水布埡電站大巖淌滑坡體加固設(shè)計(jì)及治理效果

羅福海 夏界平 於習(xí)軍 周玉紅

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北武漢 430010;2.長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究有限責(zé)任公司,湖北宜昌 443000;3.湖北清江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,湖北宜昌 443000)

水布埡電站大巖淌滑坡體加固設(shè)計(jì)及治理效果

羅福海1夏界平2於習(xí)軍1周玉紅3

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北武漢 430010;2.長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究有限責(zé)任公司,湖北宜昌 443000;3.湖北清江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,湖北宜昌 443000)

水布埡大巖淌滑坡體位于大壩左岸大崖東側(cè)坡腳下游,上距壩軸線(xiàn) 800余米,距溢洪道挑流鼻坎300余米,距泄洪最大挑距沖坑 60余米,右岸是地下電站尾水洞出口?；麦w一旦失穩(wěn),將堵塞地下電站尾水隧洞出口及河道,嚴(yán)重威脅樞紐工程安全運(yùn)行。簡(jiǎn)述了對(duì)大巖淌滑坡體的研究論證和加固措施,在發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí),采用了二次加固措施;提出了對(duì)前緣抗滑樁支擋加固、地表防滲排水、地下排水、前緣防沖護(hù)岸和安全監(jiān)測(cè)等一系列綜合整治方案,以保證滑坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

混凝土面板堆石壩;滑坡;加固設(shè)計(jì);治理方法;水布埡水利樞紐

1 滑坡體的地質(zhì)特性

大巖淌滑坡體位于清江水布埡面板堆石壩下游,西側(cè)為大崖陡壁,滑坡體的滑舌受大壩溢洪道放水沖刷的影響,前緣呈向南突出的弧形,剪出口高程約 200～210 m。東側(cè)以榨房溝為界,后緣高程為430m,形成明顯的“圈椅狀”地形特征。滑床下伏基巖內(nèi)揭示大小斷層 70多條,斷層大多規(guī)模小、傾角陡、斷距小或不明顯,具張拉性質(zhì);基巖內(nèi)相對(duì)軟弱的頁(yè)巖夾層較多,常遭順層剪切破壞形成泥化夾層。頁(yè)巖、泥灰?guī)r等軟巖風(fēng)化相對(duì)強(qiáng)烈。斷層與裂隙的切割,嚴(yán)重影響到巖體的完整性,而泥化夾層強(qiáng)度低,性狀差,給滑體順層滑動(dòng)提供了有利條件?；聟^(qū)分布的物質(zhì)主要為崩、坡積層及滑坡堆積層,多由大塊石、塊石夾碎石土組成,結(jié)構(gòu)松散,局部架空,透水性好,屬?gòu)?qiáng)透水層。底部滑帶土粘粒含量高,結(jié)構(gòu)密實(shí),透水性弱,屬相對(duì)隔水層。下伏基巖為裂隙性巖體,透水性一般較弱。滑坡體中地下水主要來(lái)源于大氣降雨,多賦存于滑坡體的中、下部,于前緣剪出口一帶滲出。

2 滑坡體穩(wěn)定分析與治理措施

2.1 穩(wěn)定分析方法

采用剛體極限平衡和有限元等分析方法對(duì)大巖淌滑坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算。極限平衡法包括二維極限平衡和三維極限平衡。二維極限平衡計(jì)算主要是采用剩余推力法和能量法,以及摩根斯登 -普賴(lài)斯法(M-P法)和薩爾瑪法。有限元法則是采用“NOLOM”彈塑性有限元、彈粘塑性自適應(yīng)有限元等分析方法。

2.2 加固的基本原則

大巖淌滑坡體規(guī)模較大,考慮到其受水布埡大壩施工干擾嚴(yán)重,加之受溢洪道泄洪沖切及霧雨的影響很大,為了保證該滑坡體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及確保樞紐工程運(yùn)行的安全性,對(duì)滑坡體采用了前緣抗滑樁支擋加固、地表防滲排水、地下排水和前緣防沖護(hù)岸的綜合整治措施。結(jié)合防治滑坡的目的和特殊的整治環(huán)境,確定了加固方案的基本設(shè)計(jì)原則:

(1)安全系數(shù)不小于1.15,確保工程主體建筑物的施工和運(yùn)行安全;

(2)保持和改善滑坡體及其周?chē)淖匀画h(huán)境,不能因?yàn)橹卫砘麦w而破壞周?chē)镀碌姆€(wěn)定,避免發(fā)生新的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題;

