長(zhǎng)龍山抽水蓄能電站下水庫(kù)面板堆石壩開挖支護(hù)穩(wěn)定性分析

李宏斌

(上海東華工程咨詢有限公司,上海,200434)

0 引言

土石壩邊坡穩(wěn)定性會(huì)影響大壩整體安全運(yùn)行,土石壩設(shè)計(jì)重要是邊坡穩(wěn)定性分析[1]。在當(dāng)前工程設(shè)計(jì)中,常用穩(wěn)定性分析以安全系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)[2]。在分析安全系數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響時(shí),參數(shù)土樣黏聚力、內(nèi)摩擦角、邊坡坡角等取值,都會(huì)影響結(jié)果[3]。我國(guó)在修建電站工程時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)水庫(kù)面板堆石壩開挖,在石壩開挖邊坡坡率較大時(shí),須采取一定邊坡加固措施確保石壩邊坡整體穩(wěn)定性,預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方式屬于一種常用支護(hù)手段,在工程中應(yīng)用廣泛[2,4-5]。本文以長(zhǎng)龍山抽水蓄能電站為研究對(duì)象,對(duì)其下水庫(kù)面板堆石壩開挖支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

1 工程概況

長(zhǎng)龍山抽水蓄能電站位于浙江安吉,其上水庫(kù)主壩的表面由鋼筋混凝土堆砌,軸線中間是直線,兩岸是折線,石壩最高點(diǎn)達(dá)980.2m,最大的石壩有100.2m高,石壩上線距離385.49m。副壩與主壩上游壩坡比皆是1∶1.4;將3m寬的馬道放在下游坡高為30m、坡度1∶135的地方,所有下游平均坡度比是1∶1.4。副壩和主壩的建筑重量共計(jì)為354萬m2。有一個(gè)物體用來壓在主壩的后方,沒用的施工材料和廠房廢物都屯放在這里,此處最多可放置面積達(dá)118萬m2。壓坡體平臺(tái)高程為930.2m,寬40m,壓坡坡度1∶2.0～1∶2.25,每隔25.0m設(shè)置一馬道,與公路相連的是寬度40m的下庫(kù),剩余馬道寬度是5m。壓坡體底部設(shè)有的排水帶厚6.0m,上游和壩基排水帶連接。下庫(kù)大壩基礎(chǔ)開挖支護(hù)施工項(xiàng)目包括:趾板開挖支護(hù)、壩基和壩肩清理建基面及處理。壩基趾板開挖高程為153.5m～245.5m,保護(hù)層開挖工作面狹小且建基面開挖成型質(zhì)量要求高,程序復(fù)雜。

2 主要施工技術(shù)及開挖施工

2.1 主要施工技術(shù)

在壩體輪廓范圍內(nèi),需清除表面覆蓋層、全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化層的松散巖體,以基巖作為壩體的基礎(chǔ),壩體兩岸河床部位清理后的壩基面,需得到監(jiān)理人的認(rèn)可;對(duì)壩體區(qū)的場(chǎng)地清理,應(yīng)延伸到壩基開挖圖所示的最大開挖邊界外側(cè)5m的范圍;壩體基礎(chǔ)面上,要求清除任何突巖,兩岸坡宜開挖成平順的穩(wěn)定邊坡,避免出現(xiàn)臺(tái)階狀,不能倒坡,以免妨礙堆石的壓實(shí);基礎(chǔ)面不允許欠挖,水平建基面的超挖不應(yīng)大于20cm,開挖面應(yīng)嚴(yán)格控制平整度,建基面的不平整度應(yīng)控制在15cm內(nèi);趾板開挖預(yù)留保護(hù)層厚度3m;緊靠建基面采用手風(fēng)鉆鉆進(jìn),淺孔爆破;壩基范圍內(nèi)的斷層、破碎帶基軟弱夾層必須進(jìn)行處理,壩軸線以下的斷層破碎帶直接鋪設(shè)反濾料、過渡料保護(hù)處理;趾板下游30m范圍內(nèi)的探坑、探槽采用C15混凝土回填、其余部位的探坑、探槽采用M7.5漿砌石回填;壩基范圍內(nèi)的地質(zhì)勘探鉆孔均采用M10水泥砂漿全孔回填處理。圖1為壩趾板展開示意。

