(diào)整

前已述及，由于超高土石壩塊石需求量大，且開挖進(jìn)度快，邊坡支護(hù)不容易及時(shí)，因此在儲(chǔ)量滿足規(guī)范要求的情況下盡量放緩開采坡比，減少支護(hù)工程量。強(qiáng)卸荷帶及斷層帶內(nèi)開采坡比均緩于1∶0.75，弱卸荷巖體1∶0.5，微風(fēng)化及新鮮巖體1∶0.3。兩側(cè)巖體風(fēng)化卸荷較強(qiáng)烈，相應(yīng)的坡比也緩于中間巖體。

巖體開采坡比也隨結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況而動(dòng)態(tài)調(diào)整。如響水溝料場(chǎng)中下部發(fā)育一順坡小斷層，按原設(shè)計(jì)坡比將要切穿它，施工時(shí)確保儲(chǔ)量充足情況下將坡比放緩(見圖6)，使它不在邊坡出露，確保了邊坡穩(wěn)定。

圖6 響水溝料場(chǎng)中下部順坡小斷層圖

3.2.2 料場(chǎng)開采坡比隨大壩填筑進(jìn)度而動(dòng)態(tài)調(diào)整

眾所周知，為確保料源充足，現(xiàn)行《水電水利工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(DL/T5388-2007)對(duì)料源儲(chǔ)量進(jìn)行了有關(guān)規(guī)定，如它規(guī)定各種天然建筑材料詳查儲(chǔ)量應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)需要量的1.5～2.0 倍，并應(yīng)滿足施工可開采儲(chǔ)量的要求[4]。即規(guī)程規(guī)定了一定富余量。隨著大壩填筑進(jìn)行，料源富余量也一直在動(dòng)態(tài)變化。料場(chǎng)剩余地質(zhì)儲(chǔ)量與大壩剩余設(shè)計(jì)需求量之比值(K)可以下面公式表示，即K=(A-X+B)/(A-X)，式中A為大壩總設(shè)計(jì)需求量，B為富余量，X為大壩填筑量。據(jù)該公式可知，隨著大壩填筑量(X)上升，料場(chǎng)剩余地質(zhì)儲(chǔ)量與大壩剩余設(shè)計(jì)需求量之比值越來越大，即料場(chǎng)富余系數(shù)越來越大，可將料場(chǎng)中下部開挖坡比放緩，減少支護(hù)工程量，甚至可以不支護(hù)。

響水溝料場(chǎng)中下部即1 580～1 670 m高程開挖坡比由原來1∶0.3～1∶0.5調(diào)整為1∶0.75～1.20，取消此高程內(nèi)所有邊坡支護(hù)，原設(shè)計(jì)為普通砂漿錨桿Ф28，L=6 m和Ф32、L=9 m、間排距2×2 m，交替布置、矩形布置；掛網(wǎng)(φ6.5@15×15 cm)、噴護(hù)(C25混凝土、厚度12 cm)支護(hù)，隨機(jī)錨索支護(hù)，噸位T=1 000/2 000 kN，L=40/50 m。共節(jié)約錨桿2 500根，噴混凝土2 100 m3，錨索30束。

江嘴料場(chǎng)中下部即高程1670 ～1715m開挖坡比由原來1∶0.3～1∶0.5調(diào) 整 為1∶0.75～

1.0，取消此高程內(nèi)所有邊坡支護(hù)，原設(shè)計(jì)為垂直于坡面梅花形 交 替 布 置C28，L=6 m及C25，

L=4.5 m普通砂漿錨桿、間排距均為2.0 m；掛網(wǎng)鋼筋采用Ф6.5@15 cm×15 cm；噴C25混凝土，厚度12 cm，隨機(jī)錨索支護(hù)，噸位T=1 000/2 000 kN，L=40/50 m；共節(jié)約錨桿1 560根，噴混凝土1 400 m3，錨索20束。

長河壩水電站兩個(gè)塊石料場(chǎng)中下部均放緩了開挖坡比，既確保了邊坡穩(wěn)定，保障了大壩填筑順利進(jìn)行，又大大節(jié)省了支護(hù)工程量及支護(hù)時(shí)間。此經(jīng)驗(yàn)值得正在施工的超高土石壩借鑒。

3.2.3 清除及繞避強(qiáng)卸荷帶內(nèi)松動(dòng)巖帶

強(qiáng)卸荷松動(dòng)巖帶巖體破碎[5]，工程性狀極差，易產(chǎn)生滑塌等工程地質(zhì)問題，危及料場(chǎng)開采安全及施工進(jìn)度。一般情況下，料場(chǎng)邊坡不可能像工程邊坡那樣采取非常強(qiáng)的支護(hù)措施，只能因地制宜，具體情況具體分析。

如響水溝料場(chǎng)后緣松動(dòng)巖帶，因后緣較高，挖除較困難，采取錨索+框格梁措施代價(jià)太大且施工工期長，本電站基于該料場(chǎng)后緣為一埡口特點(diǎn)，在確保料源儲(chǔ)量滿足規(guī)范要求下，在邊坡頂部設(shè)置一寬40 m的平臺(tái)，前緣設(shè)置擋護(hù)結(jié)構(gòu)，不再對(duì)松動(dòng)巖帶進(jìn)行直接處理(見圖7)。實(shí)施過程中，松動(dòng)巖帶巖體雖不斷垮塌，但均順埡口進(jìn)入沖溝內(nèi)，未進(jìn)入料場(chǎng)開采取區(qū)內(nèi)，確保了施工安全，處理效果良好。

圖7 響水溝料場(chǎng)開口線上松動(dòng)巖帶及開采平臺(tái)

江嘴料場(chǎng)下游沖溝溝壁松動(dòng)巖體采取了避讓方法。在確保料源儲(chǔ)量情況下，調(diào)整開采布置，將下游側(cè)開采方向往上游調(diào)整，形成折線型開挖(見圖8)，從而將該沖溝避開。施工過程中該沖溝雖不斷垮塌，但均順沖溝而下，進(jìn)入不了開采區(qū)域，不影響施工安全。頂部地形較緩，對(duì)強(qiáng)卸荷松動(dòng)巖帶，開挖坡比緩于1∶1以下時(shí)再進(jìn)行挖除處理。

圖8 江嘴料場(chǎng)開采后全貌圖

4 結(jié) 語

事實(shí)證明，隨著大壩填筑量上升，料場(chǎng)富余系數(shù)就越大，因此，可將料場(chǎng)中下部開挖坡比放緩，減少支護(hù)工程量，甚至可以不支護(hù)。針對(duì)工程地質(zhì)性狀極差的強(qiáng)卸荷帶內(nèi)松動(dòng)巖帶，需因地制宜采取清除及繞避辦法。

以上成果實(shí)施以后，確保了施工安全，很大程度上節(jié)約了工程量，同時(shí)又保障了大壩順利填筑，使大壩填筑提前6個(gè)月，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益，可為今后類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

鑒于長河壩工程的成功經(jīng)驗(yàn)，今后可多總結(jié)類似工程經(jīng)驗(yàn)，以期修改現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范中對(duì)料場(chǎng)儲(chǔ)量的規(guī)定，可適當(dāng)降低料場(chǎng)富余度。同時(shí)，針對(duì)有些電站塊石料場(chǎng)開采完全不考慮地質(zhì)條件盲目采用固定坡比這一普遍現(xiàn)象，建議料場(chǎng)開采應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件相適應(yīng)，并盡可能采用穩(wěn)定坡比或較緩開挖坡比，并動(dòng)態(tài)調(diào)整，以減少支護(hù)工程量。