金沙水電站山梁子變形體邊坡開挖支護措施分析

李想

摘要：金沙水電站大壩右岸征地紅線外的山梁子變形體處于導流明渠上方，為避免變形體滑塌威脅電站施工及運行安全，有必要開展該變形體搶險工程的邊坡開挖卸荷排險分析，制定安全經(jīng)濟的開挖方案。通過比選不同開挖支護方案和分析不同運行工況下的邊坡穩(wěn)定性，確定了有效施工措施，及時排除險情，消除了電站安全隱患。研究成果可供類似工程參考。

關鍵詞：山梁子變形體; 開挖支護; 邊坡治理; 開挖卸荷; 搶險工程; 金沙水電站

中圖法分類號：TV551.4 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.009

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0037 - 09

0 引 言

邊坡開挖支護作為水利水電施工的重要組成部分，必須依照設計藍圖，安全規(guī)范地開展施工;同時，必須嚴把質(zhì)量關，保證邊坡開挖支護的施工質(zhì)量，確保水電站安全施工、運行。喬介平、楊建國等對水電站邊坡開挖支護施工進行了相關分析討論[1-2]，為水電站建設和投產(chǎn)運營打下了堅實的基礎。本文結(jié)合金沙水電站山梁子變形體，開展了水利水電施工中的邊坡開挖支護施工方法研究，以供類似工程參考。

1 工程概況

1.1 基本情況

金沙水電站導流明渠進口正上方右岸山坡坡頂?shù)纳搅鹤幼冃误w發(fā)生垮塌。經(jīng)現(xiàn)場勘察可知：變形范圍內(nèi)地表拉裂縫眾多，前緣有小規(guī)?？逅缶壱严蚪鹕辰较蛳麓旎瑒?～3 m，山坡表面物質(zhì)松散，穩(wěn)定性差。變形體位于金沙水電站導流明渠進口及導流明渠右岸邊坡2號道路正上方，落差達300 m，處于征地紅線外165 m。明渠右岸邊坡于2016年12月已完成全部開挖支護，邊坡一直穩(wěn)定。目前變形體山脊上游側(cè)不斷發(fā)生小規(guī)模垮塌，導致：① 部分塊石已滾落至2號路的路面及金沙江內(nèi)，直接威脅下方2號路的通行安全;② 垮塌物質(zhì)已將下方山梁子沖溝填滿，山梁子沖溝匯水面積較大，一旦遇到降雨，易爆發(fā)泥石流災害。山梁子變形體位置如圖1所示。

該變形體位于導流明渠進口正上方右岸山梁子山脊緩坡中部至坡頂，分布高程1 280～1 410 m，距江面高差300 m;上游邊界為山坳，下游邊界為山梁子沖溝，前緣位于山脊緩坡中部高程1 280 m處，后緣位于山頂。變形體順坡方向長150 m，斜坡方向?qū)?30 m，平面面積約22 000 m2，具體見圖2。

從變形體分布區(qū)的地形、地質(zhì)構(gòu)造、變形特征等進行分析，變形體的主要破壞模式是崩塌、滑動。變形體產(chǎn)生的主要原因是該位置山體內(nèi)部煤礦采空塌陷。采空區(qū)位于地形凸出的陡坡下部，直抵坡面，其上部巖體軟硬相間、風化強烈，采空區(qū)塌陷后，上部巖體失去支撐，致使其在重力作用下發(fā)生下挫、拉裂、崩塌，并不斷牽引坡上巖體產(chǎn)生強烈的變形破壞，直至坡頂產(chǎn)生裂縫。變形模式為牽引式。通過現(xiàn)場變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，裂縫處變形量仍在持續(xù)增大，且變形速率有隨時間推移而增大的趨勢。為防止產(chǎn)生大規(guī)模失穩(wěn)，主要對該變形體采取卸掉表面荷載并進行相應的支護加固控制措施。

1.2 變形體巖土物理力學性質(zhì)

