洛寧抽水蓄能電站排沙洞出口巖質(zhì)邊坡安全控制研究

張興彬，潘福營，張 鈿，杜 藏，劉旭陽，覃衛(wèi)民

（1.河南洛寧抽水蓄能有限公司，河南省洛陽市 471700；2. 國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100161；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北省武漢市 430071）

0 引言

洛寧抽水蓄能電站位于河南省洛陽市洛寧縣城東南的澗口鄉(xiāng)境內(nèi)，電站裝機容量1400MW，電站樞紐包括上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房四大建筑物。

泄洪排沙洞位于下水庫右岸區(qū)域，地表高程470～780m，地形自然坡度一般為10°～60°。地表巖體大部分呈全～強風(fēng)化，全至強風(fēng)化巖體厚度約10m，沿線地質(zhì)構(gòu)造較簡單，有1條斷層F41出露，其與洞室軸線夾角約19°，節(jié)理裂隙以NE向為主。

洞線穿越巖體為斑狀花崗巖，出口洞段圍巖呈中等風(fēng)化，巖體完整性較差，以Ⅲ類巖體為主，局部有Ⅳ類圍巖（見圖1）。其余部位洞室圍巖為微新花崗巖，巖體較完整，以Ⅱ類圍巖為主，節(jié)理裂隙密集帶和斷層影響帶一般為Ⅳ類圍巖，斷層破碎帶屬Ⅴ類圍巖。

圖1 泄洪排沙洞出口邊坡開挖初期風(fēng)貌Figure 1 Appearance of slope excavation at the outlet of flood discharge and sand drainage tunnel

泄洪排沙洞出口邊坡整體穩(wěn)定性較好，不良地質(zhì)在于邊坡巖體節(jié)理及卸荷裂隙比較發(fā)育，局部存在受節(jié)理裂隙切割形成的楔形體以及少量危石（見圖2）。

圖2 邊坡開挖后的坡面揭示Figure 2 The face of the slope after excavation is revealed

邊坡原支護設(shè)計的支護高程由527m至478m，邊坡支護高度約49m，主要采用4.5m長φ25錨桿的錨噴支護方式，錨桿間排拒均為2m。在邊坡施作510m高程平臺以上支護期間，510～504m高程之間的坡面出現(xiàn)局部垮塌（見圖3），垮塌方量約60m3，所幸防范及時，沒有造成人員傷亡。

圖3 邊坡出現(xiàn)局部垮塌Figure 3 Partial failure of the slope

根據(jù)施工圖設(shè)計，邊坡將開挖至478m高程，邊坡還將繼續(xù)下挖約25m，后期還將面臨下方排沙洞出口隧道施工?？紤]到邊坡及隧道施工采用爆破開挖方式會加劇邊坡保留體結(jié)構(gòu)面的擴張，將會進一步影響邊坡的安全。為消除排沙洞出口邊坡存在的潛在安全風(fēng)險，有必要對該處邊坡進行專項研究及治理。

1 研究現(xiàn)狀

關(guān)于巖質(zhì)邊坡開挖形成的潛在風(fēng)險及防治，國內(nèi)相關(guān)研究分別涉及巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性、隧道口邊坡穩(wěn)定性、爆破振動效應(yīng)、邊坡治理等方面。