圖1 壩趾板展開示意

2.2 開挖施工

2.2.1 開挖分區(qū)、分層及施工程序

大壩基礎(chǔ)開挖按左右岸方向開挖可分為河床區(qū)、岸坡區(qū);按上下游方向可分為趾板區(qū)和壩基區(qū)。板190m高程以下為河床段,190m高程以上為岸坡段,該部位土石方開挖分層高度,覆蓋層一般為3m～5m,一般巖石開挖梯段高度不大于10m。為確保河床段趾板開挖及澆筑時(shí)和岸坡趾板開挖不發(fā)生上下交叉作業(yè)干擾,趾板保護(hù)層開挖超前壩體填筑15m以上光爆開挖,同時(shí)盡量在河床趾板澆筑前解除岸坡保護(hù)層開挖爆破對(duì)其影響。

2.2.2 開挖方法

土方開挖采用液壓反鏟按開口線沿馬道方向形成邊坡開口,自上而下分層開挖,分層厚度3m～5m,采用1.2m3～1.6m3反鏟削坡逐層甩渣,開挖工作面大于10m后,滿足裝車條件時(shí),采用165kW推土機(jī)集料,3.0m3裝載機(jī)或1.6m3反鏟挖裝,20t自卸汽車運(yùn)往表土存料場(chǎng)堆存,棄料運(yùn)往赤塢棄渣場(chǎng)。在挖掘土方邊坡的過程中要符合坡面的標(biāo)準(zhǔn)要求,按照要求留出削坡余量的厚度在0.2m到0.3m之間,然后工人進(jìn)行修補(bǔ)完善工作,在開始施工后,每隔3m高差,測(cè)量一次削坡情況。在進(jìn)行石方開挖時(shí),趾板下游主要為覆蓋層開挖,石方開挖主要集中在趾板范圍,包括一般石方明挖、基礎(chǔ)保護(hù)層開挖等。趾板范圍每層開挖分三序進(jìn)行,首先進(jìn)行外側(cè)覆蓋層開挖,然后進(jìn)行趾板部位石方開挖,基礎(chǔ)預(yù)留3.0m厚的保護(hù)層,最后進(jìn)行保護(hù)層開挖。石方開挖從上至下分層進(jìn)行,分層高度不大于10m,由于壩基石方開挖工程量不大,施工場(chǎng)地狹窄,梯段爆破以QZJ-100B支架式鉆機(jī)和手風(fēng)鉆造孔為主,石方開挖集中部位采用D7液壓型高壓潛孔鉆機(jī)造孔。開挖石渣采用1.2m3～1.6m3反鏟裝20t自卸汽車運(yùn)往渣場(chǎng)。在進(jìn)行石方槽挖時(shí),槽挖按2m～3m分層,采用手風(fēng)鉆鉆孔,周邊光面爆破成型,底部水平基緩坡段槽挖采取兩側(cè)、底板光爆成型的施工方法,兩側(cè)預(yù)裂孔及底板光爆、垂直主爆孔采用手風(fēng)鉆鉆孔。

2.2.3 土石方明挖施工工藝

在進(jìn)行趾板開挖時(shí),大壩兩岸趾板基礎(chǔ)的開挖從兩岸往河床進(jìn)行開挖,首先按設(shè)計(jì)線剝離表層覆蓋層及全風(fēng)化層,將已揭露的地形地質(zhì)資源提交監(jiān)理人和設(shè)計(jì)單位以便趾板二次定線,大壩趾板每層開挖高度一般為10m左右,具體按現(xiàn)場(chǎng)施工道路能進(jìn)入作業(yè)面的條件確定。上層邊坡支護(hù)施工腳手架搭設(shè)之前需完成下層邊坡的結(jié)構(gòu)預(yù)裂和部分爆破,以便上層進(jìn)行支護(hù)施工時(shí),采取有效的隔離措施后下層擇機(jī)進(jìn)行部分爆破及出渣施工。趾板部位石方開挖邊坡采用預(yù)裂爆破,趾板建基面預(yù)留3m保護(hù)層,采用手風(fēng)鉆鉆孔裝藥,淺孔密布方式爆破。在進(jìn)行面坑及槽挖掘工程后,通過手風(fēng)鉆將挖掘槽和基地面坑打孔,在槽坑深度不超過3m的周邊邊坡進(jìn)行爆破以到達(dá)結(jié)構(gòu)層面的要求,深度大于3m的槽和坑,在其底板設(shè)置一保護(hù)面,厚度在1m到2m之間,使用小藥卷和小梯段方式組成V形對(duì)槽坑的深部進(jìn)行爆破再進(jìn)行挖掘。坑、槽兩側(cè)邊坡預(yù)裂爆破同時(shí)起爆時(shí),一側(cè)的預(yù)裂爆破至少滯后對(duì)側(cè)100ms,爆破石渣采用1.0m3液壓反鏟挖裝。土石方開挖施工工藝流程如圖2所示。