變形體主要由中粗粒巖屑砂巖、含炭質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖3種巖石構(gòu)成。在勘察金沙水電站壩址區(qū)時，對這3種巖石進行了物理力學性質(zhì)試驗，試驗成果見表1～2。

由試驗成果可見，中粗粒巖屑砂巖飽和單軸抗壓強度均值在130 MPa左右，屬堅硬巖;含炭質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖飽和單軸抗壓強度在22～30 MPa，屬較軟巖。

1.3 變形體巖土物理力學參數(shù)建議

根據(jù)勘察時的現(xiàn)場試驗，參照金沙水電站壩址區(qū)現(xiàn)有試驗成果，結(jié)合類似工程的實踐經(jīng)驗，綜合分析并提出本變形體內(nèi)及外圍各類巖土體的物理力學參數(shù)建議值，如表3～6所示。

1.4 穩(wěn)定性分析與評價

1.4.1 變形體穩(wěn)定性

變形體下覆基巖以泥質(zhì)粉砂巖、中粗粒巖屑砂巖為主，夾數(shù)層可采煤層或煤線，巖體完整性較好，巖層傾向170°～200°，傾角20°，為逆向坡。46-中煤層從變形體前緣穿過，沿該煤層采掘煤礦后，在變形體前緣形成采空區(qū)。

變形體內(nèi)地表裂縫發(fā)育密集，縱橫交錯，以橫向裂縫居多;裂縫規(guī)模普遍較大，張開寬度一般在0.3～1.0 m;下挫0.5～1.5 m，張開寬1.5～2.5 m;下挫陡坎分別高1.5～2.5 m， 3.0～7.0 m。變形體已嚴重解體、松弛，坡表總體塌陷2～7 m。變形體山脊上游側(cè)有3處隆起，隆起高度0.1～1.5 m。前緣形成類似滑坡舌的舌狀土垅，高0.2～1.0 m，向金沙江方向滑動距離0.5～1.0 m。變形體山脊下游側(cè)不斷發(fā)生小規(guī)模崩塌，每次方量從數(shù)方到數(shù)十方不等;崩塌落石已將下方山梁子沖溝填滿，并有部分越過2號路直接滾落金沙江。46-中煤層正上方已露出圈椅狀塌陷坑。變形體前緣臨空，表部土體更加松散，地表植被破壞嚴重，樹木傾倒、枯死，利于雨水入滲。變形監(jiān)測結(jié)果表明，裂縫處變形量仍在持續(xù)增大，且變形速率有隨時間推移而增大的趨勢。

綜上所述，變形體變形嚴重，穩(wěn)定性差，表現(xiàn)為以山脊下游側(cè)前緣小規(guī)模崩塌失穩(wěn)，中前部地形變陡，且在不斷惡化中，隨時有產(chǎn)生大規(guī)?；瑒邮Х€(wěn)的可能，如遇降雨、地震等不利條件，失穩(wěn)的可能性更大。尤其是山脊上游側(cè)，一旦發(fā)生大規(guī)模滑動，可能會擾動或推動前緣下方山脊及3號撓曲，進而產(chǎn)生更大規(guī)模的失穩(wěn)。

1.4.2 變形體下方撓曲山坡穩(wěn)定性

花石崖3號撓曲從變形體下方橫向通過，上、下山坡較陡，多數(shù)基巖裸露，為逆向坡。撓曲部位山坡為緩坡，覆蓋層厚度較小，為基巖順向坡，傾角20°～30°，巖性為薄至中厚層的巖屑砂巖。據(jù)調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)性狀較差的層間剪切帶或緩傾坡外的斷層，后部也未發(fā)現(xiàn)不利于山坡穩(wěn)定的其它切割面，在金沙水電站勘察的12 a間未發(fā)現(xiàn)變形跡象，植被良好，山坡穩(wěn)定性較好。然而，由于該部位正處于金沙水電站壩址附近上游右岸，位置較為敏感，且右岸采煤情況不明，為防止邊坡出現(xiàn)不利情況，建議對此部位進行變形監(jiān)測。

