巴塘水電站引水系統(tǒng)邊坡動態(tài)設(shè)計與施工

庹 曉 軍， 古 小 夢

(華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司巴塘分公司，四川 成都 610041)

1 概 述

巴塘水電站引水發(fā)電系統(tǒng)位于象鼻山“鼻尖”端部，三面臨空，邊坡高度超過200m。巴塘水電站樞紐區(qū)位于雄松蘇洼龍及巴塘斷裂夾持的三角形地帶，斷裂構(gòu)造發(fā)育，地震烈度高，基本烈度為Ⅷ度；河谷兩岸邊坡巖體風(fēng)化、卸荷強(qiáng)烈，尤其是金沙江左岸與巴楚河形成的條形山脊部位兩側(cè)巖體普遍存在傾倒變形現(xiàn)象，巖體完整性差。

引水發(fā)電系統(tǒng)邊坡面臨著地質(zhì)條件復(fù)雜，開挖支護(hù)上下交叉干擾大，錨索成孔難，工期緊等難題。建設(shè)單位根據(jù)跟蹤實際調(diào)查揭露的地質(zhì)條件進(jìn)行動態(tài)設(shè)計，采取分層錯臺開挖支護(hù)工藝、錨索跟管固壁造孔等技術(shù)措施，分析研究解決了進(jìn)度慢、干擾大、成孔難等問題，快速進(jìn)行邊坡支護(hù)，使工程的順利推進(jìn)得到保障。

2 邊坡動態(tài)設(shè)計

2.1 引水發(fā)電系統(tǒng)基本地質(zhì)條件

2.1.1 引水系統(tǒng)邊坡

開挖將產(chǎn)生側(cè)向人工高邊坡，高度最高217 m，位于引水明渠部位，由于引水系統(tǒng)開挖邊坡規(guī)模大，開挖邊坡產(chǎn)狀將其分為：

(1)引渠進(jìn)口邊坡，產(chǎn)狀NW300°SW∠63°；

(2)進(jìn)水口段邊坡，產(chǎn)狀NW344°SW∠63°；

(3)壓力鋼管段邊坡，產(chǎn)狀NW305°SW∠63°；

(4)廠房及安裝邊坡，產(chǎn)狀NW274°SW∠63°。引水系統(tǒng)區(qū)邊坡分段平面見圖1。

圖1 引水系統(tǒng)區(qū)邊坡分段平面

2.1.2 優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面

廠房區(qū)邊坡除發(fā)育有f4、f5、f11、f12、f13等斷層外，巖體中節(jié)理裂隙較發(fā)育。其優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面有4組，分別為：

(1)NE30°～83°NW∠70°～90°；

(2)NE20°～90°SE∠62°～90°；

(3)NW270°～NE90°NE(NW)∠0°～35°，；

(4)NW345°～NE30°SW(NW)∠45°～85°。

2.1.3 結(jié)構(gòu)面組合情況

從開挖邊坡與各組結(jié)構(gòu)面組合情況看，邊坡不存在整體穩(wěn)定或深層抗滑穩(wěn)定問題，但淺層松弛，局部塊體垮塌仍有可能發(fā)生。邊坡中第一臺階底部的f36規(guī)模較大，性狀較差，會產(chǎn)生壓縮變形，導(dǎo)致上部坡體拉裂變形，對邊坡變形穩(wěn)定不利。

2.2 系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計

巴塘水電站工程規(guī)模為二等大(Ⅱ)型工程，擋水建筑物、泄水建筑物及引水發(fā)電建筑物等主要建筑物為Ⅱ級，次要建筑物為Ⅲ級。依據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T5353—2006《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》，引水發(fā)電系統(tǒng)邊坡為A類樞紐工程區(qū)邊坡，邊坡設(shè)計級別為Ⅱ級。

壩址區(qū)兩岸地形陡峻，受邊坡風(fēng)化、卸荷等地質(zhì)條件的影響，邊坡表層巖體破碎，多呈碎裂-散體結(jié)構(gòu)，壩址右岸有雄松-蘇洼龍斷裂帶經(jīng)過，左岸有f11斷層(雄松-蘇洼龍斷裂的分支)通過，因此，邊坡支護(hù)措施需重點研究。其中左岸引水系統(tǒng)邊坡高超過200 m，巖體破碎，邊坡開挖、支護(hù)難度較大，尤其是錨索、錨筋樁、錨桿等施工是本工程的一個難點。

