新型防護(hù)系統(tǒng)在坪頭水電站高陡邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

朱 江，曹 煜，龐明亮

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

FSS系統(tǒng)是一種開放式新型輕型柔性防護(hù)系統(tǒng)，較傳統(tǒng)的全坡面防護(hù)方法可降低工程造價(jià)、施工簡單、防巖崩效果好、材料性能穩(wěn)定，同時(shí)又增添了景觀的美感，所以目前被推廣在高邊坡上使用。

2 FSS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案比選

假設(shè)根據(jù)地貌特征和地質(zhì)構(gòu)造分析，山體整體穩(wěn)定，可選擇傳統(tǒng)掛網(wǎng)噴錨支護(hù)、錨索支護(hù)等支護(hù)方式。掛網(wǎng)噴錨支護(hù)屬于封閉式的蛋殼型結(jié)構(gòu)剛性防護(hù)。對危石用錨桿支護(hù)，主動(dòng)加固圍巖，發(fā)揮圍巖的自支承能力，但對危石無法向壓力作用，且無整體承載能力，也無法植被，難免破壞生態(tài)環(huán)境。而錨索支護(hù)是對巖體的深層加固措施，對大面積、淺層次危巖的加固，錨索數(shù)量大、間距小，將使造孔、灌漿工作量大，費(fèi)用高，工期長，并且錨索間距過小不利于發(fā)揮群錨效應(yīng)。而FSS系統(tǒng)能適應(yīng)各種地形條件，不破壞坡面植被生長條件，也不會增大坡面荷載，有利于坡體穩(wěn)定，是新一代SNS邊坡柔性安全防護(hù)。

2.2 參數(shù)計(jì)算與分析

被動(dòng)支護(hù)是為了防止邊坡高處危石帶來的威脅。假設(shè)危石體積V，危石密度ρ，則危石質(zhì)量m=ρV；坡面對危石的動(dòng)摩擦系數(shù)取μ，山體坡度θ，

勢能計(jì)算公式：E勢=mgh

(1)

(2)

E=E勢-W

(3)

E=ET+EA(ET=mV2/2,EA=Iω2)

(4)

ET=E/1.2(經(jīng)驗(yàn)公式)

(5)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,確定危石的動(dòng)能ET,它是確定FSS系統(tǒng)量級的重要參數(shù)。確定系統(tǒng)高度也是非常重要的，但它與量級無關(guān)，與危石彈跳的速度和彈跳的角度有關(guān)。彈跳高度H：

H=V2sin2θ/2g

(6)

其中：V≤(2gh)1/2(h為危石落差)

由上式可見，為了盡量減小危石的彈跳高度，避免危石在彈跳時(shí)翻越攔截系統(tǒng)，應(yīng)適量削去坡體凸出部分。系統(tǒng)應(yīng)選擇安裝在地形平坦、靠山上方的斜坡角度小、落石動(dòng)量少、落差高度小、彈跳高度低的位置或者安置在危石拋物線軌跡起始部位。

若山體十分陡峻，有局部集中的危石群，選用主動(dòng)支護(hù)較為理想。為了確定該區(qū)的主動(dòng)柔性防護(hù)的具體方案，假設(shè)危石的體積V、密度ρ、質(zhì)量m，該危石與山體接觸，有較大的裂隙和裂縫且部分懸空，隨時(shí)有下墜的可能。為阻止危石下滑有兩個(gè)措施：一是增大山體對危石的阻力；二是使用鋼繩網(wǎng)增大對危石的下滑阻力。具體措施之一為：在危石局部懸空處填充混凝土，混凝土的膠結(jié)力增大了危石的下滑阻力，也增大危石與山體的接觸面積。危石與山體有效接觸面越大，危石越穩(wěn)定。危石的重心垂線落在接觸面內(nèi)，危石穩(wěn)定的可靠度提高。計(jì)算公式為：

F阻=μ1(P+mgcosθ)+μ2P

(7)

式中μ1——危石與山體的摩擦系數(shù)；

μ2——鋼繩網(wǎng)與危石的摩擦系數(shù)；

P——鋼繩網(wǎng)對危石的法向總壓力。

由上式可知：μ1增大，F(xiàn)阻亦增大。增大μ1的辦法是用水泥砂漿填充危石與山體間的縫隙。當(dāng)摩擦阻力不足以阻止危石下滑時(shí)，需要鋼繩網(wǎng)對危石施加上拉力。這個(gè)上拉力需要上拉錨桿來實(shí)現(xiàn)，增加危石的上拉錨桿，以增加固住危石的上拉力F拉。

F拉=mgsinθ-μ1(P+mgcosθ)-μ2P

(8)

上拉錨桿數(shù)

n=F拉÷F抗或上拉錨桿數(shù)n=F拉÷F剪

(9)

