某水電站廠房邊坡治理設(shè)計(jì)

范 芹,潘志軍,章啟國(guó)

(1.浙江江能建設(shè)有限公司,浙江 杭州 310020;2.杭州市南排工程建設(shè)管理處,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

滑坡是指在一定的地形地質(zhì)條件下,由于在工程施工過程,忽視了地質(zhì)構(gòu)造和巖層結(jié)構(gòu)以及巖土性質(zhì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,護(hù)坡過程跟不上或措施不力而引起山坡不穩(wěn)定,土體或巖體在重力作用下,沿著一定作用面(帶)作整體的、緩慢的、間歇性的滑坡變形現(xiàn)象。它對(duì)山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)危害極大。隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展,邊坡滑移產(chǎn)生的問題越來越嚴(yán)重。為了有效地控制邊坡巖體滑移,減少由此而造成的損失,必須對(duì)邊坡滑移的成因、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及防治措施進(jìn)行深入的研究。

某水電站廠房邊坡位于云南牛欄江的右岸,該邊坡開挖高度較大,總開挖高度大于100 m。其中第1級(jí)廠房邊坡高約53m,開挖坡率約為1∶0.5,開挖邊坡長(zhǎng)度約120 m;廠房邊坡頂部為一寬度12～20 m的主變場(chǎng)平臺(tái),第2級(jí)主變場(chǎng)邊坡高約35 m,開挖坡率約為1∶0.75,開挖邊坡長(zhǎng)度約60m。邊坡巖體較破碎,且存在緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面,邊坡潛在安全穩(wěn)定問題。為保證發(fā)電廠房等建筑物在施工期間和水電站正常運(yùn)行后的安全,需要對(duì)廠房邊坡進(jìn)行加固治理。

2 地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

工程建設(shè)區(qū)內(nèi)地形條件復(fù)雜,岸坡陡峻,屬構(gòu)造侵蝕中山地貌。河谷兩岸地形不對(duì)稱,河谷左岸地形較陡,地形坡度大于60°,大多基巖裸露;右岸地形坡度稍緩,一般30～60°,自然地形呈臺(tái)階式,廠房及調(diào)壓井上方的自然地形均為陡崖。

2.2 地層巖性

廠房所在場(chǎng)地出露二迭系下統(tǒng)陽(yáng)新群(P1y)灰?guī)r,巖溶較發(fā)育,巖體呈強(qiáng)風(fēng)化到弱風(fēng)化,巖石節(jié)理發(fā)育。工程所在邊坡區(qū)的上部為厚層和塊層構(gòu)造灰?guī)r,而工程邊坡區(qū)段的原始地層為中厚層灰?guī)r。廠房所處部位的表層巖土為河流階地洪積堆積物,廠基置于弱風(fēng)化灰?guī)r上。由圖1可見,邊坡開挖形成3級(jí)平臺(tái),分別為1 082 m廠房平臺(tái)、1 135 m主變場(chǎng)平臺(tái)和1170m辦公區(qū)平臺(tái),各級(jí)平臺(tái)邊坡巖體的結(jié)構(gòu)特征和完整性有較大的差別。

1 170 m平臺(tái)后緣邊坡為自然邊坡陡壁,巖體結(jié)構(gòu)特征可明顯區(qū)分為上下2部分。上部巖體破碎,表現(xiàn)為碎塊石經(jīng)歷后期鈣質(zhì)膠結(jié),且有較大的溶洞和架空現(xiàn)象存在,巖體表現(xiàn)出明顯的經(jīng)歷塌滑破碎過程的痕跡;下部巖體結(jié)構(gòu)完整,呈厚層塊狀構(gòu)造。

1 135 m平臺(tái)上邊坡的巖體結(jié)構(gòu)劃分成上下2部分。上部邊坡巖體主要為碎塊石,是地質(zhì)歷史上崩塌和溶洞坍塌形成的堆積體,碎石土層厚5～10 m。邊坡下部巖體較破碎,表現(xiàn)出明顯的受崩滑體沖擊而形成密集縱張裂隙的特征和錯(cuò)動(dòng)破碎特征。

廠房開挖邊坡巖體完整性差,開挖坡面巖體破碎、裂隙發(fā)育。坡腳段巖體完整,完整巖體與破碎巖體的分界線為1個(gè)小斷層。斷層面以上坡體強(qiáng)烈破碎,斷層面以下則為完整巖體。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造與區(qū)域穩(wěn)定性

