兩河口水電站庫(kù)區(qū)特大橋邊坡穩(wěn)定性復(fù)核與治理

李 其 虎

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

高壩大庫(kù)水電站工程庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性受水位漲落影響大[1]，嚴(yán)重者會(huì)引起滑坡和塌岸，危及穿越該區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，水庫(kù)蓄水前針對(duì)重要基礎(chǔ)設(shè)施及敏感對(duì)象區(qū)域開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)工程地質(zhì)勘察與庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性復(fù)核十分必要，二灘、錦屏一級(jí)[2]、三峽[3]、小灣[4]、溪洛渡[5]、瀑布溝、大崗山等一批高壩大庫(kù)蓄水后的實(shí)際運(yùn)行情況也印證了這一點(diǎn)。為了避免水庫(kù)蓄水后庫(kù)岸再造對(duì)庫(kù)區(qū)重要基礎(chǔ)設(shè)施及敏感對(duì)象安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，兩河口水電站在工程蓄水前4 a 就啟動(dòng)了庫(kù)岸穩(wěn)定性排查分析工作，通過(guò)無(wú)人機(jī)等地表初步勘察，查明不良地質(zhì)體滑坡、傾倒變形體、堆積體等發(fā)育部位80余處，并針對(duì)可能危及庫(kù)區(qū)重要基礎(chǔ)設(shè)施安全及敏感區(qū)域安全的17處開(kāi)展了專(zhuān)項(xiàng)鉆探、硐探、物探勘探、試驗(yàn)與分析研究工作。在查明潛在不穩(wěn)定庫(kù)岸成因、變形破壞趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，預(yù)先采取了具有針對(duì)性的工程措施處理，并取得了良好的效果。本文主要介紹了蓄水前庫(kù)區(qū)哈格達(dá)溝特大橋工程現(xiàn)場(chǎng)查勘、補(bǔ)充勘探相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合所查明的哈格達(dá)溝特大橋工程工程地質(zhì)條件，分析了可能出現(xiàn)的岸坡破壞模式，在充分考慮庫(kù)岸巖體參數(shù)蓄水弱化及水位消落反向滲流作用的基礎(chǔ)上，通過(guò)模型計(jì)算復(fù)核了邊坡穩(wěn)定性，提出了具有針對(duì)性的加固處理方案。

1 工程概況

兩河口水電站為Ⅰ等大(1)型工程，正常蓄水位2 865.00 m，死水位2 785.00 m，最大壩高295 m。電站正常蓄水庫(kù)岸線總長(zhǎng)464 km，庫(kù)水位消落高差達(dá)80 m。庫(kù)區(qū)屬高山區(qū)，谷坡陡峻，具有典型的高山峽谷地貌特征。庫(kù)內(nèi)出露基巖為三疊系淺變質(zhì)砂板巖，包括兩河口組和雅江組，其次為侏倭組、如年各組、雜谷腦組與雜尕山組。庫(kù)區(qū)交通工程主要包括庫(kù)區(qū)復(fù)建縣道X037線(全長(zhǎng)107.5 km)及省道S217線(全長(zhǎng)5.9 km)、鮮水河庫(kù)區(qū)的復(fù)建縣道XV02線(全長(zhǎng)114.5 km)。本文涉及的哈格達(dá)溝特大橋工程位于縣道XV02線，距離兩河口水電站壩址約63 km。

