長河壩水電站S211復建公路高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及加固措施

聶云峰，張 義，徐自享

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院 交通分院，四川 成都 610072)

1 前 言

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)大渡河上游干流上，為大渡河干流河段梯級開發(fā)規(guī)劃的第十梯級電站，是以發(fā)電為主，兼有防洪等綜合利用效益的大型水利水電樞紐工程。電站裝機容量2 600MW，水庫正常蓄水位1 690m。長河壩水電站上距丹巴縣城約85km，下距瀘定縣城、康定縣城分別約50km、51km，距成都公路里程約360km，省道S211公路從電站樞紐區(qū)右岸通過，并在下游瓦斯河口與國道G318線相接，交通較為方便。根據(jù)《長河壩水電站可行性研究報告》設(shè)計成果，按照電站水庫淹沒影響及施工總布置要求, 需對該段S211省道進行復建。

長河壩水電站S211復建公路K13+510～K13+600m段邊坡陡峻，坡度約40°～65°，大部基巖裸露，巖體卸荷強烈，線路在該陡坡段以外擋內(nèi)挖方式通過，支護措施為預應力錨索擋土墻及噴錨支護等。影響巖質(zhì)高陡邊坡的穩(wěn)定性的因素主要分為兩類：內(nèi)在因素與外在因素。內(nèi)在因素包括不利結(jié)構(gòu)面組合、巖體質(zhì)量、巖體風化卸荷特征等；外在因素包括爆破震動、地下水、地震等。根據(jù)優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面理論，巖質(zhì)邊坡工程不僅應注意邊坡整體穩(wěn)定性，也應注意局部塊體穩(wěn)定。

本文根據(jù)巖質(zhì)邊坡實際情況，采用巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序?qū)Υ蠖珊铀娬镜湫透叨笌r質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定性進行了計算分析，分析了處于不利結(jié)構(gòu)面組合中的危巖體，并根據(jù)計算結(jié)果提出了有效加固措施。

2 高陡巖質(zhì)邊坡地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

工程區(qū)屬深切峽谷地貌，河谷狹窄，谷坡陡峻，河谷下部主要為“V”形谷，局部為峽谷，中上部為寬谷。地形坡度一般40°～45°，局部45°～65°，河床寬度60～150m。該段兩岸分布多條小沖溝，溝槽中分布少量崩積塊碎石，結(jié)構(gòu)松散。

2.2 地層巖性

工程區(qū)巖性為晉寧期-澄江期淺灰色～灰白色花崗巖，花崗巖體內(nèi)含有深灰色輝長巖捕虜體，巖體間呈焊接式接觸關(guān)系。

花崗巖呈淺灰、淺灰白色，偶見肉紅色，中細粒、中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。其礦物成分主要有斜長石、鉀長石、石英、黑云母及少量副礦物(如細粒鐵礦、榍石、磷灰石等)組成。其中斜長石約35%～50%，石英約20%～30%，鉀長石為20%～30%，黑云母約2%～4%。石英閃長巖、輝長巖及淺灰色粗粒黑云母花崗巖局部分布。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)無區(qū)域性斷裂、斷層通過，地質(zhì)構(gòu)造以節(jié)理裂隙(裂隙密集帶)為主要特征，屬于Ⅳ～Ⅴ級結(jié)構(gòu)面，主要為原生結(jié)構(gòu)面及構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，個別為次生結(jié)構(gòu)面。

巖體內(nèi)發(fā)育的裂隙主要有4組:(1)N20°～50°E/SE∠30°～55°，(2)N20°～40°E/SE(NW)∠75°～85°，(3)N60°～85°W/NE(SW)∠70°～85°，(4)N10°～30°E/ NW∠10°～30°。1組結(jié)構(gòu)面間距2～5m，結(jié)構(gòu)面延伸長均在數(shù)十米以上，部分貫穿整個左右岸，將岸坡巖體切割成似層狀，面多平直，微起伏粗糙，一般張開1～5mm，局部張開5～8mm，嵌合松弛，連通性較好。因此，該組結(jié)構(gòu)面是控制壩區(qū)岸坡穩(wěn)定和洞室穩(wěn)定的主要控制性結(jié)構(gòu)面。2和3 組結(jié)構(gòu)面間距1～3m，結(jié)構(gòu)面延伸長均在10～30m以上，面多起伏粗糙，張開0.5～2mm，嵌合較松弛，連通性較好；4組緩傾結(jié)構(gòu)面延伸長度幾米至十余米，常單條發(fā)育，局部地段發(fā)育密度大，面多起伏粗糙，一般張開0.2～1mm，連通性較好。