電站工程區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上位于南嶺東西向復(fù)雜構(gòu)造帶的西延部位及云南山字型構(gòu)造東翼。工程區(qū)處于東部搪房背斜與西部天生橋向斜之間,所要研究的廠房邊坡處于單斜構(gòu)造范圍內(nèi)。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》,該區(qū)地震峰值加速度為0.10 g,場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s,相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。

2.4 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)由于河道急劇下切,兩岸邊坡陡峻,植被稀少,水土流失嚴(yán)重。地表水系不發(fā)育,地下水類型主要為松散巖類孔隙水和巖溶裂隙水,接受大氣降水補(bǔ)給,地下水對(duì)混凝土無侵蝕性。

3 穩(wěn)定性分析

廠房邊坡在未進(jìn)行邊坡開挖前的自然斜坡是穩(wěn)定的,邊坡開挖后的變形破壞主要表現(xiàn)為坡面巖石塊體的局部塌落,未見反映邊坡整體變形破壞的形跡,邊坡仍具有一定的整體穩(wěn)定性。但開挖的廠房邊坡坡腳附近存在緩傾坡外的斷層,邊坡巖體完整性較差,故邊坡整體穩(wěn)定性的安全余度不高,必須進(jìn)行加固處理。

對(duì)于坡面巖體潛在的局部坍塌破壞問題,采用系統(tǒng)錨桿進(jìn)行全面加固,能夠防止邊坡坡面地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

3.1 計(jì)算模型

首先選取計(jì)算剖面,該剖面應(yīng)能夠反映邊坡潛在的破壞方式,并能代表邊坡的整體穩(wěn)定性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料,選擇典型剖面(見圖1)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面圖

從圖1可以看到,該計(jì)算剖面經(jīng)過潛在滑體分布的1 170m平臺(tái)的最后緣,代表的潛在滑體方量最大,對(duì)該剖面進(jìn)行加固設(shè)計(jì),確保加固后剖面潛在滑體的穩(wěn)定性,就能夠達(dá)到確保潛在滑坡體的整體穩(wěn)定性。在穩(wěn)定性分析計(jì)算中,分別計(jì)算邊坡開挖前后的穩(wěn)定性。

潛在滑坡底滑面依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查資料和勘探及施工資料綜合確定。潛在滑面的后緣是松散堆積土與完整巖體的接觸面,滑面在開挖坡面的出露位置是破碎巖體與完整巖體的分界線。

3.2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析

邊坡穩(wěn)定性分析的基本方法是平面極限平衡下限解法,具體可采用Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法和不平衡推力傳遞系數(shù)法。

合理確定邊坡潛在滑面的力學(xué)參數(shù)是進(jìn)行邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。邊坡潛在的底滑面為由巖塊巖屑組成的斷層破碎帶,限于工程條件,無法進(jìn)行原位力學(xué)試驗(yàn),也無法取得原狀巖土試樣進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)。因此,需要取滑面強(qiáng)度參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值和采用反演計(jì)算法確定潛在滑面的力學(xué)參數(shù)。

根據(jù) 《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》 (GB 50287—99)對(duì)結(jié)構(gòu)面、軟弱層、斷層的抗剪斷強(qiáng)度取值建議,對(duì)巖塊巖屑結(jié)構(gòu)面的抗剪斷強(qiáng)度為 f′=0.55～0.45(Φ=28～240)、C′=25～ 10 kPa。

滑面力學(xué)參數(shù)通過反算法確定,即根據(jù)邊坡所處的發(fā)育階段及其相應(yīng)的穩(wěn)定程度,用開挖后的剖面進(jìn)行反算。通過廠房邊坡穩(wěn)定性分析,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)論,認(rèn)為開挖后邊坡尚未進(jìn)入明顯的蠕動(dòng)擠壓變形階段,而且此邊坡經(jīng)歷過幾次地震而不發(fā)生明顯的變形破壞,故取設(shè)計(jì)基本地震烈度Ⅶ度條件下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.10作為反演計(jì)算的依據(jù),不再考慮地震力的影響。應(yīng)用Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法和不平衡推力傳遞系數(shù)法,反演計(jì)算滑面的力學(xué)參數(shù)。