哈格達(dá)溝特大橋?yàn)?×10 m連續(xù)板+(110+200+110)m連續(xù)剛構(gòu)+2×30 m T梁橋，全長(zhǎng)507.52 m；橋面寬度為凈-8.0 m(行車(chē)道)+2×0.5 m(防撞欄桿)；主跨下部為矩形雙柱墩，嵌巖樁基承臺(tái)；左右岸引橋下部為圓形雙柱式樁柱墩，嵌巖樁基；橋梁位于公路直線段，橋面設(shè)計(jì)標(biāo)高2 891.03～2 896.10 m，橋面縱坡1.0%，設(shè)計(jì)洪水頻率1/100，設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級(jí)。哈格達(dá)溝特大橋位于鮮水河支流哈格達(dá)溝口跨越哈格達(dá)溝，橋址區(qū)河谷深切，地勢(shì)陡峭，兩岸斜坡局部覆蓋薄層殘坡積碎石土，大部基巖岀露，巖體風(fēng)化卸荷較強(qiáng)烈，表層巖體較破碎，無(wú)淺埋的全新活動(dòng)斷裂及發(fā)震斷裂通過(guò)，無(wú)自失穩(wěn)條件，無(wú)影響工程穩(wěn)定性的控制性不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2 地質(zhì)條件排查

哈格達(dá)溝特大橋橋位右岸基本為基巖岸坡，局部表層覆蓋坡積含碎石粉土，出露基巖巖性為薄層-中厚層狀絹云母板巖，巖層產(chǎn)狀為240°～250°∠30°～35°(傾南西)，巖層走向與哈格達(dá)溝大角度相交，岸坡相對(duì)哈格達(dá)溝總體屬斜向坡，巖層順傾向鮮水河下游及哈格達(dá)溝側(cè)。受構(gòu)造影響兩岸巖層有明顯揉皺現(xiàn)象，巖層產(chǎn)狀存在一定變化。岸坡受卸荷裂隙及順層結(jié)構(gòu)面影響，表層存在蠕滑變形跡象，鉆孔巖芯揭示局部巖體破碎，在高程2 837 m鉆孔破碎帶分布范圍較長(zhǎng)，深度較深，破碎帶主要為巖塊巖屑型，局部夾泥。

2.1 橋基地質(zhì)條件

橋梁右岸墩臺(tái)均采用樁基礎(chǔ)，樁基為嵌巖樁，基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化板巖，屬較硬巖，橋基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。3號(hào)主墩樁長(zhǎng)為44 m，為9根直徑2.2 m群樁基礎(chǔ)，主墩樁基開(kāi)挖表層巖體較破碎，下部中風(fēng)化-微風(fēng)化巖體較完整，層間結(jié)合較好。鉆孔未揭示有層間破碎帶及卸荷張開(kāi)裂隙。4號(hào)交界墩樁長(zhǎng)30 m，為4根直徑1.8 m群樁基礎(chǔ)，4號(hào)交界墩開(kāi)挖至26～29 m時(shí)(典型照片見(jiàn)圖1)，4根樁基均揭示有卸荷張開(kāi)裂隙，裂隙1產(chǎn)狀：180°∠65°，跡長(zhǎng)1～3 m，張開(kāi)5～10 cm；裂隙2產(chǎn)狀：220°∠70°，跡長(zhǎng)2～4 m，張開(kāi)10～15 cm，裂隙局部充填巖屑夾泥。

圖1 4-4號(hào)樁基巖體(26～29m)Fig.1 The bedrock of No.4-4 pile at 26 ～ 29 m depth

2.2 橋基地質(zhì)復(fù)核

從哈格達(dá)溝特大橋右岸開(kāi)挖坡面揭露圍巖情況看，橋位位于三面臨空的山脊部位(見(jiàn)圖2)，巖層產(chǎn)狀N10°～30°W/SW∠20°～30°，傾向與山脊方向基本一致，橋臺(tái)臨空部位可見(jiàn)沿層面向哈格達(dá)溝蠕變跡象，巖體后緣見(jiàn)斷續(xù)拉裂縫。電站蓄水前，為進(jìn)一步查明該部位蠕變深度及范圍，共布置了6個(gè)鉆孔(見(jiàn)圖3)并進(jìn)行了孔內(nèi)電視成像及聲波檢測(cè)等相關(guān)物探檢測(cè)[6-7]?？辈旖沂镜闹饕涣嫉貙忧闆r如下：SZK01鉆孔在17.4～19.6，36.6～38.8，48.3～49.5 m范圍存在軟弱結(jié)構(gòu)面；SZK02鉆孔在15.0～16.0，25.3～25.6 m范圍存在軟弱結(jié)構(gòu)面；SZK03鉆孔在13.4～17.3，21.2～21.5，24～24.4，33～37 m范圍內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)面；SZK04鉆孔在8.6～10.1，20.0～20.4 m范圍內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)面；SZK05鉆孔在5.0～6.4，30～32.2，40.0～41.0，48.8～52.8 m存在軟弱結(jié)構(gòu)面(見(jiàn)圖4)；SZK06鉆孔在11.2～12.6，26.6～27.2 m范圍內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)面。軟弱結(jié)構(gòu)面以巖塊巖屑型為主，局部夾泥、銹染較嚴(yán)重。