2.4 水文地質(zhì)條件

大渡河兩岸沖溝旱季無水，僅暴雨期匯集較小流量，向大渡河排泄。

工程區(qū)根據(jù)地下水的賦存條件，含有少量基巖裂隙水。岸坡一般弱風化上段(強卸荷)巖體具強～極強透水性；弱風化下段(弱卸荷)巖體具中等～強透水性；微新巖體具弱微透水性。

2.5 地 震

根據(jù)該水電站工程場地地震安全性評價報告，該區(qū)50年超越概率10%的基巖動峰值加速度為0.172g(地震基本烈度為Ⅷ度)，動反應譜特征周期為0.45s。故公路結(jié)構(gòu)物或構(gòu)造物水平地震峰值加速度和反應特征周期分別按0.172g和0.45s進行抗震設(shè)防。

2.6 巖體風化卸荷特征

工程區(qū)巖體主要為花崗巖，巖石致密堅硬，抗風化能力強，風化作用主要沿裂隙進行，局部可見球狀風化，其風化強度、深度和分布規(guī)律明顯受構(gòu)造、地形、巖體卸荷和地下水等因素控制，總的風化特征是：

(1)巖體風化微弱，淺表部位巖石總體屬弱風化，主要表現(xiàn)為沿裂面多有銹蝕、褪色或2～5mm風化暈。擠壓斷層破碎帶或裂隙密集帶，往往局部風化較強，形成夾層風化。

(2)巖體風化隨高程降低而有所減弱，河床巖體風化一般較淺。

(3)巖體卸荷促進巖體風化的加劇，岸坡巖體風化程度隨著卸荷作用的增強而有所增強。

(4)在有地下水活動處巖石風化亦相對較強。

(5)弱風化巖體的聲波縱波波速Vp=3 000～4 500m/s。

(6)弱風化帶巖體根據(jù)其風化程度和工程意義可進一步分為弱風化上段和下段，弱風化上段一般與強卸荷帶相對應，弱風化下段與弱卸荷帶相對應。

工程區(qū)巖體具有集中卸荷和夾層式風化的特點，弱風化深度約3～14m，強卸荷深度30～40m，弱卸荷深度80～120m。

2.7 局部危巖體發(fā)育特征

工程區(qū)地形陡峻、巖體堅硬致密、節(jié)理裂隙發(fā)育、懸崖眾多，為斜坡巖體松動并轉(zhuǎn)化為危巖體創(chuàng)造了條件，只要是斜坡地形較陡的地段都不同程度的發(fā)育危巖體。危巖體的主要特征為：巖體被三組至四組節(jié)理裂隙切割，巖體嚴重松動，節(jié)理裂隙張開1～20cm，有的危巖體僅有底面與斜坡基巖接觸，周圍臨空。工程區(qū)發(fā)育的危巖體是公路主要的不良地質(zhì)現(xiàn)象，對公路安全運行構(gòu)成了較為嚴重的威脅。

3 邊坡整體穩(wěn)定性分析評價

3.1 邊坡概況

工程區(qū)所在公路等級為三級，巖質(zhì)邊坡按其所屬公路工程等級、邊坡所處位置、邊坡重要性等分析，工程區(qū)地質(zhì)條件較復雜，屬于一級邊坡，為高陡永久邊坡。

高陡巖質(zhì)邊坡典型斷面K13+550m處邊坡高46.9m，坡度約50°～60°，最陡處約60°～70°，表層卸荷較強烈，節(jié)理裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)面微張～張開，巖體被三組至四組節(jié)理裂隙切割形成軟弱結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面類型為巖屑夾泥。