2 處理方案

2.1 方案比選

2.1.1 方案一：清除變形體

開挖底高程1 303.0 m，開挖邊坡坡比1∶1.25，和現(xiàn)有山體邊坡基本一致，每間隔15 m設一級馬道，馬道寬3.0 m，邊坡最大高度約110.0 m，在開挖范圍內(nèi)可基本挖除全部變形體[3]，如圖3所示。

2.1.2 方案二：清除覆蓋層+錨索方案

開挖底高程1 318.0 m，高程1 363.0 m以下位置開挖邊坡的坡比為1∶1.0，高程1 378.0 m以上位置開挖邊坡坡比1∶1.5，每間隔15 m 設一級馬道，馬道寬3.0 m，主要以挖除覆蓋層為主。變形體采用貼坡混凝土板護面、預應力錨索加固，在高程1 348.0～1 393.0 m布置1 000 kN預應力錨索，間排距6 m×6 m，錨索長度分25 m和30 m兩種，間隔布置，如圖4所示。

2.1.3 方案三：清除覆蓋層+抗滑樁方案

開挖底高程1 318.0 m，高程1 378.0 m以下開挖坡比1∶1.0，高程1 378.0 m以上開挖坡比1∶1.5，每間隔15 m 設一級馬道，馬道寬3.0 m，主要以挖除覆蓋層為主。變形體采用抗滑樁進行加固，分別在高程1 333.0， 1 363.0 m和1 388.0 m各布置一排抗滑樁，抗滑樁間距分別為6， 8 m 和10 m，樁長15～25 m，樁徑1.5 m，如圖5所示。混凝土等級C30，環(huán)向配34根直徑32 mm縱向受力鋼筋。

2.2 方案穩(wěn)定分析

2.2.1 方案一

（1） 持久（正常運行）工況。圖6是正常運行期間，邊坡開挖至1 303 m高程時采用強度折減法計算得到的邊坡臨界狀態(tài)下的失穩(wěn)路徑。當折減系數(shù)為1.41時，剪應變增量區(qū)貫通，剪切帶上部巖體有整體滑移失穩(wěn)的趨勢，因此取邊坡安全系數(shù)為1.40。

（2） 暴雨工況。圖7是在暴雨條件下，邊坡開挖至1 303.0 m高程時采用強度折減法計算得到的邊坡臨界狀態(tài)下的失穩(wěn)路徑。當折減系數(shù)為1.22時，剪應變增量區(qū)貫通，剪切帶上部巖體有整體滑移失穩(wěn)的趨勢，因此邊坡安全系數(shù)取為1.21。

（3） 地震工況。地震水平加速度為0.15 g。采用擬靜力法進行分析，地震力的方向為朝向邊坡臨空方向。圖8是在地震工況條件下邊坡開挖至1 303.0 m 高程時，采用強度折減法計算得到的邊坡臨界狀態(tài)失穩(wěn)路徑。當折減系數(shù)為1.13 時，剪應變增量區(qū)貫通，剪切帶上部巖體有整體滑移失穩(wěn)的趨勢，因此邊坡安全系數(shù)取為 1.12。

（4） 方案一邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果如表7所示。方案一的邊坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

2.2.2 方案二

（1） 持久工況。圖9是持久工況下采用強度折減法計算得到的邊坡臨界狀態(tài)失穩(wěn)路徑。當折減系數(shù)為1.23 時，剪應變增量區(qū)貫通，剪切帶上部巖體有整體滑移失穩(wěn)的趨勢，因此邊坡安全系數(shù)取1.22。

（2） 暴雨工況。在無支護條件的暴雨工況下，邊坡最大位移為60 mm。當折減系數(shù)為1.05 時，剪應變增量區(qū)貫通，剪切帶上部巖體有整體滑移失穩(wěn)的趨勢，因此邊坡安全系數(shù)取1.04，如圖10所示。