(3)采取的工程措施應(yīng)針對(duì)影響穩(wěn)定性的主要因素,在安全穩(wěn)妥的前提下,盡量節(jié)省工程投資;

(4)針對(duì)大巖淌滑坡體的重要性、滑坡問(wèn)題的復(fù)雜性以及其他一些不確定性因素,在滑坡體安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)開(kāi)展對(duì)滑坡體深部位移、地表變形、地下水位及加固施工期抗滑樁受力等方面的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,以便監(jiān)測(cè)滑坡體的穩(wěn)定性。

2.3 設(shè)計(jì)安全系數(shù)的確定

對(duì)大巖淌滑坡體實(shí)施治理加固工程措施以后,其安全標(biāo)準(zhǔn)的取值在正常工況下能夠維持在1.15以上,這樣能保持其天然狀況下的可持續(xù)穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)安全系數(shù)的取值見(jiàn)表 1。

表1 滑坡體設(shè)計(jì)工況及設(shè)計(jì)安全系數(shù)

3 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述原則,研究確定了大巖淌滑坡體采取前部支擋加固、后部削方減重、前緣防沖護(hù)岸、地表防滲、地下排水的綜合治理方案。大巖淌滑坡體治理及安全監(jiān)測(cè)布置見(jiàn)圖 1。

3.1 抗滑樁加固

針對(duì)滑坡性質(zhì)和必須滿(mǎn)足穩(wěn)定性的安全系數(shù),并考慮降低地下水位的作用,滑坡體抗滑穩(wěn)定的重要手段是采用抗滑樁進(jìn)行加固,以阻止下滑力的作用。第 1期抗滑樁主要布置在滑坡體的前部,為 3排(局部 4排)布置型式,滑坡體抗滑樁東部的單寬支擋加固力為 1 960 kN,中部為 3 920 kN,西部為980 kN。第 1排 17根抗滑樁位于滑坡體前緣高程220m馬道上,第 2排 28根抗滑樁位于 3號(hào)公路高程 234m的內(nèi)側(cè),第 3排 23根抗滑樁位于高程 240 m處,抗滑樁中心間距均為10m左右。樁身承受的滑坡推力按矩形分布考慮,內(nèi)力計(jì)算采用“K”法,按鉸支考慮。巖體彈性抗力系數(shù) 3×105kN/m3,樁身作用于圍巖的側(cè)向壓應(yīng)力折減后取5.6 MPa。根據(jù)支擋加固力的分布情況,在滑坡體前緣布置 3排共68根抗滑樁。經(jīng)各階段比選,最終將抗滑樁結(jié)構(gòu)確定為圓形樁,其中對(duì)滑坡體厚度大于 21m的部位則采用沉頭樁。

圖1 大巖淌滑坡體治理加固平面示意

3.2 地表防滲及排水

大巖淌滑坡體前緣對(duì)岸是放空洞出口,放空洞在 3 a的大壩施工中起到了重要作用,因?yàn)槊磕甓妊淳潘?滑坡體的坡滑舌部位又是溢洪道挑流坎,無(wú)論是放空洞或溢洪道放水,滑坡體大部分都處于泄洪霧化的影響區(qū),與一般的大氣降雨相比,泄洪霧化雨的強(qiáng)度更大、歷時(shí)更長(zhǎng)。為此在泄洪降雨區(qū),根據(jù)霧雨強(qiáng)弱分布情況對(duì)地表防滲采用現(xiàn)澆不同厚度的混凝土進(jìn)行保護(hù),護(hù)坡厚度為0.3～1.0 m。為防止護(hù)坡混凝土開(kāi)裂滲水,在混凝土下鋪設(shè)排水盲溝。對(duì)非泄洪降雨區(qū)的滑坡體坡面及其周邊坡面均進(jìn)行植被綠化。

地表排水系統(tǒng)由周邊及坡面縱橫向截(排)水溝組成。滑坡體周邊及坡面共布置 3條地表縱向排水溝,這些溝由天然沖溝擴(kuò)大修整而成。地表橫向排水溝則是根據(jù)地形、公路及護(hù)坡的格局隨機(jī)布置,其主要作用是導(dǎo)排滑坡體內(nèi)的坡面匯水并將其引至縱向排水溝內(nèi)。

