水電站復雜邊坡治理措施探討

羅五洲，李恩至

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004；2.湖南五凌力源經(jīng)濟發(fā)展有限公司，湖南 長沙 410000； 3.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

1 前言

大型水電站建設過程中或建成后經(jīng)常會遇到復雜邊坡需要進行治理，本文在五強溪水電站左岸復雜高邊坡治理成功的措施基礎上，歸納總結(jié)身邊水電站復雜邊坡治理成果實施的其他措施并進行探討，為后續(xù)水電站復雜邊坡治理措施提供新的經(jīng)驗和借鑒。

2 五強溪水電站高邊坡治理

2.1 五強溪水電站高邊坡概況

五強溪水電站左岸高邊坡自壩軸線至下游尾端之間長約500 m。按自然地形地貌特征可分為兩部分：第一部分為上部反向坡，坡角約300°，巖層傾向與坡面近于正交，坡頂高程203.00 m，中部為平緩過渡帶，坡角200°，第二部分為下部順向坡，坡角400°～450°，巖層傾向與坡面一致。

左岸高邊坡為前震旦系板溪群五強溪組的千枚狀板巖、砂質(zhì)板巖、砂巖、石英砂巖、石英巖等一系列淺變質(zhì)巖系分布，沉積韻律明顯，具典型次復理式建造。近于平行邊坡的斷層、軟弱夾層密積分布，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體構(gòu)造破壞強烈，風化深厚、蠕變松動巖體廣布，邊坡易于變形，穩(wěn)定性差，構(gòu)成了邊坡地質(zhì)條件的復雜性。

2.2 五強溪水電站高邊坡主要治理措施及效果

2.2.1 開挖方法與技術(shù)措施

根據(jù)邊坡地質(zhì)情況和對邊坡變形觀測分析，邊坡采取仿自然坡開挖及自上而下分段開挖的施工方案。針對邊坡巖石破碎、斷層破碎帶發(fā)育密集等復雜地質(zhì)條件,開挖不允許超挖和切腳,采取了預裂爆破、柔性墊層爆破和預留保護層開挖等技術(shù)措施。

2.2.2 邊坡防護措施

針對邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征和開挖揭露出來的地質(zhì)問題，為抑制邊坡變形，防止誘發(fā)邊坡變形條件的產(chǎn)生和發(fā)展,以提高邊坡穩(wěn)定能力，達到穩(wěn)定安全系數(shù)最小允許值為1.3的要求，故在整個邊坡治理過程中采取了表面保護、邊坡加固、邊坡排水及邊坡監(jiān)測等防護措施。

（1）表面保護

1）鋼筋混凝土網(wǎng)格梁植草皮

對全風化巖土坡段均采用鋼筋混凝土網(wǎng)格梁植草皮進行表面護坡。網(wǎng)格梁橫截面為25 cm×25 cm、標號C15的鋼筋混凝土梁組成300 cm×300 cm的方格網(wǎng)，在方格中植草皮，施工時先用石灰線標出網(wǎng)格梁的位置，然后按網(wǎng)格梁斷面尺寸開挖至基巖,并清洗干凈后澆筑混凝土,使鋼筋混凝土網(wǎng)格梁與邊坡巖體有較好的結(jié)合,從而使整個邊坡通過網(wǎng)格梁連成一整體。鋼筋混凝土網(wǎng)格梁經(jīng)養(yǎng)護7 d后，在方格網(wǎng)內(nèi)鋪設腐植土約10 cm厚,然后將帶土的爬地草鋪蓋在表面壓實,繼續(xù)灑水養(yǎng)護10 d，確保草皮成活率達到95%以上。

2）噴混凝土

對較完整巖土坡段一般采用噴純混凝土護面，局部噴鋼絲網(wǎng)混凝土。噴前先將坡面清洗干凈,經(jīng)驗收合格后用HPZV-5型混凝土噴射機由上而下順序施噴。對于巖體破碎的局部坡段則采用噴鋼絲混凝土,先噴一層6～8 cm厚混凝土,使坡面平整,然后掛間距20 cm×20 cm的鋼絲網(wǎng)，二次噴成混凝土總厚度15 cm。