引水系統(tǒng)邊坡巖體風(fēng)化、卸荷及傾倒變形強(qiáng)烈，邊坡中上部強(qiáng)風(fēng)化、卸荷、變形巖體切腳開挖后自穩(wěn)條件較差，易發(fā)生滑移破壞。因此，擬定的邊坡系統(tǒng)支護(hù)措施為全坡面進(jìn)行掛網(wǎng)噴護(hù)。永久巖坡采用掛網(wǎng)噴混凝土(噴混凝土C20，厚15 cm，掛網(wǎng)Ф6.5@20 cm×20 cm)及錨桿(Ф25/Ф28，長4.5 m/6 m，間排距2 m×2 m)聯(lián)合支護(hù)，弱風(fēng)化部位馬道下部設(shè)兩排鎖口錨桿(Ф28，長9 m，間排距2 m×2 m)，強(qiáng)風(fēng)化部位馬道設(shè)兩排鎖口錨筋樁(3Ф28，長9 m，間排距3 m×3 m)，局部采用系統(tǒng)錨索(1 000 kN級，長35 m/45 m)+網(wǎng)格梁進(jìn)行支護(hù)。全坡面布置Ф100排水孔，間排距3 m×3 m，孔深5 m。

2.3 動態(tài)開挖支護(hù)設(shè)計

引水發(fā)電系統(tǒng)邊坡原支護(hù)方案主要基于招標(biāo)階段的地質(zhì)資料，進(jìn)行全坡面掛網(wǎng)噴護(hù)，并根據(jù)巖體類別采取針對性的支護(hù)方案，Ⅳ級巖體為預(yù)應(yīng)力錨索+錨筋樁+框格梁，Ⅲ級巖體為預(yù)應(yīng)力錨索+錨筋樁。

由于引水發(fā)電系統(tǒng)邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，僅僅依靠前期的地勘資料，難以反應(yīng)邊坡的實際變形破壞趨勢，為使治理方案更加具有針對性，在引水發(fā)電系統(tǒng)邊坡開挖施工過程中，緊密結(jié)合地質(zhì)、設(shè)計、施工、監(jiān)測四個方面，采用了多專業(yè)協(xié)同的動態(tài)設(shè)計[1]。隨著邊坡施工開挖的進(jìn)行，設(shè)計工程師密切跟蹤邊坡施工現(xiàn)場條件變化，及時掌握邊坡實際開挖揭露地質(zhì)情況，以及邊坡施工期安全監(jiān)測系統(tǒng)[2]反饋信息，適時對當(dāng)前開挖邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行復(fù)核分析，并據(jù)此對邊坡支護(hù)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行修正，同時，對下一級邊坡開挖的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測[3]。

根據(jù)實際揭露的地質(zhì)情況，調(diào)整覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化巖體區(qū)域開挖坡比，分別由1∶0.75調(diào)整至1∶1.5和1∶0.8，同時在裂隙較發(fā)育的Ⅲ級巖體區(qū)域增加框格梁，以發(fā)揮預(yù)應(yīng)力錨索的協(xié)同支護(hù)作用，對于局部變形較大或巖體破碎區(qū)域，采用了錨拉板支護(hù)措施。通過動態(tài)支護(hù)設(shè)計，相比于原設(shè)計方案，邊坡安全性進(jìn)一步提升，使施工及運行期邊坡的安全得到了保障。此外，對于巖石條件較好的進(jìn)水口段邊坡，經(jīng)過動態(tài)計算分析，取消掉部分預(yù)應(yīng)力錨索及框格梁，也使邊坡的支護(hù)措施更加經(jīng)濟(jì)合理。