3.3 地下排水

滑坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)就可以減少滑坡體的動(dòng)水壓力。針對(duì)滑坡體的地形環(huán)境,確定該滑坡體的排水設(shè)施以排水洞為主,排水洞主要是依據(jù)滑坡體內(nèi)地下水的分布和滑床的幾何形狀布置。其中主排水洞順滑床凹槽方向布置,橫向排水洞的布置大致上垂直于主洞方向,并與 1號(hào)和 2號(hào)勘探豎井連通,同時(shí)增設(shè) 3號(hào)豎井,形成洞井系統(tǒng),設(shè)置集水井抽排匯水。

排水洞內(nèi)布設(shè)有排水孔,排水孔分兩種類(lèi)型,一類(lèi)為主排水孔,布置在排水洞頂拱部位;另一類(lèi)為輔助排水孔,布置在排水洞側(cè)壁。主排水孔是排除滑坡體內(nèi)地下水的關(guān)鍵設(shè)施,為了確保其排水的有效性,主排水孔除了常規(guī)的從洞頂朝上鉆設(shè)的仰孔以外,還增設(shè)了從地面朝洞內(nèi)鉆設(shè)的穿透式排水孔。主排水孔孔徑為 φ91 mm,安裝 MY80型塑料濾水管;穿透式排水孔孔徑為 φ110mm,安裝 MY100型塑料濾水管。輔助排水孔垂直洞壁略向上仰,洞的兩側(cè)各布置 1排,孔深 1.0m,孔徑 φ56mm,安裝MY50型塑料濾水管。

3.4 護(hù)岸工程

由于溢洪道泄洪消能區(qū)的開(kāi)挖,使大巖淌滑坡體前緣高程 230m以下的坡度較陡,該部位在泄洪時(shí)江水流速較大,同時(shí)滑坡體上的 3條地表縱向排水溝的水流亦將從這里流入清江。為了防止泄洪沖刷,對(duì)滑坡體前緣采取了穩(wěn)妥可靠的護(hù)岸工程措施。護(hù)岸工程是作為永久防護(hù)工程被納入溢洪道建筑物。

3.5 穩(wěn)定復(fù)核及補(bǔ)充加固

3.5.1 穩(wěn)定復(fù)核

滑坡體前部的 1號(hào)公路是大壩填筑運(yùn)料的主要交通道路,受到運(yùn)料車(chē)輛和施工的擾動(dòng)比較嚴(yán)重;滑坡體前緣由于防淘墻開(kāi)挖造成局部臨空,使滑坡體的自然條件也發(fā)生了較大變化。2007年 6月 19日～7月 2日,清江上游連續(xù)降雨,根據(jù)大壩填筑施工和上游恩施州防汛的需要,放空洞建筑物最大開(kāi)閘泄洪流量約為 1 600 m3/s,放空洞泄洪都集中在大巖淌滑坡體的下游,大量的霧雨和沖刷也都集中在滑坡體的前緣,其霧雨強(qiáng)度及影響范圍非常大,使滑坡體后緣的移民點(diǎn)也在泄洪霧雨影響范圍內(nèi)。在長(zhǎng)期霧雨和沖刷的作用下,滑坡體前部堆積物在強(qiáng)霧雨滲透下極易飽和,地下水不能及時(shí)排出,極大地增強(qiáng)了堆積體的靜水和動(dòng)水壓力作用,導(dǎo)致滑坡體前緣下游側(cè)及 3號(hào)公路一段沿河岸坡堤垮塌,基巖被沖刷顯露、淘蝕深度約達(dá) 10m,見(jiàn)圖 2。垮塌發(fā)展到前部抗滑樁的支擋范圍內(nèi),幸好未進(jìn)一步擴(kuò)大。根據(jù)監(jiān)測(cè)成果可以看出,由于抗滑樁起到了抗滑作用,因而滑坡體的整體穩(wěn)定性并未受到影響,但局部變形仍在發(fā)展。

圖2 滑坡體岸坡被霧化沖刷后的垮塌范圍

監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),大巖淌滑坡體前緣由于防淘墻開(kāi)挖造成了局部臨空,致使滑帶土的力學(xué)參數(shù)較可研階段下降較多,這些因素均對(duì)滑坡體的穩(wěn)定性很不利,而穩(wěn)定性無(wú)論對(duì)于施工期還是今后工程的運(yùn)行期,都相當(dāng)重要。由于滑坡體邊界條件的變化和穩(wěn)定性現(xiàn)狀,必須對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核分析,對(duì)復(fù)核分析結(jié)果不能滿(mǎn)足安全標(biāo)準(zhǔn)的部位進(jìn)行補(bǔ)充加固。

