金川水電站泄洪洞進(jìn)口邊坡設(shè)計(jì)優(yōu)化與效果評(píng)價(jià)

閆 峰,唐鵬程,郭治國,覃事河

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065；2. 國能大渡河金川水電建設(shè)有限公司，四川 金川 624100)

0 前 言

高邊坡安全監(jiān)測(cè)是開挖、支護(hù)施工及運(yùn)行期必須開展的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，主要內(nèi)容包括邊坡巖體內(nèi)部變形、錨固應(yīng)力荷載、支護(hù)應(yīng)力等[1-3]。根據(jù)金川水電站施工總進(jìn)度安排，泄洪放空洞需要在2022年4月除進(jìn)水塔上部混凝土施工外全部建成具備過水能力的要求。進(jìn)口邊坡位于2號(hào)變形體內(nèi)，巖石條件差，原開挖高度施工難度大，工期長加之2020年初新冠疫情的影響等因素，為了達(dá)到預(yù)期的工程節(jié)點(diǎn)目標(biāo)，泄洪洞進(jìn)口邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)整的必要性就顯而易見。為了驗(yàn)證泄洪洞進(jìn)口邊坡優(yōu)化支護(hù)合理性，本文結(jié)合金川水電站泄洪洞進(jìn)口邊坡安全監(jiān)測(cè)資料分析成果，分析邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)開挖及支護(hù)措施效果，結(jié)果表明優(yōu)化后的強(qiáng)錨少挖區(qū)域內(nèi)及其他區(qū)域開挖支護(hù)錨固效果良好，可為金川水電站泄洪洞進(jìn)口邊坡施工提供支撐。

1 工程概況

金川水電站為大渡河干流規(guī)劃的第6個(gè)梯級(jí)電站，上銜雙江口水電站下接安寧水電站。金川水電站工程屬Ⅱ等大(2)型工程，擋水、泄水、引水及發(fā)電等永久性主要建筑物為2級(jí)建筑物[4]。泄洪洞進(jìn)口邊坡山體陡峭，且位于Bxt2變形體內(nèi)，為了盡量減少對(duì)泄洪洞進(jìn)口邊坡巖體擾動(dòng)，采用少挖強(qiáng)錨方式，開挖坡比調(diào)整為1∶0.3，在2 205.00 m高程設(shè)置一級(jí)8 m馬道，2 225.00 m高程以上設(shè)置一級(jí)馬道寬度3 m。

2 工程地質(zhì)條件

圖1 泄洪洞進(jìn)口地質(zhì)分布

泄洪洞進(jìn)口開挖邊坡位于2 253.00 m正常蓄水位以下，水庫蓄水后，邊坡淺表部強(qiáng)卸荷、傾倒巖體可能會(huì)發(fā)生調(diào)整性變形，雖不至于影響進(jìn)口邊坡的整體穩(wěn)定性，但仍需視具體情況考慮針對(duì)性的防護(hù)措施。需要注意地表水的疏排，防止雨水滲入從而降低進(jìn)口邊坡穩(wěn)定性。

3 泄洪洞進(jìn)口邊坡設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整開挖支護(hù)方案

泄洪洞進(jìn)口邊坡位于2號(hào)變形體內(nèi)，巖石條件差。考慮到傾倒變形巖體破壞機(jī)理復(fù)雜，規(guī)模大，碳質(zhì)千枚巖強(qiáng)度較低，遇水易軟化等不利因素，可研階段泄洪洞進(jìn)口邊坡開挖高度約130 m，施工難度大，施工工期長(見圖2)。為了保證泄洪洞參與汛期(大于1 791 m3/s)導(dǎo)流洞、泄洪洞聯(lián)合泄流的重要節(jié)點(diǎn)目標(biāo)，施工期階段采用“少挖強(qiáng)錨”設(shè)計(jì)思路，減小了對(duì)邊坡的人工擾動(dòng)原則，對(duì)進(jìn)口高邊坡開挖支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)縮短施工工期，降低了施工難度及安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 優(yōu)化前施工支護(hù)方案 單位：高程,m

為了驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)進(jìn)口邊坡的整體穩(wěn)定性計(jì)算分析并為開挖支護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。采用極限平衡法進(jìn)行極限平衡分析，選取最高邊坡位置剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算。根據(jù)巖體力學(xué)建議值并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件分析綜合考慮天然、開挖+支護(hù)、蓄水等7種工況計(jì)算成果見表1。