3）鋼筋混凝土面板

對于破碎巖石坡段(包括左壩頭后坡)采用了現(xiàn)澆鋼筋混凝土面板護坡，混凝土標號一般為C20或C25,局部為C10和C15，澆筑厚度一般為25 cm。

采用上述表面保護措施能有效地防止坡面沖刷和表面巖體的風化，避免雨水下滲，對坡面起到全面保護作用。

（2）邊坡加固

對軟弱層密集帶、大斷層破碎帶及易變形部位采用系統(tǒng)錨桿、錯洞、錨樁、斷層混凝土塞和固結(jié)灌漿等邊坡深部加固防護,以增強巖體整體性,提高抗變形能力。

1）錨桿

錨桿直徑為Φ25、Φ28兩種規(guī)格,均為普通砂漿錨稈,近乎垂直巖層層面方向錨入,單根錨桿錨固力噸位為12 t；錨桿孔、排距均為3 m，孔深3 m，孔徑50 mm。錨桿施工按鉆孔→孔內(nèi)沖洗→注漿→下錨桿的步驟進行。鉆孔采用765型氣腿鉆機，鉆孔后用0.2～0.3 MPa壓力水沖洗孔內(nèi)至回清水為止,經(jīng)驗收合格后灌入水泥砂漿,砂漿配合比為水泥:砂:水=1∶2∶0.5;然后用大錘將錨桿打入孔底,砂漿不滿的繼續(xù)灌漿。

2）錨洞

錨洞施工按開挖→清洗→布筋→回填混凝土→回填灌漿等步驟進行。錨洞開挖采用全斷面掘進,周邊采用光面爆破，每次掘進距離1～1.5 m。如因地質(zhì)條件太差，存在塌頂現(xiàn)象嚴重，施工采用加工好的鋼管先對錨洞進行撐護，不拆除并代替錨洞結(jié)構(gòu)鋼筋起錨固作用。鋼管撐護間距:橫向每隔1 m布置一根，縱向每隔40～50 cm布置一根。錨洞開挖后,清洗洞內(nèi)至新鮮巖石,經(jīng)驗收合格后布設鋼筋。鋼筋采用搭接焊,并在洞頂預埋3根回填灌漿管,其中2根進漿管,1根排氣管。錨洞回填混凝土主要采用溜槽運輸和混凝土泵輸送。斜錨洞由溜槽運送混凝土至洞底,然后往外一邊回填一邊拆溜槽,人工振搗；水平錨洞采用混凝土泵輸送混凝土，以保證回填混凝土質(zhì)量。

3）錨樁

錨樁施工按鉆孔→固壁→下錨→注漿的步驟進行。鉆孔采用300型回轉(zhuǎn)式鉆機，開孔孔徑中130 mm，鉆孔2 m后改為中110 mm;孔口預埋127 mm套管,為防止孔內(nèi)水漫流，套管離地面30 cm處開孔接皮管將水引至排水溝集中排水。因巖石破碎,塌孔現(xiàn)象嚴重,故部分采用水泥漿液固壁。鉆孔后,沖洗孔內(nèi)至回清水止,然后下錨樁。錨樁鋼筋接長采用剖口對焊,3根鋼筋相互之間以及與鋼管(注漿管)之間采用點焊連成整體，點焊距離為30～50 cm。下錨樁是錨樁施工難度最大的工序,由于在已開挖的邊坡上施工,吊裝設備上不去,因此采用獨腳扒桿下拉,人工吊裝。注漿經(jīng)檢查合格后,再用水泥砂漿封孔。

4）斷層混凝土塞

對斷層出露地段采用挖槽回填置換混凝土，即斷層混凝土塞加固巖體,以改善巖體均一性,預防壓縮變形。沿斷層走向挖槽，回填C15混凝土。挖槽深度一般為斷層寬度的1.5～2.0倍。