3.5.2 穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算方法

經(jīng)過(guò)大量的反演計(jì)算和敏感性分析,利用施工階段抗滑樁的受力效果及排水洞、拉錨洞的施工場(chǎng)地,對(duì)滑坡體主滑帶、基巖軟弱夾層開(kāi)展物理、力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和滑坡的變形現(xiàn)狀分析,結(jié)合考慮滑坡的充水情況以及已固結(jié)的滑帶可能遭受了重新破壞,對(duì)滑坡體穩(wěn)定性進(jìn)行了復(fù)核。穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算以常用的剩余推力法為主,得出補(bǔ)充加固工程設(shè)計(jì)安全系數(shù),見(jiàn)表 2。

表2 滑坡體穩(wěn)定性復(fù)核及補(bǔ)充加固設(shè)計(jì)安全系數(shù)

穩(wěn)定性分析和計(jì)算成果表明,滑坡體的剩余推力曲線(xiàn)呈雙峰形狀,其中前緣的局部穩(wěn)定性較差。從規(guī)模上可將滑坡體的破壞模式歸納為以下 2種模式。

(1)整體破壞模式。滑坡體前緣沿主滑面,中后部沿底滑帶土破壞;滑體前緣沿泥化夾層,中后部沿底滑帶土破壞。

(2)局部破壞模式?；w前緣沿主滑面,中后部沿滑坡體剪出;滑坡體前緣沿泥化夾層,中后部沿滑坡體剪出。

3.5.3 沿泥化夾層補(bǔ)充阻滑加固

另外滑坡體也有可能是沿基礎(chǔ)泥化夾層破壞,針對(duì)具體情況進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果表明,在最大剩余推力為 10 780 kN/m的作用下,泥化夾層臨空的最小巖體保護(hù)厚度為3.1m。大巖淌滑坡體基巖深層抗滑穩(wěn)定構(gòu)成威脅的主要是黃家蹬組(D3h)中的 gh2、gh3泥化夾層,夾層性狀差,強(qiáng)度低,埋藏較深,分布連續(xù),適于采用阻滑鍵進(jìn)行置換加固。根據(jù)防淘墻處的地質(zhì)剖面及防淘墻設(shè)計(jì)臨空線(xiàn)與泥化夾層的相對(duì)關(guān)系,確定大巖淌滑坡體及下伏基巖的加固范圍約為 155m。加固范圍如圖 3所示。共布置 2條阻滑鍵,采用混凝土結(jié)構(gòu),城門(mén)為洞形斷面,尺寸為3.5m×4.72m?；炷翗?biāo)號(hào)采用 C30,抗剪強(qiáng)度取1 960 kN/m2。阻滑鍵兩側(cè)壁各布置 3排間距為 150 cm的錨桿,錨入巖體 2m,外露0.5m;頂拱布置 2排間距為 150 cm的錨桿,錨入巖體 2 m,外露0.5 m;對(duì)阻滑鍵洞頂進(jìn)行回填灌漿處理。經(jīng)計(jì)算,單排阻滑鍵的設(shè)計(jì)支擋力為 5 390 kN/m。

3.5.4 主滑面抗滑加固

沿主滑面實(shí)施的補(bǔ)充加固措施仍選用人工挖井的鋼筋混凝土抗滑樁型式。根據(jù)穩(wěn)定分析得出的剩余下滑力分布曲線(xiàn),在第 1期抗滑樁后面增補(bǔ)了 2排,局部增加 3排抗滑樁,以控制后部至前緣的局部穩(wěn)定;第 2期共增加抗滑樁 54根,采用矩形沉頭樁。根據(jù)堆積體厚度和設(shè)計(jì)支擋力的不同,第 2期抗滑樁也分為 3種類(lèi)型:Ⅰ型樁的斷面尺寸為 3 m×4.5 m,錨固段長(zhǎng) 13m;Ⅱ型樁的斷面尺寸為 3m×4 m,錨固段長(zhǎng) 11 m;Ⅲ型樁的斷面尺寸為 3m×4m,錨固段長(zhǎng) 9 m。Ⅰ型樁的基巖面以上 25 m、Ⅱ型樁基巖面以上 21 m、Ⅲ型樁基巖面以上 16 m采用的都是 C30鋼筋混凝土;其余滑坡體段采用的是 C15素混凝土。鋼筋混凝土與素混凝土之間采用 2 cm的泡沫板隔開(kāi)。