表1 泄洪洞進(jìn)口邊坡最高位置剖面極限平衡計(jì)算成果表

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果分析得出在有效工程措施下所有邊坡穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，說明開挖支護(hù)后變形體強(qiáng)度能滿足工程需要，邊坡穩(wěn)定狀況良好。

優(yōu)化后最大邊坡開挖高度約75 m，減少約55 m。優(yōu)化后進(jìn)口邊坡頂部支護(hù)高程2 367.00 m，開口線高程為2 245.00 m，邊坡開挖最大高度從130 m降至75 m(見圖3)。

圖3 施工期優(yōu)化后的施工支護(hù)方案 單位：高程,m

為了盡量減小對(duì)巖體擾動(dòng)，采用少挖強(qiáng)錨的方式，高程2 359.00～2 367.00、2 326.00～2 334.00 m分別布置3排1 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索，高程2 278.00～2 298.00 m布置6排1 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索，山梁右側(cè)范圍在高程2 278.00～2 286.00 m布置3排錨索；高程2 205.00 m以上開挖坡面采用4.5 m/9.0 m系統(tǒng)錨桿、1 000 kN錨索+混凝土貼坡進(jìn)行支護(hù)；高程2 205.00 m以下坡面采用4.5 m/9.0 m系統(tǒng)錨桿、2排1 000 kN鎖口錨索。為保證施工期安全，每層坡面達(dá)到設(shè)計(jì)坡比要求后及時(shí)初噴5 cm厚C20混凝土對(duì)坡表巖塊進(jìn)行粘結(jié)和封閉。優(yōu)化后土石方開挖減少67 417 m3，錨桿減少1 076根，錨索減少31束，鋼筋用量減少142 t，混凝土量減少2 780 t，防護(hù)網(wǎng)增加8 290 m2，詳細(xì)見表2。

表2 泄洪洞進(jìn)口邊坡土建工程量?jī)?yōu)化對(duì)比

4 安全監(jiān)測(cè)布置及成果分析

為了解“少挖強(qiáng)錨”優(yōu)化支護(hù)后的邊坡穩(wěn)定效果，可研階段布置了4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。1-1監(jiān)測(cè)斷面布置在泄洪洞進(jìn)口上游，2-2及3-3監(jiān)測(cè)斷面布置在泄洪洞進(jìn)口處，4-4監(jiān)測(cè)斷面布置在泄洪洞進(jìn)口下游，各斷面測(cè)點(diǎn)布置最大高程位于傾倒變形體上緣。對(duì)邊坡支護(hù)區(qū)域布置多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)邊坡內(nèi)部變形，布置錨索測(cè)力計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)支護(hù)應(yīng)力變化情況。

根據(jù)施工期開挖支護(hù)優(yōu)化方案調(diào)整對(duì)邊坡監(jiān)測(cè)進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的調(diào)整(見圖4)，可研階段主要監(jiān)測(cè)斷面未做調(diào)整。原開挖區(qū)域布置的多點(diǎn)位移計(jì)仍在原位置附近安裝。根據(jù)新的錨索支護(hù)方案，共布置了30套錨索測(cè)力計(jì)(可研階段監(jiān)測(cè)方案布置16套)，除布置在斷面上各表面變形測(cè)點(diǎn)附近的錨索測(cè)力計(jì)外，另按照5%的土建錨索比例選取各區(qū)域土建錨索布置測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)各區(qū)域錨固應(yīng)力荷載支護(hù)情況，錨桿應(yīng)力計(jì)由原方案布置6套減少為3套[5]。