上述邊坡加固施工項目取得了預定的效果，有效地增強了邊坡巖體的整體性及抵抗拉、剪、壓各類變形能力。

2.2.3 工程邊坡處理效果

通過幾年來對邊坡的綜合處理施工后,邊坡開挖產(chǎn)生的卸荷回彈和蠕動變形得到有效控制,邊坡變形已趨向穩(wěn)定,說明采取以開挖卸載為主、全面防護為輔的邊坡處理措施是適宜的:尤其是施工期邊坡曾數(shù)次出現(xiàn)局部裂縫和變形，經(jīng)過處理后不再發(fā)展，并且經(jīng)歷了多次100年一遇特大洪水的嚴峻考驗，工程邊坡穩(wěn)定安全、運行正常，充分表明邊坡處理效果良好,是國內(nèi)高邊坡處理獲得成功的一個典型范例,對于類似邊坡處理具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2.2.4 邊坡處理成果達到國內(nèi)先進水平

五強溪左岸高邊坡處理，以邊坡變形理論為指導，針對變形巖體的動態(tài)條件,在處理工程初步設計的基礎上,采用全過程“現(xiàn)場跟蹤、動態(tài)監(jiān)測、邊挖邊護、上削下固，既錨又護、表護里固，排水同步”的處理措施，為抑制邊坡變形、達到穩(wěn)定安全的目的開辟了一條行之有效的施工新途徑。它不僅有利于在邊坡變形的動態(tài)條件下保證工程質(zhì)量和施工安全，而且取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

3 水電站復雜邊坡治理

3.1 水電站常見復雜地質(zhì)邊坡成因

全球大型水電站一般位于大江大河上，通常樞紐區(qū)地處深山峽谷地區(qū)，自然谷坡高陡，地應力水平較高，谷坡巖體卸荷強烈，并發(fā)育有斷層、層間擠壓帶、深部裂縫等不良地質(zhì)現(xiàn)象；部分水電站因蓄水淹沒，庫區(qū)水位周期性變化進一步加劇庫區(qū)部分原地質(zhì)邊坡失穩(wěn)，以上綜合因素導致大型水電站經(jīng)常會在建設過程中和水庫建成后面臨復雜地質(zhì)邊坡治理。

3.2 水電站復雜地質(zhì)邊坡治理措施

水電站常用的復雜邊坡治理措施主要有邊坡開挖、錨固工程、抗滑樁、擋土墻、錨噴支護、格構(gòu)護坡、 護面墻、格賓護墊、坡面（體）排水等。

（1）邊坡開挖是復雜邊坡治理最常見、有效且簡單的一種方法，但實際工程中因受開挖工程量巨大的影響，邊坡開挖經(jīng)常作為復雜邊坡治理措施中輔助的手段，一種好的邊坡開挖方法和技術(shù)措施往往能夠起到事半功倍的效果。

水電站高邊坡施工一般采用由上至下梯段開挖,開挖梯段高度為10 m,每臺階20 m高度分2次開挖。對于地質(zhì)條件較好、巖石堅硬的邊坡,開挖一般采用YQ-80型潛孔鉆造孔，微差擠壓爆破,預裂防震,巖石單位耗藥量控制在0.4 kg/m3以下，最大單段起爆藥量不超過50 kg；對于部分地質(zhì)條件較差,巖石相對軟弱,巖體風化破碎,一般采用推土機推挖,預留2 m厚保護層,人工修整坡面。

（2）錨固工程是通過對預應力錨索（桿）施加張拉力，使巖體或混凝土結(jié)構(gòu)物達到穩(wěn)定狀態(tài)或改善其內(nèi)部應力狀況的工程技術(shù)措施?？杉毞譃轭A應力錨桿和預應力錨索。

（3）抗滑樁是一種能迅速、經(jīng)濟、有效地整治土質(zhì)坡的工程結(jié)構(gòu)物，它主要通過錨固在滑床的樁體，同時在有些情況下通過發(fā)揮受力段樁前土抗力來抵抗滑體的下滑力，達到穩(wěn)定邊坡的作用?？够瑯队墒芰Χ纬惺芡馏w推力，并通過樁身傳遞到錨固段，依靠錨固段地層反力來嵌住樁身。