3 快速支護(hù)施工

3.1 施工程序

引水發(fā)電系統(tǒng)邊坡開挖后最大高度約200 m，引水發(fā)電系統(tǒng)邊坡各類錨桿總計16 800根，錨筋樁4 042束，預(yù)應(yīng)力錨索2 419束，噴護(hù)混凝土16 050 m3。各種支護(hù)工程量大，施工強(qiáng)度高，各工序之間相互制約、相互干擾大。為確保施工進(jìn)度和邊坡穩(wěn)定，開挖施工安排時要從施工總體出發(fā)，兼顧支護(hù)施工，使整個工程項目施工均衡合理地進(jìn)行，因此，開挖與支護(hù)施工布置是一個重點。

為使引水發(fā)電系統(tǒng)邊坡開挖支護(hù)有序開展，根據(jù)本工程的特點、施工道路及現(xiàn)場條件，結(jié)合施工總進(jìn)度計劃，邊坡開挖及支護(hù)工程施工順序，按“自上而下、分區(qū)、分層開挖”的原則進(jìn)行邊坡開挖支護(hù)施工，邊坡開挖采用預(yù)裂爆破，分層高度一般為3 m，水平建基面以上預(yù)留2～3.0 m保護(hù)層。

3.2 優(yōu)化施工方案及工藝

全面支護(hù)施工以前，開展錨索施工工藝試驗，選定合適的施工機(jī)具和施工工藝，確定優(yōu)質(zhì)快速的錨索鉆孔成孔方法[2]，確保施工質(zhì)量和工程進(jìn)度。

3.2.1 現(xiàn)場進(jìn)行技術(shù)分析和動態(tài)設(shè)計

(1)根據(jù)現(xiàn)場開挖揭示的地質(zhì)情況，復(fù)核邊坡失穩(wěn)模式以及斷裂破碎帶的影響，復(fù)核錨索的深度及噸位，復(fù)核順層邊坡穩(wěn)定性及支護(hù)方案；

(2)根據(jù)現(xiàn)場錨索張拉時錨墩沉降變形情況，復(fù)核調(diào)整錨墩尺寸，針對具體地基條件，設(shè)計相應(yīng)的錨墩結(jié)構(gòu)型式避免沉降變形。

3.2.2 調(diào)整施工思路和工序

左岸邊坡巖體破碎，裂隙發(fā)育，施工進(jìn)展緩慢，工期緊，任務(wù)重，而錨索支護(hù)又是邊坡施工的控制性環(huán)節(jié)。為解決面臨的問題，建設(shè)單位在前期錨索生產(chǎn)性試驗的基礎(chǔ)上，及時調(diào)整施工思路和工序，進(jìn)一步完善跟管造孔、預(yù)灌漿固壁造孔以及錨固段預(yù)注漿等工藝試驗[4]，并進(jìn)行工效和成本對比分析，優(yōu)化錨索施工方案，形成優(yōu)質(zhì)快速的錨索鉆孔成孔方法。

3.2.3 左岸邊坡無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索工藝性試驗成果[5]

(1)工藝性試驗選取了Z-2651-5號、Z-2651-6號、Z-2651-32號、Z-2651-34號、Z-2633-40號5束錨索，試驗了三種造孔施工工藝：采用跟管到孔底，然后再拔管至孔底10 m位置處進(jìn)行預(yù)注漿；采用跟管鉆進(jìn)至孔底10～12 m位置處，然后固壁循環(huán)進(jìn)尺至設(shè)計孔深；全孔固壁循環(huán)進(jìn)尺至設(shè)計深度，進(jìn)行預(yù)注漿。

工藝試驗情況分別見表1、注漿情況見表2：

表1 工藝試驗統(tǒng)計表

表2 注漿統(tǒng)計匯總表

(2)Z-2651-32號、Z-2651-34號采用跟管到孔底，然后再拔管至孔底10 m位置處進(jìn)行預(yù)注漿，Z-2651-5號、Z-2651-6號采用跟管鉆進(jìn)至孔底10 m位置處，然后固壁循環(huán)進(jìn)尺至設(shè)計孔深。對比兩種成孔工藝，功效和經(jīng)濟(jì)性無明顯差別，錨索施工時根據(jù)現(xiàn)場情況選擇其中一種成孔工藝。