圖2 土石方開挖施工工藝流程

以基準(zhǔn)點(diǎn)作為挖掘的依據(jù),并準(zhǔn)確測(cè)量,在周圍布置控制線路且阻斷外網(wǎng)的切入,按照控制網(wǎng)線的布局,準(zhǔn)確測(cè)量軸線的位置和長(zhǎng)度,再以此為基礎(chǔ)對(duì)每個(gè)軸線進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)區(qū)域的邊界樁以完善的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和平面合理放置,在區(qū)域的周圍布置控制樁,兩個(gè)樁之間的距離為30m,走向?yàn)榭v向或橫向,將混凝土澆灌在控制樁上,使其穩(wěn)固于地面以下20cm,控制地面區(qū)各區(qū)邊線和高程。土方開挖采用1.2m3～1.6m3反鏟開挖,165kW的推土機(jī)收集廢物殘?jiān)?邊坡的殘缺由技術(shù)工人來修葺。土石方的挖掘根據(jù)設(shè)計(jì)方案自上而下進(jìn)行,上下層距離3m～5m。

2.3 支護(hù)施工程序及方法

2.3.1 支護(hù)施工程序

邊坡進(jìn)行挖掘的過程中噴錨工作也隨之展開,挖掘的邊坡初顯形態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后以橫向交錯(cuò)的方式開展噴錨和錨桿工程。理論上講挖掘和支撐防護(hù)工程的高度小于或等于邊坡。從勘察的資料中觀察到環(huán)境比較差的地勢(shì)表現(xiàn)出的固定性差的邊坡,根據(jù)情況及時(shí)進(jìn)行錨桿加固。地勢(shì)環(huán)境非常不利的情況下,前一個(gè)表層支持防護(hù)施工結(jié)束后絕對(duì)不可對(duì)下一層爆破或挖掘。支護(hù)施工工藝流程如圖3所示。

圖3 支護(hù)施工工藝流程

2.3.2 普通砂漿錨桿施工

本工程支護(hù)主要項(xiàng)目包括普通砂漿錨桿、自進(jìn)式錨桿、錨筋束等。其中普通砂漿錨桿按桿徑分φ25mm和φ32mm,長(zhǎng)度為4.5m～6.0m。

圖4為施工工藝流程。在進(jìn)行施工時(shí),先在支撐的位置放置全站儀,按照?qǐng)D紙中的間隔距離測(cè)量并標(biāo)記出鉆孔的位置,鉆孔使用的工具是手風(fēng)鉆和多臂鉆,打完孔后吹走孔道的浮塵和碎末,然后用水沖洗,符合要求后,暫時(shí)將孔堵住。使用砂輪切割機(jī)進(jìn)行錨桿切割,處理完畢的錨桿體轉(zhuǎn)運(yùn)到安裝地點(diǎn),技術(shù)人員將錨桿插入洞口。錨桿順利完成后,使用自進(jìn)式錨桿把漿液輸入達(dá)到凝固作用,注入漿液的過程中,漿液開始回流后堵住排氣管,漿液持續(xù)輸入直至壓力值達(dá)到設(shè)計(jì)要求,完成上述操作后將管道口封死。大壩基礎(chǔ)噴射出的有網(wǎng)噴混凝土和素噴混凝土,選取凝固系數(shù)為C25的混凝土,噴射的厚度在10cm～15cm,由于網(wǎng)噴混凝土噴射過程中散布面積較大,因此需提前準(zhǔn)備鋼筋網(wǎng)攔截,將施工場(chǎng)地加工后的剩余鋼筋材料轉(zhuǎn)運(yùn)到加工廠編制成鋼筋網(wǎng)。使用濕噴混凝土的方式降低對(duì)環(huán)境的污染程度。