式中F抗——錨桿的抗拔力；

F剪——錨桿的抗剪力。

計(jì)算結(jié)果中取大值。

當(dāng)坡度θ=90°為極限狀態(tài)時(shí)，山體表面呈垂直狀，固住危石需要的上拉錨桿數(shù)量計(jì)算如下：

F拉=mgsinθ-(μ1+μ2)P

需要的上拉錨桿數(shù)

n=F拉÷F抗或上拉錨桿數(shù)n=F拉÷F剪

計(jì)算結(jié)果中取兩者的大值。

3 實(shí)例分析

3.1 工程地質(zhì)條件

坪頭水電站尾水洞出口的尾水渠邊坡從開挖高程575.00m至坡頂高程800.00m，邊坡防護(hù)高度為225m，水平長度約為90m。

坪頭尾水渠邊坡地形地貌為峭壁、陡坡及兩條槽谷，槽谷之間為一凸出的山梁。地形坡度，底部坡角約68°，頂部坡角約35°。高程575.00～666.00m為巖石邊坡，多由砂板巖構(gòu)成，山體陡峭，巖石裸露，地貌結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。巖層節(jié)理裂縫縱橫交錯(cuò)，邊坡巖體中存在N65°～70°E/SE∠35°～40°和N50°～60°E/NW∠55°～65°兩組裂隙，這兩組裂隙發(fā)育非常充分，裂隙張開3～10cm。上述裂隙組合，可形成楔形不穩(wěn)定塊體，沿邊坡上游S59°W方向偏山外7°滑動(dòng)。由于年生日久，巖體不斷風(fēng)化導(dǎo)致巖體十分破碎。危塊體積0.01～4m3左右的危石到處可見。典型的巨大危塊如“老虎頭”危石體積3m3。高程666.00以上邊坡為土石混合邊坡，巖塊隨時(shí)都有滑動(dòng)的可能，并且山體十分陡峭，危石一般高出建筑物頂部幾十米甚至百余米，勢能巨大。

據(jù)推測，尾水渠邊坡可能有邊坡上部巖體滑動(dòng)破壞、邊坡下部巖體卸荷拉裂破壞和崩塌破壞等形式。巖體滑動(dòng)破壞主要分布于高程666.00～800.00m以上。該范圍內(nèi)的邊坡由土石組成，面層為覆蓋層，巖塊隨時(shí)都有滑動(dòng)的可能，危石一旦受自然沖力波擊，即產(chǎn)生滑動(dòng)。特別是大雨季節(jié)，巖塊受地表水沖擊而滑落，滑落的危石動(dòng)能巨大，將嚴(yán)重影響電站尾水洞口后續(xù)工程的施工。卸荷拉裂破壞主要分布在高程602.00～666.00m之間的巖石邊坡上，由于該部位有一凸出的山梁，三面臨空巖體充分卸荷，張拉裂縫數(shù)量較多，一般短小的長1～2m，張開寬度1～2cm，局部較長的長度10～20m，張開寬度5～10cm；崩塌破壞主要分布在高程602.00～666.00m之間的巖質(zhì)邊坡，由于晝夜的溫差作用及雨水不斷侵蝕，巖石風(fēng)化產(chǎn)生剝落崩塌破壞，巖石隨時(shí)可能塌落。

3.2 設(shè)計(jì)選型

根據(jù)尾水洞洞口上部邊坡高程666.00m至頂部覆蓋層的地質(zhì)縱剖面測量數(shù)據(jù)，覆蓋層落差在80m左右。由于高程666.00m以上邊坡為土夾石混合邊坡且有緩沖地帶，具有安裝被動(dòng)柔性防護(hù)的地形條件，同時(shí)該區(qū)浮石較小，分布較廣，從經(jīng)濟(jì)、環(huán)保考慮選用柔性被動(dòng)防護(hù)也較為理想。設(shè)計(jì)選定對頂部土石邊坡的處理，現(xiàn)場取頂部最高處一危石作為研究對象，危石體積V約0.401m3，危石密度ρ=2 700kg/m3，則危石質(zhì)量m=1 083kg。假設(shè)FSS被動(dòng)柔性防護(hù)系統(tǒng)安裝在666.00m高程處，危石的攔截落差h=74m，坡面對危石的動(dòng)摩擦系數(shù)取μ=0.3，山體坡度取θ=45°，則

勢能計(jì)算公式：

選擇能級為500kJ的被動(dòng)柔性安全防護(hù)系統(tǒng)“FSS-PD-500”來抗衡458.32kJ的危石動(dòng)能。在高程666.00m，設(shè)置一道高5m、長50m、能級為500kJ的“FSS-PD-500”被動(dòng)柔性安全防護(hù)系統(tǒng)。綜合各因素，系統(tǒng)具體位置設(shè)置在高程666.00m處。對尾水洞洞口高邊坡被動(dòng)攔截的高度應(yīng)適當(dāng)增高，確定系統(tǒng)高度以5m為宜。

因?yàn)楦叱?02.00～661.00m范圍內(nèi)的山體十分陡峻，且有局部集中的危石群，故選用主動(dòng)支護(hù)。以“老虎頭”危石為例進(jìn)行受力分析，提出具體的FSS支護(hù)方案?！袄匣㈩^”危石的體積V約3m3，密度ρ=2 700kg/m3，質(zhì)量m=8 100kg。