圖3 前緣泥化夾層加固范圍

4 安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

安全監(jiān)測(cè)成果可以直觀地反映滑坡體的安全穩(wěn)定性狀態(tài),本監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案也是實(shí)施滑坡體加固措施的一個(gè)組成部分,監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案包括以下幾個(gè)方面。

4.1 大地變形監(jiān)測(cè)

大地變形監(jiān)測(cè)是通過(guò)地表垂直位移和水平位移來(lái)了解整個(gè)滑坡體的外部變形情況,它是對(duì)滑坡體進(jìn)行穩(wěn)定監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要手段。測(cè)點(diǎn)沿滑坡體中軸線(xiàn)方向布置一個(gè)監(jiān)測(cè)剖面;在滑坡體的前部布置 3個(gè)測(cè)墩,其主滑方向及左右側(cè)各布置 1個(gè)測(cè)墩;滑坡體的中部和后部也同樣布置測(cè)墩。外部變形監(jiān)測(cè)與滑坡體加固同期進(jìn)行。

4.2 滑坡體深部位移監(jiān)測(cè)

沿滑坡體軸線(xiàn)為主要監(jiān)測(cè)斷面,在前部、中部和后部布置了 6個(gè)位移監(jiān)測(cè)孔。其中主滑坡方向布置3個(gè)測(cè)孔,東西兩側(cè)次級(jí)滑坡體方向各布置 1個(gè)測(cè)孔;深部位移監(jiān)測(cè)布置情況見(jiàn)圖 1。加強(qiáng)滑坡體安全監(jiān)測(cè)工作的主要內(nèi)容包括:

(1)深部水平位移監(jiān)測(cè);(2)地下水位監(jiān)測(cè);(3)地表安全巡視。

4.3 抗滑樁的鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)

在抗滑樁施工前,先進(jìn)行 3號(hào)試驗(yàn)樁的施工,一方面可以從中獲取有關(guān)技術(shù)參數(shù)和施工經(jīng)驗(yàn),另一方面在 3號(hào)試驗(yàn)抗滑樁埋設(shè)鋼筋計(jì),以了解滑帶上、下施工期和今后運(yùn)行期抗滑樁的應(yīng)力變化情況,在第 1期施工的抗滑樁的 3號(hào)試驗(yàn)樁、Z2-6、Z2-16、Z2-22、Z1-9和 Z3-1抗滑樁均埋設(shè)了監(jiān)測(cè)儀器。在第 2期加固施工過(guò)程中,僅在個(gè)別抗滑樁內(nèi)增補(bǔ)了部分監(jiān)測(cè)儀器。

5 滑坡體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

在對(duì)大巖淌滑坡體的治理工作進(jìn)行充分的科學(xué)研究和論證的基礎(chǔ)上,針對(duì)各種不利的運(yùn)行工況和地質(zhì)條件,采用剛體極限平衡和有限元等分析與計(jì)算,并結(jié)合施工條件,提出了前緣抗滑樁支擋加固、地表防滲排水、地下排水洞排水及前緣防沖護(hù)岸等綜合治理設(shè)計(jì)方案。施工后期,由于滑坡體的力學(xué)參數(shù)等邊界條件發(fā)生了較大變化,在滑坡體下部的基巖內(nèi)發(fā)現(xiàn)了順坡向順層剪切泥化夾層,于是,對(duì)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)安全系數(shù)的部位采取了補(bǔ)充加固(抗滑樁加阻滑鍵)處理措施。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料,目前大巖淌滑坡體的深部位移和地下水滲漏情況沒(méi)有明顯增大,滑坡體趨于穩(wěn)定狀態(tài),說(shuō)明治理研究方向正確,加固處理措施恰當(dāng)。

[1]羅福海,李 偉,向光紅.水布埡電站泄洪霧化影響分析及防護(hù)設(shè)計(jì)[J].水利水電快報(bào),2009,30(11).

[2]張保軍,覃毅寶.清江水布埡大巖淌滑坡體初期變形分析[J].人民長(zhǎng)江,2006,8.

TV 641.43

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1006-0081(2011)08-0026-05

2011-05-23

羅福海,男,長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司水布埡工程設(shè)代處處長(zhǎng),高級(jí)工程師。