反演計(jì)算過程中首先依據(jù)有關(guān)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)確定滑面的內(nèi)聚力Φ為20 kPa,然后采用不同的計(jì)算方法反演計(jì)算出內(nèi)摩擦角φ。據(jù)此反算邊坡潛在滑面的力學(xué)參數(shù)(見表1)。

表1 不同計(jì)算方法反演潛在滑面的力學(xué)參數(shù)表

用邊坡開挖后的潛在滑坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面獲得的滑面強(qiáng)度參數(shù),計(jì)算原始地形條件下的穩(wěn)定性系數(shù)見表2。從表中可以看出,廠房邊坡開挖后邊坡的整體穩(wěn)定性系數(shù)下降了0.09。為將開挖后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高到開挖前的水平,就需進(jìn)行加固處理,以將邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)恢復(fù)到原始斜坡的水平。因此,為保證邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定與安全,需要采取加固措施,以彌補(bǔ)由邊坡開挖引起的穩(wěn)定性的降低。

表2 邊坡開挖前的安全系數(shù)表

4 邊坡治理設(shè)計(jì)

4.1 治理設(shè)計(jì)原則

結(jié)合研究區(qū)域地質(zhì)環(huán)境及邊坡的變形破壞特征與穩(wěn)定性狀況,采用技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)有效的治理措施,對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理,以防止邊坡發(fā)生變形破壞而影響廠房的施工和正常運(yùn)營(yíng)。

4.2 設(shè)計(jì)方案

由于不具備放緩邊坡的環(huán)境條件,可行的處治措施是進(jìn)行邊坡加固。具體加固措施的選擇是依據(jù)穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果,并綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境和施工條件的影響而定的。

具體加固措施為:采用坡面地表排水系統(tǒng),減少地表水在邊坡表面流動(dòng)和向邊坡深部入滲,提高邊坡表面和整體穩(wěn)定性;采用系統(tǒng)錨桿和掛網(wǎng)噴漿來提高開挖邊坡坡體表面破碎巖體的穩(wěn)定性,防止局部坍塌和崩塌的發(fā)生;采用預(yù)應(yīng)力錨索+框格梁加固體系及水平排水孔來提高邊坡的整體穩(wěn)定性,防止邊坡沿潛在的滑面發(fā)生滑動(dòng)變形。

加固后邊坡的整體穩(wěn)定性滿足有關(guān)規(guī)范的安全要求,并使開挖后的邊坡穩(wěn)定性達(dá)到開挖前的水平。按照這樣的設(shè)計(jì)思路,根據(jù)剩余推力法計(jì)算,錨索需要承擔(dān)的抗滑力為756 kN/m。

綜合考慮經(jīng)濟(jì)、錨固效果以及施工條件、潛在底滑面產(chǎn)狀等因素,確定錨索傾角為25°;計(jì)算得單寬錨固力為T=735 kN/m。為了保證破碎巖體坡面的承載力,采用小噸位的預(yù)應(yīng)力錨索,根據(jù)合理間距的范圍,選擇縱橫梁間距均為5m,錨索剖面布置和平面布置見圖2和圖3,即在沿坡面30 m長(zhǎng)的范圍內(nèi)布置7排預(yù)應(yīng)力錨索,排距5 m。則單根錨索的設(shè)計(jì)錨固力為N=T×5/6=613 kN。考慮1.2的安全系數(shù),實(shí)際設(shè)計(jì)錨固力取N=750kN。為保障邊坡錨固體系的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定性,防止個(gè)別錨桿和錨索失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,并確保錨固施加的預(yù)應(yīng)力能均勻地分布到邊坡的坡面上,防止坡面巖體破碎影響錨索預(yù)應(yīng)力的保持,設(shè)計(jì)方案中采用大斷面框格梁系統(tǒng)。其中的縱梁在一定程度上起到抗滑樁的作用,以便充分發(fā)揮邊坡坡腳段錨桿的加固作用。

圖2 錨索剖面布置圖

圖3 框格梁及錨索平面布置圖

4.3 施工方案

整個(gè)加固工程分框格梁、預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿和泄水孔4部分。其中框格梁采用C30混凝土,鋼筋采用Ⅰ級(jí)鋼和Ⅱ級(jí)鋼。其中縱梁寬800 mm,高1 200 mm,橫梁寬600 mm,高800 mm。受力鋼筋保護(hù)層厚度40 mm。