張伯艷等[1]以西部地區(qū)某水電工程巖質(zhì)高邊坡為研究對象，揭示地震作用下巖質(zhì)高邊坡滑塊滑面的張合運動規(guī)律、地震波沿坡高的放大效應(yīng)及高邊坡失穩(wěn)破壞機理，初步評價巖質(zhì)高邊坡的動力穩(wěn)定性。郝社鋒等以秦望山巖質(zhì)邊坡為研究對象，采用3DEC 數(shù)值模擬軟件分析了邊坡治理前后不同工況下邊坡的穩(wěn)定性[2]。陳明等[3]通過小灣水電站巖石高邊坡爆破振動荷載下動力響應(yīng)計算，確定小灣水電站巖石高邊坡爆破振動控制的合理部位及安全閾值。胡英國等[4]針對巖石高邊坡爆破振動安全控制標準的應(yīng)用，分析上層臺階馬道附近的爆破振動特性。王剛[5]以重慶市白市驛隧道附近一處陡高順層巖質(zhì)高邊坡為例，通過計算該邊坡在隧道施工爆破荷載作用下的動態(tài)穩(wěn)定系數(shù)時程曲線，認為該邊坡在爆破振動作用下可能會出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。逄鐵錚等[6]以廈門梧村隧道明挖段深基坑邊坡滑塌為例，認為深基坑采用鉆爆法開挖時，需要進一步驗證邊坡支護設(shè)計參數(shù)選取的合理性。王毓春[7]以牡綏線某隧道出口左側(cè)高邊坡防護加固工程為依托，采用 GEO-SLOPE 軟件對不同工況進行了穩(wěn)定性計算，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，確定了邊坡防護加固措施。

基于洛寧抽水蓄能電站泄洪排沙洞出口邊坡的工程特點及潛在風(fēng)險，擬采用風(fēng)險分析、邊坡穩(wěn)定性計算、支護優(yōu)化設(shè)計、現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的技術(shù)手段，對泄洪排沙洞出口邊坡進行綜合研究，以信息化思路指導(dǎo)邊坡及隧道施工，保障邊坡的運營安全。

2 邊坡安全控制研究

2.1 工程風(fēng)險分析

泄洪排沙洞出口邊坡地表出露以全風(fēng)化、強風(fēng)化巖為主，巖體裂隙發(fā)育。結(jié)合施工組織設(shè)計作出風(fēng)險分析如下：

（1）該處邊坡為兩處結(jié)構(gòu)面切割而成的鍥形體，巖體表面裂隙發(fā)育，邊坡開挖初期還出現(xiàn)小范圍的崩落掉塊現(xiàn)象，該處邊坡存在一定的地質(zhì)風(fēng)險。

（2）邊坡開挖采用鉆爆法施工，爆破振動效應(yīng)對巖土體及支護結(jié)構(gòu)的影響很大，爆破振動可使巖體原有裂隙進一步擴張，甚至裂隙之間出現(xiàn)貫通；同時，爆破振動可降低錨桿錨固體與巖土體的黏結(jié)強度，從而降低錨桿錨固力，達不到設(shè)計要求；該處邊坡存在較大的施工風(fēng)險。

（3）邊坡開挖后將形成切腳臨空面，且爆破開挖方式會加劇巖體結(jié)構(gòu)面的擴張，后期還面臨下方排沙洞出口隧道施工，隧道開挖卸荷及爆破震動效應(yīng)將會進一步影響邊坡的安全。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

由于工程現(xiàn)場地形復(fù)雜，僅選取泄洪排沙洞出口邊坡典型斷面，采用有限差分法進行邊坡穩(wěn)定性計算，通過對邊坡變形規(guī)律及穩(wěn)定性的定性分析，為邊坡治理設(shè)計提供參考。

圖4、圖5分別為邊坡靜力計算的位移及剪應(yīng)變增量云圖，圖6、圖7分別為考慮了爆破震動影響的邊坡動力計算位移及剪應(yīng)變增量云圖。

圖4 靜力計算位移云圖Figure 4 Static calculation of displacement cloud map

圖5 靜力計算剪應(yīng)變增量云圖Figure 5 Static calculation of shear strain increment cloud map

圖6 動力計算位移云圖Figure 6 Dynamic displacement cloud map

圖7 動力計算剪應(yīng)變增量云圖Figure 7 Dynamic calculation of shear strain increment cloud map