圖2 橋頭部位蠕變Fig.2 Creep at bridge head

圖3 大橋右岸邊坡鉆孔布置Fig.3 Drilling boreholes at right bank slope of bridge

圖4 SZK05鉆孔48.8～52.8 m破碎帶Fig.4 The broken zone of boreholes SZK05 at the depth of 48.8～52.8 m

結(jié)合復(fù)核鉆孔勘察成果對(duì)地質(zhì)剖面進(jìn)行了復(fù)核。橋梁3號(hào)主墩和4號(hào)交界墩樁基終孔高程進(jìn)入中風(fēng)化-弱風(fēng)化巖體均大于20 m，當(dāng)前基礎(chǔ)處于穩(wěn)定狀態(tài)。主墩樁基僅在樁深10 m和20 m存在弱結(jié)構(gòu)面，終孔高程以下無(wú)控制性軟弱結(jié)構(gòu)面，在庫(kù)水位漲落過(guò)程中樁基可能承受沿結(jié)構(gòu)面的剪切作用。4號(hào)交界墩樁基終孔高度以下仍存在3層軟弱結(jié)構(gòu)面，在庫(kù)水位漲落過(guò)程中存在沿深部滑面整體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

3 穩(wěn)定性復(fù)核分析

3.1 定性分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地表調(diào)查及鉆孔揭示巖體地質(zhì)條件，初步分析認(rèn)為哈格達(dá)溝特大橋右岸淺表部巖體沿軟弱破碎層面往鮮水河臨空方向存在蠕變現(xiàn)象(見(jiàn)圖5)。蓄水后，淺表部破碎巖體在庫(kù)水反復(fù)升降浸泡軟化及消落作用下，巖體力學(xué)性能降低，存在變形失穩(wěn)的可能。從鉆孔揭露的地質(zhì)情況看，可選擇兩個(gè)典型剖面進(jìn)行岸坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，層間底滑面按破碎帶貫通考慮，其中A-A′剖面為沿層面順傾向鮮水河剖面，主要有以下3種滑動(dòng)模式(見(jiàn)圖6)：模式1為底滑面分別穿過(guò)SZK05鉆孔5.0～6.4 m破碎帶、SZK01鉆孔17.4～19.6 m破碎帶、SZK02鉆孔15.0～16.0 m破碎帶，底滑面傾角按巖層面傾角30°考慮，前緣剪出口按巖體抗剪段強(qiáng)度搜索得到最不利位置。模式2為底滑面分別穿過(guò)SZK06鉆孔26.6～27.2 m破碎帶、SZK02鉆孔25.3～25.6 m破碎帶，底滑面傾角按巖層面傾角30°考慮，前緣剪出口按巖體抗剪段強(qiáng)度搜索得到最不利位置。模式3為底滑面穿過(guò)SZK01鉆孔36.6～38.8 m破碎帶，底滑面傾角按巖層面傾角30°考慮，前緣剪出口按巖體抗剪斷強(qiáng)度搜索得到最不利位置。A-A′剖面顯示深部軟弱結(jié)構(gòu)面沿巖層面深入河床，在坡腳剪斷巖體形成剪出口條件的可能性較小。