在淺層支護條件下（設6 m長、間排距3 m×3 m的系統(tǒng)錨桿）[4]，邊坡最大位移為60 mm，當折減系數(shù)為1.09 時，剪應變增量區(qū)貫通，剪切帶上部巖體有整體滑移失穩(wěn)的趨勢，因此邊坡安全系數(shù)取為1.08，如圖11所示。

在深層支護條件下（1 500 kN級錨索），邊坡最大位移為30 mm，當折減系數(shù)為1.19 時，剪應變增量區(qū)貫通，剪切帶上部巖體有整體滑移失穩(wěn)的趨勢，因此邊坡安全系數(shù)取為1.18，如圖12所示，即如果只開挖變形體的覆蓋層，需增設1 000 kN 級的錨索，才能滿足邊坡穩(wěn)定要求。

（3） 地震工況。地震工況水平加速度為 0.15 g，采用擬靜力法進行分析，地震力的方向為指向邊坡臨空方向。地震工況無支護條件下，邊坡最大位移為 1.2 m，此時為邊坡失穩(wěn)狀態(tài)，如圖13所示。淺層支護條件下，邊坡最大位移為1 m，此時為邊坡失穩(wěn)狀態(tài)，如圖14所示。深層支護條件下，邊坡最大位移為 70 mm，當折減系數(shù)為 0.98時，剪應變增量區(qū)貫通，剪切帶上部巖體有整體滑移失穩(wěn)的趨勢，因此邊坡安全系數(shù)取為0.97，如圖15所示。

2.2.3 方案三

邊坡運行期考慮持久、暴雨和地震3種工況。邊坡采用抗滑樁支護后在持久、暴雨和地震工況下的安全系數(shù)分別為1.44， 1.18， 1.13，如圖16所示。

在邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求的前提下，對抗滑樁結(jié)構(gòu)采用剩余推力法計算，所得各段滑坡最大剩余推力及抗滑樁結(jié)構(gòu)計算結(jié)果見表9。

2.3 小 結(jié)

3種方案的邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果見表10，主要工程量對比見表11。

由表10，11可知：

（1） 3種方案均可以保證變形體的穩(wěn)定。

（2） 方案二邊坡變形較大，同時由于變形體較松散，難以進行錨索的預應力張拉施工。

（3） 方案三抗滑樁深15～25 m，直徑達到1.5 m，由于其位于變形體的外側(cè)，施工過程中容易垮塌，施工安全難以保障，同時施工工期長，施工難度大。

綜上所述，雖然方案一的開挖工程量較大、造價較高，但施工相對簡單，施工措施有保障，施工難度相對較小[5]。同時，由于變形體地質(zhì)條件較為復雜，計算模型中未考慮巖石的破碎程度，即變形體存在從抗滑樁（間距6～10 m）之間下滑的可能，因此，采用方案一進行山梁子變形體應急搶險。

3 結(jié) 語

通過對山梁子變形體應急搶險工程邊坡開挖支護方案的比選分析，最終確定采用方案一。該方案施工較簡單，施工措施保障性較好。此方案在變形體實際施工過程中得到了運用，保障了邊坡以及金沙水電站施工運行期的安全。

參考文獻：

[1] 喬介平，殷本林. 錦屏一級水電站大壩左岸高邊坡安全開挖技術[J]. 四川水力發(fā)電， 2013， 32（1）： 29-35.

[2] 楊建國，楊從宏，李君祥. 騰龍橋一級水電站大壩邊坡施工技術探討[J]. 水電站設計，2019， 35（1）： 38-40， 45.

[3] 吳鳳林. 有關水利施工工程中開挖支護技術的分析[J]. 黑龍江科技信息，2017（6）： 226.

[4] 杜志飛. 邊坡噴錨防護施工應用技術探析[J]. 云南科技管理， 2017， 30（6）： 104-106.

[5] 廖雋. 邊坡防護工程方案及經(jīng)濟比選分析[J]. 山東交通科技， 2017（6）： 110-113.

（編輯：高小雲(yún)）

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