(3)Z-2633-40號錨索采用全孔段固壁成孔，成孔耗時較長、耗漿量較大，成本高，錨索成孔不采用此工藝。

根據(jù)工藝試驗結(jié)果，經(jīng)評審最終確定了錨索造孔采用跟管到孔底再拔管和跟管鉆進(jìn)至一定深度固壁循環(huán)造孔兩種方法，造孔設(shè)備選用HM90A型履帶鉆機(jī)。分層分區(qū)錯臺開挖支護(hù)，利用開挖平臺作為支護(hù)作業(yè)平臺，減少了鉆機(jī)施工腳手架的搭設(shè)，加快了施工進(jìn)度。

3.3 質(zhì)量控制指標(biāo)

3.3.1 淺層支護(hù)

邊坡淺層支護(hù)采用系統(tǒng)錨桿+錨筋樁+掛網(wǎng)噴射混凝土。

錨桿類型為普通砂漿錨桿，錨桿型號選用Ⅲ級螺紋鋼筋，錨桿水泥砂漿的強(qiáng)度等級不應(yīng)低于30 MPa；錨筋樁采用3根Ф28錨筋焊接，錨筋樁長度12 m，相鄰錨筋每隔150 cm點焊連接。噴混凝土采用C20混凝土，厚度15～20 cm，主要采用干噴法施工，按照施工設(shè)計要求進(jìn)行混凝土配置，噴射自上而下展開，噴射完成后等待終凝，終凝2 h后進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)應(yīng)不少于一周時間。掛網(wǎng)鋼筋保護(hù)層厚度不小于30 mm；鋼筋網(wǎng)搭接不少于200 mm。

3.3.2 深層支護(hù)

深層支護(hù)采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索。

本工程采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索，施工方法采用自上而下分級分層進(jìn)行開挖，開挖與錨索施工進(jìn)行流水作業(yè)，錨索采用HM-90A履帶式錨固鉆機(jī)進(jìn)行施工。錨索為無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索，錨固段長均為7 m，終孔孔徑不小于120 mm，錨索造孔下傾角度為15度，孔斜偏差不得大于2 %。

3.4 錨索施工質(zhì)量控制

錨索錨固段注漿壓力均達(dá)到設(shè)計要求的閉漿壓力0.5 MPa和閉漿時間30 min。錨墩尺寸根據(jù)地基條件有針對性調(diào)整后，錨索在張拉過程中未發(fā)現(xiàn)錨墩明顯沉降，伸長值和錨索測力計數(shù)值均表明錨索施工質(zhì)量滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

4 邊坡監(jiān)測

引水發(fā)電系統(tǒng)邊坡沿上下游方向間隔50 m左右共布置了6個監(jiān)測斷面。監(jiān)測手段主要采用表面變形測點來監(jiān)測邊坡表面變形情況，用多點變位計來監(jiān)測邊坡深部位移情況，錨索測力計、錨筋樁應(yīng)力計和錨桿應(yīng)力計等設(shè)備，為邊坡的動態(tài)設(shè)計和施工提供了很好的技術(shù)支撐。

左岸邊坡多點變位計(孔深為51 m)孔口累計位移變化量在1.91～32.73 mm之間，月孔口位移最大變形速率為0.15 mm/d，量級不大；錨索測力計(1 500 kN)累計變化量在1 475.0～1 649.0 kN之間，累計損失率在-1.58%～6.35%之間，未出現(xiàn)大的突變、增長等現(xiàn)象。目前邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié) 語

巴塘水電站引水發(fā)電系統(tǒng)邊坡受到復(fù)雜地質(zhì)條件等客觀因素的影響，增大了在工程建設(shè)過程中有效保證邊坡的開挖支護(hù)進(jìn)度與質(zhì)量難度。但是，在施工過程中，建設(shè)單位通過系統(tǒng)分析，適時調(diào)整了制約工程進(jìn)度的邊坡支護(hù)方式與錨索支護(hù)施工方案，進(jìn)一步完善錨索施工工藝試驗，選定了合適的施工機(jī)具和施工工藝，確定優(yōu)質(zhì)快速的錨索鉆孔成孔方法，及時解決了錨索成孔難、支護(hù)緩慢等問題。在保證施工安全質(zhì)量進(jìn)度的同時，使邊坡的支護(hù)方式更加具有針對性、適應(yīng)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性。可為同類高邊坡工程設(shè)計與施工借鑒。