圖5 蠕滑變形范圍Fig.5 Creep deformation range

圖6 A-A′剖面滑動(dòng)模式Fig.6 Sliding mode of A-A′ section

B-B′剖面為垂直等高線傾向哈格達(dá)溝剖面，主要有以下4種滑動(dòng)模式(見(jiàn)圖7)：模式1為底滑面分別穿過(guò)SZK05鉆孔5.0～6.4 m破碎帶、SZK03鉆孔10.4～17.3 m破碎帶，滑面前緣為高程2 795 m處。模式2為底滑面分別穿過(guò)SZK05鉆孔30～32.2 m破碎帶、SZK03鉆孔24～24.4 m破碎帶，底滑面傾角按層面視傾角22.5° 考慮，后緣為高程2 910 m處，后緣破裂角按卸荷裂隙傾角65°考慮。模式3為底滑面分別穿過(guò)SZK05鉆孔40.0～41.0 m破碎帶、SZK03鉆孔33～37 m破碎帶，底滑面傾角按層面視傾角22.5°考慮，后緣為高程2 910 m處，后緣破裂角按卸荷裂隙傾角65°考慮。模式4為底滑面分別穿過(guò)SZK05鉆孔48.8～52.8 m破碎帶、SZK04鉆孔20.0～20.4 m破碎帶，底滑面傾角按層面視傾角22.5°考慮，后緣為高程2 910 m處，后緣破裂角按卸荷裂隙傾角65°考慮。B-B′剖面顯示淺表部巖體破碎，風(fēng)化卸荷較強(qiáng)烈，往哈格達(dá)溝臨空方向存在卸荷松動(dòng)變形跡象。

圖7 B-B′剖面滑動(dòng)模式Fig.7 Sliding mode of B-B′ section

3.2 定量分析

水庫(kù)建成后庫(kù)岸地下水位抬升會(huì)顯著改變巖土體內(nèi)部水文地質(zhì)條件，同時(shí)庫(kù)水位漲落帶來(lái)的巖體參數(shù)弱化、反向滲流作用也惡化了庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定條件?；诂F(xiàn)行規(guī)范中尚缺乏針對(duì)水庫(kù)中建設(shè)橋梁受庫(kù)水影響的具體要求的情況，本文在研究比選DL/T5353 2006《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》、JTG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》、JTG/T 3334 2018《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》及JTG B02-2013《公路工程抗震規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，綜合考慮哈橋達(dá)溝特大橋失穩(wěn)后影響對(duì)象及后果，并結(jié)合水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度情況，確定了庫(kù)區(qū)橋梁邊坡穩(wěn)定計(jì)算工況及相應(yīng)的安全系數(shù)如表1所列。

表1 庫(kù)區(qū)橋梁邊坡穩(wěn)定性計(jì)算工況及安全系數(shù)Tab.1 Calculation condition and safety factor of reservoir bridge slope stability

采用剛體極限平衡法中的摩根斯坦—普萊斯法進(jìn)行A-A′剖面、B-B′剖面穩(wěn)定計(jì)算。根據(jù)該電站大壩工程中巖體邊坡巖層結(jié)構(gòu)面特征，結(jié)合程度等進(jìn)行工程類(lèi)比，參考相關(guān)規(guī)范及類(lèi)似試驗(yàn)成果，按蓄水后黏聚力折減系取0.80、內(nèi)摩擦角減小2°考慮巖體參數(shù)弱化效應(yīng)，穩(wěn)定計(jì)算采用的參數(shù)見(jiàn)表2，水平地震動(dòng)加速度按GB18306-2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》取0.20g。

表2 巖土體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)取值Tab.2 Calculation parameters of physical mechanics of rock and soil