（4）擋土墻是指支承路基填土或山坡土體、防止填土或土體變形失穩(wěn)的構(gòu)造物。根據(jù)擋土墻穩(wěn)定的機理，主要有重力式擋土墻、衡重式擋土墻、薄壁式擋土墻、錨定式擋土墻、加筋土擋土墻等。其中重力式擋土墻具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、能就地取材等優(yōu)點。

（5）錨噴支護是應用錨桿與噴射混凝土形成復合體以加固巖土體的一種工藝。即依靠巖土體、錨桿、鋼筋網(wǎng)和混凝土面層共同工作來提高邊坡巖土的結(jié)構(gòu)強度和抗變形剛度，減少巖土體側(cè)向變形，形成增強邊坡整體穩(wěn)定性的一種支護體系。采用錨 桿或錨固釘將菱形、矩形金屬網(wǎng)或高強度聚合物土工格柵固定在邊坡上，網(wǎng)（格柵）上下噴射混凝土，由此對邊坡進行防護。

（6）格構(gòu)技術(shù)一般與環(huán)境美化相結(jié)合，利用框格護坡，同時在框格之內(nèi)種植花草可以達到極其美觀的效果。格構(gòu)技術(shù)具有布置靈活、格構(gòu)形式多樣、截面調(diào)整方便、與坡面密貼、可隨坡就勢等顯著優(yōu)點。并且框格內(nèi)視情況可掛網(wǎng)(鋼筋網(wǎng)、鐵絲網(wǎng)或土工網(wǎng))、植草、噴射混凝土進行防護，也可用現(xiàn)澆混凝土(鋼筋混凝土或素混凝土)板進行加固。

（7）護面墻是為免受大氣影響而修建的貼坡式防護墻，適用于各種軟質(zhì)巖層和較破碎巖石的挖方邊坡以及坡面易受侵蝕的土質(zhì)邊坡。

（8）格賓護墊是指由機編雙絞合六邊形金屬網(wǎng)面構(gòu)成的厚度遠小于長度和寬度的墊形工程構(gòu)件。格賓護墊中裝入塊石等填充料后連接成一體，成為主要用于水利堤防、岸坡、海漫等的防沖刷結(jié)構(gòu)，具有柔性、對地基適應性的優(yōu)點。

（9）坡面（體）排水主要通過設置坡頂截水溝、平臺截水溝、邊溝、排水溝及跌水與急流槽來實現(xiàn)。坡體排水措施主要有盲溝、排水廊道、排水井（孔）等。

大多數(shù)水電站復雜高邊坡根據(jù)坡體結(jié)構(gòu)特點，確定了“少開挖、弱爆破、強支護、分區(qū)分層支護、控制整體、以面覆點”的開挖施工和加固設計原則。絕大多數(shù)工程將結(jié)合自身工程區(qū)域邊坡治理地質(zhì)情況進行綜合考慮選擇以上幾個常見的邊坡治理措施綜合方案進行治理，如錦屏一級水電站復雜高邊坡實施以預應力錨索和抗剪洞為主、輔以錨桿、混凝土框格梁等措施的局部和整體、淺表和深層的全方位、多層次邊坡加固控制體系。然后經(jīng)過精細設計并嚴格控制施工時序、爆破技術(shù)和工藝，保證建基面巖體質(zhì)量，通過動態(tài)設計和完善的管理機制確保邊坡施工安全。

4 結(jié)論

本文以一個水電站復雜邊坡治理成功案例為探討基礎，在此基礎上結(jié)合自身工作經(jīng)驗和掌握的國內(nèi)外水電廠復雜邊坡治理措施總結(jié)歸納出常見水電站復雜邊坡治理措施，為后續(xù)水電站復雜邊坡治理措施提供新的經(jīng)驗和借鑒。