因該處斜坡陡峻，若采用內(nèi)挖邊坡方式，則開挖形成三級巖質(zhì)高邊坡。該段邊坡裂隙較發(fā)育，卸荷較強烈，1組結(jié)構(gòu)面和2組結(jié)構(gòu)面易形成不利結(jié)構(gòu)面組合，影響邊坡整體穩(wěn)定。綜上所述，如采用邊坡開挖方案則支護工程量較大，工程造價較高，不能滿足經(jīng)濟、合理、有效的工程設(shè)計原則。因此該段邊坡采用了不開挖外擋方案，即階梯式錨索擋土墻方案，利用擋土墻自重反壓邊坡，并使預應力錨索穿過巖體強卸荷下限，進入弱風化弱卸荷花崗巖一定深度，確保邊坡整體穩(wěn)定。

3.2 邊坡安全系數(shù)取值

根據(jù)(JTG D30—2004)《公路路基設(shè)計規(guī)范》第3.7.4條規(guī)定，路塹邊坡穩(wěn)定性驗算時，其穩(wěn)定性系數(shù)應滿足表1規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)要求，否則應對邊坡進行支護。

表1 路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

3.3 邊坡設(shè)計標準

3.3.1 邊坡荷載組合

對于開挖后的邊坡，荷載組合為自重+天然狀態(tài)地下水壓力；對于施加支護后的邊坡，荷載組合為自重+天然狀態(tài)地下水壓力+支護措施加固力+路面汽車軸載。工程區(qū)車輛荷載為汽車—80級，汽車軸載為530kN,軸間距3m。

3.3.2 邊坡設(shè)計工況

邊坡設(shè)計工況分為三種，分別為：

(1)正常工況：邊坡處于天然狀態(tài)下的工況；

(2)正常工況Ⅰ：邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨狀態(tài)下的工況；

(3)非正常工況Ⅱ：邊坡處于地震等荷載作用狀態(tài)下的工況。

3.4 邊坡整體穩(wěn)定性計算依據(jù)

3.4.1 典型剖面選取

通過現(xiàn)場地面地質(zhì)調(diào)查，本文選取K13+550m處具有代表性的沿主滑方向(優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組合方向即1組結(jié)構(gòu)面與2組結(jié)構(gòu)面的不利結(jié)構(gòu)面組合方向)的剖面進行穩(wěn)定性計算，以便詳細分析評價高陡巖質(zhì)邊坡的情況。

3.4.2 滑面假設(shè)及滑移模式

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，上述高陡邊坡基巖裸露，巖性為花崗巖，卸荷較強烈，節(jié)理裂隙較發(fā)育，部分結(jié)構(gòu)面連貫性較好，巖體可能沿不利結(jié)構(gòu)面組合即軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生平面滑動。

3.4.3 計算方法

本文采用水科院陳祖煜院士開發(fā)的EMU巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析軟件，計算方法主要采用嚴格janbu(檢布)法、簡化Bishop法。

3.4.4 計算工況

結(jié)合滑移模式，本文分別核算了三種工況，即天然條件、降雨條件(按孔隙水壓力系數(shù)γu=0.2考慮)、8度地震工況。

3.4.5 計算參數(shù)

邊坡計算選取強度參數(shù)見表2。

表2 邊坡穩(wěn)定計算參數(shù)

暴雨或長時間降雨工況下軟弱結(jié)構(gòu)面凝聚力選取為0.035MPa，地震工況下軟弱結(jié)構(gòu)面凝聚力選取為0.03MPa。

3.4.6 邊坡開挖及支護方案

K13+550m處邊坡較為陡峻，采用不開挖外擋即錨索擋土墻支護方案(見圖1)。具體開挖及支護方案如下：

邊坡高53.8m，高陡巖質(zhì)邊坡按規(guī)范要求開挖呈階梯型，高寬比1∶0.5。底寬4.475m，階梯高2～3m，階梯寬1～1.5m。擋土墻基礎(chǔ)及墻身均采用C15片石混凝土。