通過對比邊坡靜力和動力計算結(jié)果可以看出，靜力計算出現(xiàn)的最大位移約為2.38mm，而動力計算出現(xiàn)的最大位移增大到9.21mm。動力計算出現(xiàn)的剪應(yīng)變增量值為3.50×10-2，較靜力計算出現(xiàn)的剪應(yīng)變增量值為8.55×10-3增大了3倍。

根據(jù)江強強等[8]的研究：在干濕循環(huán)作用下，滑帶土殘余強度的劣化效應(yīng)明顯，黏聚力的劣化幅度明顯大于內(nèi)摩擦角的幅度。

由此可見，經(jīng)過強降雨或持續(xù)降雨，巖體結(jié)構(gòu)面強度會有一定程度的降低。而爆破施工引起的振動效應(yīng)使得邊坡的剪應(yīng)變及位移增大，邊坡巖體應(yīng)力有可能超過巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度，導(dǎo)致巖體沿結(jié)構(gòu)面滑出。此次泄洪排沙洞出口邊坡510～504m高程之間的坡面出現(xiàn)局部垮塌，與雨后邊坡下方有爆破作業(yè)時間大致吻合，是爆破振動效應(yīng)與巖土參數(shù)裂化共同作用的結(jié)果。

2.3 支護設(shè)計

基于以上工程風(fēng)險分析及邊坡穩(wěn)定性分析，同時考慮到510m高程以上開挖邊坡表層仍具有2～6m厚覆蓋層，為加強邊坡穩(wěn)定性，避免局部垮塌，在初期采用6mφ28錨桿代替原設(shè)計4.5mφ25錨桿的錨噴支護基礎(chǔ)上，對邊坡采用貼坡混凝土配合長系統(tǒng)錨桿的加強支護方案。具體措施及注意事項如下：

（1）采用C30貼坡混凝土對邊坡進行支護，貼坡混凝土厚300mm，表層采用φ16@200mm× 200mm單面雙向配筋，鋼筋保護層厚度50mm。

（2）采用9mφ32@3m×3m錨桿進行支護，錨桿外露總長570mm、彎折320mm，彎折段置于貼坡混凝土鋼筋上部并與鋼筋進行焊接。新增錨桿應(yīng)盡量與原錨桿錯開布置。

（3）貼坡混凝土澆筑時應(yīng)注意對邊坡排水孔的保護，避免排水孔堵塞，保證排水孔孔田出漏。

（4）垮塌部位用C20混凝土進行回填，表面采用φ16@200mm×200mm進行單層雙向配筋，并與錨桿焊接。

考慮到501～510m高程邊坡坡面發(fā)生全強風(fēng)化巖石沿夾泥軟弱結(jié)構(gòu)面滑動、垮塌情況，為避免坡面垮塌影響上部邊坡穩(wěn)定和危及下部邊坡施工安全，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，采取以下措施進行處理：

（1）在510m高程馬道、501m高程馬道圖示范圍內(nèi)側(cè)增設(shè)錨筋樁3φ28@0.75m，L=12m，錨筋樁向坡內(nèi)傾角5°。

（2）在510m高程馬道錨筋樁施工完成后，清理垮塌部位的全強風(fēng)化巖石、軟弱夾泥層、浮渣及松動塊體，501m高程馬道錨筋樁施工完成后進行下級邊坡開挖。

（3）501～510m范圍內(nèi)邊坡支護系統(tǒng)錨桿長度由原設(shè)計4.5mφ25更改為6mφ28，其中，垮塌區(qū)域錨桿間距調(diào)整為1.5m×1.5m，錨桿端頭與原設(shè)計坡面齊平，其余支護參數(shù)與原設(shè)計一致。

（4）垮塌部位用C20混凝土進行回填，表面采用φ16@200mm×200mm進行單層雙向配筋，并與錨桿焊接。

2.4 監(jiān)測設(shè)計

基于邊坡工程風(fēng)險分析及支護設(shè)計，依據(jù)國家技術(shù)標準以并參考國內(nèi)工程經(jīng)驗[9-11]，泄洪排沙洞出口邊坡的監(jiān)測設(shè)計如下：