預(yù)應(yīng)力錨索采用1 860級(jí)高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,最小破斷力260.7kN,直徑15.24 mm,錨索錨具采用OVM15-6型張拉錨具。錨索每束6根,傾角25°。單根錨索設(shè)計(jì)噸位750 kN,預(yù)應(yīng)力張拉噸位825 kN。有效內(nèi)錨固段長(zhǎng)度不小于8 m,鉆機(jī)成孔,孔徑130 mm,傾角25°。

錨索施工順序?yàn)?錨索鉆孔,錨孔1次注漿;框格梁澆筑;錨索2次張拉;補(bǔ)充灌漿及封錨等。錨索施工前做好錨索拉拔試驗(yàn),檢驗(yàn)巖體與砂漿間的抗剪強(qiáng)度 (石灰?guī)r,τ≥1 MPa),以驗(yàn)證錨索的有效錨固長(zhǎng)度。錨索長(zhǎng)度可根據(jù)具體的鉆孔資料確定的完整基巖的位置適當(dāng)變化,但應(yīng)保證錨固段的長(zhǎng)度不小于8 m。錨索編制前應(yīng)對(duì)每根錨索都要進(jìn)行捆扎質(zhì)量檢查,除銹除油污,對(duì)有死彎,機(jī)械損傷應(yīng)剔除,確保滿足設(shè)計(jì)要求。錨體張拉應(yīng)分2次進(jìn)行,第1次張拉按5級(jí)張拉(即錨索設(shè)計(jì)噸位的25%,50%,75%,100%,110%5級(jí)),前4級(jí)穩(wěn)定時(shí)間為 3 min,第1次張拉后6～10 d再進(jìn)行1次張拉,以便補(bǔ)償錨索的松弛和地層的徐變等因素造成的預(yù)應(yīng)力損失。在引水隧洞軸線兩邊的錨索應(yīng)在隧洞爆破開挖完成后再進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉,避免爆破導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力過大損失,必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償張拉。張拉前應(yīng)對(duì)張拉設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定,作為張拉的依據(jù),并在正式張拉前用10%或20%設(shè)計(jì)拉力進(jìn)行預(yù)張拉,以便索體各部位接觸緊密,索體完全順直。

錨桿采用φ 36鋼筋,鉆機(jī)成孔,孔徑110 mm,錨桿采用全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿,錨桿長(zhǎng)度15 m,傾角25°,錨桿外端垂直彎起,長(zhǎng)度1 000mm,保證與框格梁的粘結(jié)。錨索 (桿)注漿采用M40水泥砂漿,配合比由試驗(yàn)確定,注漿壓力不小于1.5MPa,注漿用水泥為42.5R普通硅酸鹽水泥,施工時(shí)水泥砂漿應(yīng)攪拌均勻,1次拌和的水泥砂漿應(yīng)在初凝前用完。錨孔注漿時(shí),采用1次注漿法,將自由端涂滿防銹油,油脂須采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋專用防腐潤(rùn)滑脂,套上PVC套管,1次將錨固段和張拉段注滿,不能留空隙。自由段每隔2 m設(shè)置1道定中件。錨桿施工順序可以分為:錨桿鉆孔,錨桿注漿;框格梁澆筑。

泄水孔孔徑100 mm,孔深8 m,向上傾角5°。

整個(gè)治理工程施工前應(yīng)整平坡面,清除坡面表面浮石,施工過程中,施工影響區(qū)設(shè)立警示標(biāo)志,作業(yè)面影響范圍內(nèi)人員撤離。

5 結(jié) 論

基于以上對(duì)滑坡的基本特征和穩(wěn)定性分析,通過采取排水系統(tǒng)與抗滑支擋有機(jī)結(jié)合的工程治理措施,從目前滑坡地面調(diào)查情況看,滑坡區(qū)無新的變形破壞跡象,表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

可以看出,采取排水系統(tǒng)與抗滑支擋有機(jī)結(jié)合的綜合處治方案是保障該滑坡處治工程獲得成功的關(guān)鍵。在排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,根據(jù)滑坡體水文地質(zhì)情況,可采用地表排水系統(tǒng);在抗滑支擋工程設(shè)計(jì)中,根據(jù)滑坡體的滑動(dòng)位移特點(diǎn)、滑坡推力特征、地形條件及地層結(jié)構(gòu)情況選擇恰當(dāng)?shù)闹醴桨甘墙档突绿幹喂こ藤M(fèi)用獲取最佳處治效果的先決條件。