（2）PoS：是當(dāng)前數(shù)字貨幣的典型共識(shí)算法之一，在最早的點(diǎn)點(diǎn)幣版本中，挖礦難度同代幣數(shù)量與持有時(shí)間的乘積成反比。挖礦公式為：H(H(Bprev),A,t)≤balance(A)m×Age，其中 H 為某一哈希函數(shù)，H(Bprev)為對(duì)上一塊進(jìn)行哈希運(yùn)算，t為時(shí)間戳，balance(A)為余額，m為事先定義值，Age為持幣時(shí)間。目前改進(jìn)方案中，權(quán)益與Age不再線性相關(guān)。由于不再花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行運(yùn)算，PoS速度較快，效率較PoW高。

圖4 施工工藝流程

圖5為噴射混凝土施工工藝流程。在現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)噴射混凝土施工前,用清水洗滌噴射物體表面,由于泥化巖面接觸水后沒有那么干燥,所以選擇壓力風(fēng)清除其表面廢料,被噴面滲水的地方,可以用截水群圈將滲出的水排出。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來確定混凝土和水噴射的比例,攪拌混合材料的過程中,每一個(gè)材料要嚴(yán)格按照噴射比例配置。掛網(wǎng)錨桿間距200cm×200cm,等到錨桿工作完成砂漿凝固度符合要求后,使用鋼筋網(wǎng)穩(wěn)固錨桿的位置,用預(yù)制的混凝土塊來支撐巖面和鋼筋網(wǎng)穩(wěn)固,保障噴射出的混凝土能被攔截在鋼筋網(wǎng)內(nèi),鋼筋網(wǎng)厚度應(yīng)大于50mm。使用電焊固定錨桿端頭和鋼筋網(wǎng),噴射混凝土必須填滿鋼筋網(wǎng)與巖石間空隙,網(wǎng)面的混凝土保護(hù)厚度不小于5cm。噴射混凝土終凝2h后,及時(shí)進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7d。

圖5 噴射混凝土施工工藝流程

3 基于安全系數(shù)的水庫(kù)面板堆石壩開挖支護(hù)穩(wěn)定性分析

3.1 安全系數(shù)定義

使石壩進(jìn)入極限狀態(tài)有增量加載、強(qiáng)度折減兩種方法。坡角增大法是保持內(nèi)摩擦角φ、粘聚力c不變,通過將邊坡坡角α逐步增加,從而使土體達(dá)到臨界狀態(tài),直至邊坡為破壞狀態(tài)。安全系數(shù)定義為滑動(dòng)面抗滑力(矩)和下滑力(矩)的比值,見下式:

式中,l為單個(gè)土條滑動(dòng)面長(zhǎng)度;c為粘聚力;m為土條塊質(zhì)量;α為邊坡坡角;φ為土體內(nèi)摩擦角;g為重力加速度。

3.2 參數(shù)改變對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響

不同參數(shù)對(duì)邊坡支護(hù)具有不同的影響,分析錨桿傾角、錨桿間距、土體黏聚力、邊坡平臺(tái)寬度、土體內(nèi)摩擦角變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響。

圖6為錨桿間距對(duì)安全系數(shù)的影響。由圖6知,隨著錨桿間距增大,安全系數(shù)逐漸減小。錨桿間距取1.55m、2.05m、2.55m、3.05m、3.55m時(shí),邊坡安全系數(shù)分別為1.350、1.335、1.325、1.225、1.150。與錨桿間距為3.55m時(shí)相比,在錨桿間距為3.05m、2.55m、2.05m、1.55m時(shí),邊坡安全系數(shù)分別提高了6.52%、15.22%、16.09%、17.39%。這說明在錨桿間距小于2.5m時(shí),隨著錨桿間距的減小,邊坡安全系數(shù)增速逐漸減小。