（1）在邊坡各級馬道上設(shè)置位移監(jiān)測點。

（2）在邊坡馬道510m高程設(shè)置豎向深部位移監(jiān)測孔1個，孔深20m，用以監(jiān)測邊坡在各垂直深度方向上的水平位移。

（3）在510m高程平臺上下方邊坡坡面上鉆孔埋設(shè)水平向多點位移計監(jiān)測孔3個，孔間距8～10m，鉆孔為孔，根據(jù)地質(zhì)條件確定孔深26m，每個監(jiān)測孔測點數(shù)4點，用以監(jiān)測邊坡在各水平深度方向上的軸向位移。

（4）在邊坡501～518m高程間設(shè)置錨桿應(yīng)力計，監(jiān)測錨桿受力狀態(tài)變化。

（5）在邊坡各平臺設(shè)置爆破振動監(jiān)測點若干，通過埋設(shè)三分量速度傳感器，獲得該次爆破對支護結(jié)構(gòu)及巖土體的振動速度，用以指導(dǎo)爆破施工。

主要監(jiān)測項目布置見圖8。

圖8 深部位移監(jiān)測點布置示意圖Figure 8 Schematic diagram of deep displacement monitoring site layout

3 邊坡治理實施

3.1 施工組織及實施

泄洪排沙洞出口方案開挖支護施工順序如下：510m馬道錨筋樁施工→527～510m邊坡φ32錨桿施工→501m馬道錨筋樁施工→501m以下邊坡開挖、支護。

泄洪排沙洞出口邊坡為洞口段三級邊坡，洞口至挑坎段四級邊坡。開挖順序先施工洞口洞頂段三級邊坡至洞頂493m高程處，開挖自上而下施工，不得采取對巖石層面切腳或造成巖體倒懸的開挖方式進行，支護緊隨開挖施工，開挖一級，支護一級，每開挖一級，立即清除表層上的松動巖層、表面呈薄片狀或尖角狀的突出巖石及裂隙發(fā)育或具有水平裂隙的巖石；洞頂段邊坡開挖支護完成后施工洞口至挑坎段邊坡，為進洞施工提供工作面。

在邊坡恢復(fù)開挖施工前，按監(jiān)測設(shè)要求安裝埋設(shè)監(jiān)測元器件，取得監(jiān)測初始值后方可進行開挖。

3.2 邊坡治理效果

邊坡恢復(fù)開挖至泄洪排沙洞進洞期間，邊坡沒有出現(xiàn)局部滑塌事件，邊坡無異常跡象發(fā)生。

目前排沙洞出口隧道進尺50余米，邊坡陣列位移計的豎向最大位移約為3mm，多點位移計的水平向最大位移約為4mm。

現(xiàn)場監(jiān)測及巡視結(jié)果表明：隧道口區(qū)域的邊坡及隧道均處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)束語

（1）針對泄洪排沙洞出口邊坡出現(xiàn)的問題，采用風(fēng)險分析、邊坡穩(wěn)定性計算、支護優(yōu)化設(shè)計、現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的技術(shù)手段進行綜合研究，以信息化思路指導(dǎo)邊坡及隧道施工，取得較好的治理效果，保障了邊坡的運營安全。

（2）泄洪排沙洞出口邊坡510～504m高程之間的坡面出現(xiàn)局部垮塌，是爆破振動效應(yīng)與巖土參數(shù)裂化共同作用的結(jié)果。

圖9 邊坡治理后現(xiàn)狀Figure 9 Current situation after slope treatment

（3）對于節(jié)理裂隙發(fā)育的邊坡工程，要充分考慮巖土力學(xué)參數(shù)劣化對邊坡穩(wěn)定性計算的影響，以便更好地指導(dǎo)邊坡支護設(shè)計。