F阻=μ1(P+mgcosθ)+μ2P
F拉=mgsinθ-μ1(P+mgcosθ)-μ2P

取θ=60°(實(shí)際坡度θ<60°)

μ1=μ2=0.4
mgsinθ=68.745(kN)
P=S×I=23.08(kN)
F拉=34.403(kN)

其中S=5.77m2，I一般在4～5.5kN范圍內(nèi)，取I=4kN，上拉錨桿數(shù)n=F拉÷F抗或n=F拉÷F剪(F抗為錨桿的抗拔力，F(xiàn)剪為錨桿的剪切力，假定F剪或F抗=50kN)，經(jīng)計(jì)算可得n=0.688(根)，增大3倍安全系數(shù)，上拉錨桿數(shù)取為2根。

當(dāng)坡度θ=90°處于極限狀態(tài)時(shí)，山體表面呈垂直狀，固住“老虎頭”危石需要的上拉錨桿數(shù)量為：

F拉=mgsinθ-(μ1+μ2)P=60.91(kN)

需要的上拉錨桿數(shù)n=F拉÷F抗=1.22(根)。

增大3倍安全系數(shù)，上拉錨桿數(shù)取為4根。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，作如下補(bǔ)充：網(wǎng)格加密，菱形網(wǎng)孔邊長為25cm，提高了鋼繩網(wǎng)的強(qiáng)度；錨桿變密，錨桿數(shù)量增加11%，提升了整體承載能力。在山體凹腔及危石群處增設(shè)錨桿，使柔性網(wǎng)緊貼山體表面，提升了整體法向壓力。在山體上沿，增加人字形布置的上拉錨桿，提升了對危石的上拉力。對于危石加固，應(yīng)采用水泥砂漿填充大裂隙、混凝土填補(bǔ)危石局部懸空處。對個(gè)別大裂縫處，可用片石嵌入。

FSS主動(dòng)防護(hù)是具有整體承載力的支護(hù)，鋼繩網(wǎng)的法向壓力，使處于臨界狀態(tài)的危石向非臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)化，阻止了危石勢能的釋放而處于穩(wěn)定狀態(tài),避免了臨界狀態(tài)的危石在地震或地表水沖擊作用下崩落。最終在高程從602.00～666.00m、面積約2 500m2范圍內(nèi)采用“FSS-JG-250-G”柔性主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)。

3.3 現(xiàn)場布置與施工方法

確定采用FSS系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案后，將該邊坡分成兩個(gè)防護(hù)區(qū)，高程從661.00～740.00m范圍內(nèi)為被動(dòng)防護(hù)區(qū)(簡稱A區(qū))；高程從602.00～661.00m范圍內(nèi)為主動(dòng)防護(hù)區(qū)(左側(cè)為B1區(qū)，右側(cè)為B2區(qū))。

被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)為環(huán)型網(wǎng)，環(huán)型網(wǎng)采用直徑φ3mm、強(qiáng)度大于1 770MPa的高強(qiáng)度、高韌性的鋼絲。鋼絲為鋅鋁合金鍍層，盤結(jié)數(shù)圈成環(huán)相互套接而成，編織成長10m、高5m的環(huán)型網(wǎng)，防護(hù)能量為攔擊撞擊能量750kJ以內(nèi)的落石。鋼柱采用Ι16熱扎工字鋼，柱高5m，鋼柱間距10m，鋼柱采用3層特殊工藝防腐涂層。鋼結(jié)構(gòu)基座尺寸28cm×45cm，為鉸鏈結(jié)構(gòu)形式，鋼基座下為混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸80cm×80cm×60cm，鋼筋φ16，C20混凝土澆筑。被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)布置見圖1。

主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)為雙層網(wǎng)，即鋼絲繩網(wǎng)和鋼絲格柵，網(wǎng)塊形狀為4m×4m正方形。鋼絲網(wǎng)的鋼絲繩直徑為8mm，抗拉強(qiáng)度不小于1 770MPa，并采用AB級的熱鍍鋅防腐處理。鋼絲格柵網(wǎng)的網(wǎng)孔為菱形，邊長為25cm，采用直徑φ2.2mm鋼絲，抗拉強(qiáng)度不小于350MPa。邊坡設(shè)置了較為完善的由表及里的排水系統(tǒng)，在邊坡周邊設(shè)置截水溝及坡面排水孔，以有效阻止山坡流水進(jìn)入防護(hù)范圍之內(nèi)，坡面設(shè)置排水孔以排除防護(hù)層坡體內(nèi)的滲水。在邊坡護(hù)坡加固的同時(shí)，在邊坡的不同高程設(shè)置多點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行變形檢測。主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)布置見圖2。

4 結(jié)束語

坪頭電站在尾水洞邊坡安裝的FSS系統(tǒng)于2008年完成。目前該邊坡變形受到有效的控制，無危巖滑移剝落等不良情況，保障了工程的安全。由于邊坡危石受力較復(fù)雜，目前理論計(jì)算不完善，本文計(jì)算中沒考慮地震、水流等影響因素，其影響有待進(jìn)一步研究。

圖1 被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)布置示意

圖2 主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)布置