圖6 錨桿間距對(duì)安全系數(shù)的影響

圖7為內(nèi)摩擦角對(duì)安全系數(shù)的影響。由圖7知,隨著內(nèi)摩擦角增大,邊坡安全系數(shù)先增大后減小。φ取22°、27°、32°、37°、42°時(shí),邊坡安全系數(shù)分別0.900、1.050、1.300、1.450、1.700。與φ取22°相比,在φ取27°、32°、37°、42°時(shí),邊坡安全系數(shù)分別提高了16.67%、44.44%、55.56%、88.89%。

圖7 內(nèi)摩擦角對(duì)安全系數(shù)的影響

圖8為錨桿傾角對(duì)安全系數(shù)的影響。由圖8知,隨著φ的增大,邊坡安全系數(shù)逐漸減小。錨桿傾角取12°、17°、22°、27°、32°時(shí),安全系數(shù)分別1.270、1.300、1.320、1.330、1.320,與錨桿傾角取12°相比,在錨桿傾角取17°、22°、27°、32°時(shí),邊坡安全系數(shù)分別提高了2.36%、3.94%、4.72%、3.94%。這表明邊坡安全系數(shù)隨著內(nèi)摩擦角φ增大而增大,當(dāng)錨桿傾角取27°時(shí),邊坡安全系數(shù)最大。

圖9為邊坡平臺(tái)寬度對(duì)安全系數(shù)的影響。由圖9知,隨著邊坡平臺(tái)寬度的增大,邊坡安全系數(shù)逐漸增大。在邊坡平臺(tái)寬度取1.5m、2.5m、3.5m、4.5m、5.5m時(shí),邊坡安全系數(shù)分別1.185、1.270、1.325、1.360、1.385。與邊坡平臺(tái)寬度取1.5m相比,在邊坡平臺(tái)寬度取2.5m、3.5m、4.5m、5.5m時(shí),邊坡安全系數(shù)分別提高了7.17%、11.81%、14.77%、16.88%。這說明邊坡安全系數(shù)隨著邊坡平臺(tái)寬度增大逐漸增大。邊坡平臺(tái)寬度越大,越有利于邊坡穩(wěn)定性。

圖9 邊坡平臺(tái)寬度對(duì)安全系數(shù)的影響

圖10為土體粘聚力對(duì)安全系數(shù)的影響。由圖10知,隨著土體粘聚力的增大,邊坡安全系數(shù)逐漸增大。在土體粘聚力取13kPa、18kPa、23kPa、28kPa、33kPa時(shí),邊坡安全系數(shù)分別為1.125、1.200、1.335、1.375、1.450。與土體粘聚力取13kPa相比,在土體粘聚力取18kPa、23kPa、28kPa、33kPa時(shí),邊坡安全系數(shù)分別提高了6.67%、18.67%、22.22%、28.89%。這表明隨著土體粘聚力增大,邊坡安全系數(shù)隨之增大。

圖10 土體粘聚力對(duì)安全系數(shù)的影響

4 結(jié)語(yǔ)

本文以長(zhǎng)龍山抽水蓄能電站為研究對(duì)象,對(duì)其下水庫(kù)面板堆石壩開挖支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,得出如下結(jié)論:

(1)工程支護(hù)主要項(xiàng)目包括普通砂漿錨桿、自進(jìn)式錨筋束、錨桿等,錨桿斷料使用砂輪切割機(jī),工廠處理過后的錨桿放置到安裝點(diǎn),錨桿施工完成后,利用自進(jìn)式注漿錨桿進(jìn)行固結(jié)灌漿。

(2)隨著錨桿間距的減小,石壩邊坡安全系數(shù)逐漸增大,當(dāng)兩個(gè)錨桿之間的距離不超過2.55m時(shí),石壩邊坡的危險(xiǎn)程度隨著錨桿距離的減少而增加。隨錨桿傾角的增大,石壩邊坡安全系數(shù)先增大后逐漸減小,在錨桿傾角為27°時(shí),達(dá)到最大。

(3)隨著石壩邊坡平臺(tái)寬度增大,石壩邊坡安全系數(shù)逐漸增大。石壩邊坡平臺(tái)寬度越大,越有利于石壩邊坡安全穩(wěn)定性,隨著土體粘聚力和內(nèi)摩擦角的增大,石壩邊坡安全系數(shù)隨之增大。