沿剖面方向布置2根8φ15.2預應力錨索，鎖定張拉力為1 000KN，錨索長30m，下傾10°～15°。錨桿采用￠25注漿錨桿，長4.5m，錨入巖體3.5m，梅花型布置。

3.5 邊坡整體穩(wěn)定性計算

本次利用極限平衡分析方法進行計算，其穩(wěn)定系數(shù)見表3。

表3 邊坡整體穩(wěn)定性計算結(jié)果

3.6 邊坡整體穩(wěn)定性評價

根據(jù)邊坡整體穩(wěn)定性計算結(jié)果，K13+550m自然邊坡在天然工況下為基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下為欠穩(wěn)定狀態(tài)，在地震工況下為失穩(wěn)狀態(tài)。K13+550m邊坡施加錨索+噴錨支護后在天然工況及暴雨工況下為穩(wěn)定狀態(tài)，在地震工況下為基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4 邊坡局部危巖體穩(wěn)定性分析評價

工程區(qū)斜坡陡峻，該段公路上方約20m陡坡處分布危巖體，巖體松動變形強烈，局部懸空。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，邊坡為N27°E/SE∠60°,危巖體主要被三組結(jié)構(gòu)面切割：

圖1 K13+550m處邊坡開挖支護示意

(1)L1:N35°E/SE∠43°；

(2)L2:N30°E/SE∠80°；

(3)L3:N73°W/NE∠78°。

從圖2可見，L1結(jié)構(gòu)面與L2結(jié)構(gòu)面與坡面傾向相同，L1結(jié)構(gòu)面為順坡向中傾節(jié)理，傾角小于坡角。L2結(jié)構(gòu)面為順坡向陡傾節(jié)理，傾角大于坡角。L3結(jié)構(gòu)面基本垂直于邊坡坡向，屬于橫坡向陡傾節(jié)理。因此L1、L2、L3結(jié)構(gòu)面與坡面組成較明顯的不穩(wěn)定塊體，穩(wěn)定性較差，判定為危巖體。

建議工程區(qū)根據(jù)局部危巖體分布情況，有針對性的采用長錨桿及錨筋束加固方案，錨桿與錨筋束與結(jié)構(gòu)面應大角度相交，若塊體體積較小時可采取爆破清除方案，確保邊坡局部塊體穩(wěn)定性。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié) 論

(1)巖質(zhì)邊坡開挖后在某些工況下可能沿軟弱結(jié)構(gòu)面即不利結(jié)構(gòu)面組合產(chǎn)生失穩(wěn)，施加錨索后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)明顯提高，無邊坡整體失穩(wěn)現(xiàn)象。根據(jù)穩(wěn)定性計算結(jié)果和邊坡結(jié)構(gòu)特征分析，施加支護后該邊坡整體穩(wěn)定，邊坡支護設(shè)計方案合理有效。

圖2 邊坡主要結(jié)構(gòu)面赤平極射投影

(2)高陡巖質(zhì)邊坡局部存在危巖體，本文利用赤平極射投影圖分析評價了結(jié)構(gòu)面對邊坡局部塊體穩(wěn)定性的影響，提出了相應加固措施。

5.2 建 議

(1)邊坡支護設(shè)計時應根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)情況，因地制宜采用多種支護手段，選擇經(jīng)濟合理有效的支護方案。

(2)巖質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定狀態(tài)主要取決于軟弱結(jié)構(gòu)面，應查清軟弱結(jié)構(gòu)面分布及其對邊坡巖體的不利影響因素，為邊坡加固方案提供符合實際情況的設(shè)計參數(shù)。

(3)邊坡錨索施工時應充分考慮軟弱結(jié)構(gòu)面的走向及傾角，為最大限度發(fā)揮錨索的作用，應盡可能使預應力錨索與軟弱結(jié)構(gòu)面大角度相交。

(4)巖質(zhì)邊坡爆破震動對巖體結(jié)構(gòu)面力學性能產(chǎn)生較大影響，對高陡巖質(zhì)邊坡采取弱爆破方式，保證巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。

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