計(jì)算結(jié)果表明：水庫(kù)蓄水前后A-A′剖面滑動(dòng)模式1計(jì)算結(jié)果均不滿足要求，蓄水后在持久工況及短暫工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，偶然工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)；蓄水后滑動(dòng)模式2在持久工況、偶然工況下的計(jì)算結(jié)果不滿足要求，其余計(jì)算結(jié)果均滿足要求。水庫(kù)蓄水前后B-B′剖面滑動(dòng)模式1計(jì)算結(jié)果均不滿足要求，蓄水后在持久工況及短暫工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，偶然工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，蓄水后滑動(dòng)模式2，3，4計(jì)算結(jié)果均滿足要求(見(jiàn)表3)。

表3 穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算成果Tab.3 Calculation results of stability coefficient

4 治理措施

4.1 治理原則

根據(jù)定性分析與定量計(jì)算成果，右岸岸坡蓄水后橋位區(qū)淺層卸荷松動(dòng)巖體可能產(chǎn)生變形失穩(wěn)，為了預(yù)防其對(duì)橋梁墩臺(tái)的影響，需要對(duì)橋位區(qū)岸坡進(jìn)行預(yù)加固處理，處理原則如下：

(1) 以“安全可靠，施工可行，經(jīng)濟(jì)合理，工期不影響蓄水”為基本原則，預(yù)加固處理在庫(kù)水位蓄至2 785.00 m 前完成。

(2) 基于目前所分析的滑移變形模式，結(jié)合庫(kù)區(qū)蓄水后順層巖質(zhì)岸坡的變形破壞特征，原則上重點(diǎn)保護(hù)橋梁樁基穩(wěn)定性，兼顧坡面大變形牽引導(dǎo)致樁基大面積變形破壞，擬采用抗滑樁、框格梁、錨索、注漿加固等工程措施對(duì)岸坡進(jìn)行綜合治理，并結(jié)合破壞趨勢(shì)進(jìn)行必要延伸加固處理。

(3) 結(jié)合專(zhuān)家咨詢意見(jiàn)，為預(yù)防蓄水岸坡變形對(duì)位于蠕變區(qū)范圍內(nèi)4號(hào)交界墩的影響，重點(diǎn)對(duì)4號(hào)交界墩區(qū)域進(jìn)行加固處理，同時(shí)考慮到坡體變形破壞可能對(duì)3號(hào)主墩造成影響，對(duì)變形區(qū)前緣進(jìn)行了加固以保護(hù)3號(hào)主墩。

4.2 治理措施

(1) 在3號(hào)主墩上方坡體(高程2 829 m)設(shè)置單排6根抗滑樁對(duì)岸坡前緣進(jìn)行加固，加固范圍為橋軸線兩側(cè)各10 m，樁長(zhǎng)35 m，樁徑2 m，樁中心間距4 m，在樁頂設(shè)置冠梁(H=1.5 m)連接形成整體，在樁頂設(shè)置單根1 500 kN錨索(L=60 m)。

(2) 在4號(hào)交界墩外側(cè)(高程2 860 m)設(shè)置單排17根抗滑樁對(duì)進(jìn)行加固，樁長(zhǎng)55 m，樁徑2 m，樁中心間距5 m，在樁頂設(shè)置冠梁(H=1.5 m)連接形成整體，在樁頂設(shè)置單根1 500 kN錨索(L=60 m)。其中，為A-A′剖面?zhèn)确€(wěn)定，在4號(hào)交界墩側(cè)增加兩根抗滑樁，并對(duì)坡面進(jìn)行延伸加固處理(見(jiàn)圖8)。

圖8 加固處理平面Fig.8 Plane map of reinforcement treatment

(3) 對(duì)4號(hào)交界墩外側(cè)布置兩排注漿孔進(jìn)行固結(jié)灌漿，注漿孔間距2.5 m，排距1.5 m，交錯(cuò)布置，長(zhǎng)度L=60 m，注漿高程范圍為高程2 805～2 840 m，注漿寬度為4號(hào)墩基礎(chǔ)范圍20 m×20 m，結(jié)合注漿孔在孔內(nèi)插入3φ28錨筋束(L=36 m)。

(4) 在4號(hào)墩內(nèi)邊坡設(shè)置3排7列錨索框格梁，錨索設(shè)計(jì)張拉力為1 500 kN，錨索長(zhǎng)度L=60 m，間排距為5 m×5 m，呈矩形布置，支護(hù)范圍為橋軸線兩側(cè)各15 m(見(jiàn)圖9)。

圖9 加固方案剖面Fig.9 Sectional drawing of reinforcement solution

(5) 分別在3號(hào)、4號(hào)、9號(hào)、14號(hào)、19號(hào)抗滑樁樁頂錨索錨頭部位安裝測(cè)力計(jì)，4號(hào)墩內(nèi)邊坡錨索框格梁支護(hù)中選2根錨索安裝測(cè)力計(jì)。

4.3 治理效果

針對(duì)水庫(kù)蓄水后持久、短暫、偶然3種工況，就哈格達(dá)溝特大橋右岸岸坡經(jīng)上述加固處理措施加固處理后的穩(wěn)定性進(jìn)行了復(fù)核。結(jié)果表明，邊坡經(jīng)加固處理后處于穩(wěn)定狀態(tài)(見(jiàn)表4)。

表4 加固處理后的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算成果Tab.4 Calculation results of stability coefficient after reinforcement

在治理過(guò)程中哈格達(dá)溝大橋庫(kù)岸邊坡埋設(shè)了表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)8個(gè)(5個(gè)位于治理保護(hù)區(qū)域外、3個(gè)位于治理保護(hù)區(qū)域內(nèi))、在3號(hào)主墩上方坡體(高程2 829 m)平臺(tái)抗滑樁頂端錨索設(shè)置錨索測(cè)力計(jì)2支，目前觀測(cè)頻次為1次/周。兩河口水電站二期蓄水以來(lái)，庫(kù)區(qū)水位最高至2 791.09 m，對(duì)應(yīng)橋位水位抬升了96 m，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示治理保護(hù)區(qū)域內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)三向位移值均在2倍位移量中誤差以內(nèi)，變形不明顯；錨索測(cè)力計(jì)測(cè)得錨固力損失均為4.4%，治理區(qū)域邊坡無(wú)明顯變形。

5 結(jié) 語(yǔ)

大型水電工程庫(kù)岸穩(wěn)定受庫(kù)水位變化影響大、不確定性高，現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范中對(duì)庫(kù)區(qū)內(nèi)道路橋梁邊坡穩(wěn)定計(jì)算工況、計(jì)算參數(shù)和安全系數(shù)的選取針對(duì)性尚不成熟，庫(kù)岸再造及庫(kù)區(qū)重要交通設(shè)施穩(wěn)定安全仍是水電站蓄水期、運(yùn)行期長(zhǎng)久研究的課題。本文結(jié)合兩河口庫(kù)區(qū)哈格達(dá)溝特大橋邊坡穩(wěn)定性復(fù)核與加固處理，探索提出了一套蓄水前“超前專(zhuān)項(xiàng)地質(zhì)勘察復(fù)核”“綜合水電與交通規(guī)范要求對(duì)庫(kù)區(qū)橋梁邊坡開(kāi)展穩(wěn)定計(jì)算”以及“抗滑樁支護(hù)、灌漿加強(qiáng)與監(jiān)測(cè)反饋相相結(jié)合”的庫(kù)區(qū)重要設(shè)施邊坡勘察、設(shè)計(jì)與施工處理體系。經(jīng)過(guò)處理后的哈格達(dá)溝特大橋已經(jīng)受住了近100 m庫(kù)水位抬升考驗(yàn)，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計(jì)要求，邊坡無(wú)明顯變形，保障了復(fù)建道路在蓄水期、水庫(kù)運(yùn)行期安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文庫(kù)區(qū)特大橋梁岸坡處理案例可為同類(lèi)工程處理提供借鑒。