圖4 施工期優(yōu)化后的施工支護(hù)監(jiān)測(cè)布置方案 單位：高程,m

根據(jù)泄洪洞進(jìn)口邊坡支護(hù)優(yōu)化調(diào)整，按照施工階段的優(yōu)化調(diào)整與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求，泄洪洞進(jìn)口邊坡4個(gè)主要監(jiān)測(cè)斷面，布設(shè)多點(diǎn)變位計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、錨索測(cè)力計(jì)、表面變形墩等主要監(jiān)測(cè)設(shè)備。監(jiān)測(cè)進(jìn)口邊坡的表面、深度變形、應(yīng)力、錨固支護(hù)噸位等情況共布設(shè)實(shí)施約64臺(tái)/套監(jiān)測(cè)設(shè)備。根據(jù)DL/T 5178-2016《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[2]及樞紐區(qū)邊坡安全監(jiān)測(cè)技術(shù)要求的1次/周的監(jiān)測(cè)頻次，發(fā)現(xiàn)異常情況加密觀測(cè)、及時(shí)反饋相結(jié)合的方式。為開挖支護(hù)實(shí)時(shí)提供有效的數(shù)據(jù)分析[6]奠定基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)指導(dǎo)安全施工提供有力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支持。

按照強(qiáng)錨少挖的設(shè)計(jì)原則，錨固開挖支護(hù)完成后根據(jù)監(jiān)測(cè)儀器所測(cè)得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析綜合分析：進(jìn)口邊坡強(qiáng)錨少挖區(qū)域范圍內(nèi)表面變形水平累計(jì)位移在5.63～133.75 mm(見圖5)；垂直累計(jì)位移-13.18～78.47 mm(見圖6)；巖體內(nèi)部位移累計(jì)位移在-0.86～3.28 mm(見圖7)；巖體深層錨固荷載在912.4～1110.6 kN以內(nèi)(見圖8)；淺層錨固應(yīng)力在-2.70～43.66 MPa之間，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未見明顯變化過程。

圖5 泄洪洞進(jìn)口邊坡表面位移曲線

圖6 泄洪洞進(jìn)口邊坡垂直位移曲線典型圖

圖7 泄洪洞進(jìn)口邊坡內(nèi)部位移曲線典型圖

圖8 泄洪洞進(jìn)口邊坡錨固荷載曲線典型圖

由圖4、5中泄洪洞進(jìn)口邊坡表面水平位移計(jì)及垂直位移顯示可知，位于1-1斷面低高程表面變形點(diǎn)2021年8月間由于泄洪洞進(jìn)口與導(dǎo)流洞進(jìn)口開挖支護(hù)雙重因素影響出現(xiàn)變形數(shù)據(jù)增加情況。隨著后期開挖支護(hù)完成后泄洪洞進(jìn)口表面變形數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。泄洪洞進(jìn)口深部位移、錨固支護(hù)、表面變形監(jiān)測(cè)儀器顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)增長與進(jìn)口邊坡開挖時(shí)序具有高度一致性。在2021年9月后完成開挖支護(hù)后(見圖4～8)，邊坡深部變形、錨固應(yīng)力進(jìn)入應(yīng)力重新調(diào)整階段。各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化都基本趨于穩(wěn)定，泄洪洞進(jìn)口邊坡監(jiān)測(cè)儀器顯示：進(jìn)口邊坡錨固應(yīng)力、表面變形整體穩(wěn)定。從深部位移、錨固支護(hù)、表面變形監(jiān)測(cè)儀器所揭示的數(shù)據(jù)分析顯示優(yōu)化后的強(qiáng)錨少挖區(qū)域內(nèi)及其他區(qū)域開挖支護(hù)錨固效果良好。

5 結(jié) 論

本文對(duì)金川水電站泄洪洞進(jìn)口邊坡土建開挖支護(hù)優(yōu)化調(diào)整、安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)布設(shè)調(diào)整及實(shí)施后安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析成果。根據(jù)優(yōu)化后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋，分析得到以下結(jié)論：

(1) 根據(jù)泄洪洞進(jìn)口邊坡開挖支護(hù)優(yōu)化調(diào)整后，對(duì)于監(jiān)測(cè)儀器的布設(shè)位置、監(jiān)測(cè)區(qū)域、數(shù)量做同步調(diào)整，對(duì)于重點(diǎn)關(guān)注支護(hù)區(qū)域需要重點(diǎn)關(guān)注布置儀器。

(2) 根據(jù)邊坡安全監(jiān)測(cè)儀器量化出的有效錨固噸位及變形情況實(shí)時(shí)分析成果，為邊坡開挖支護(hù)階段安全施工提供了數(shù)據(jù)支撐。

(3) 進(jìn)口邊坡實(shí)行的采用“少挖強(qiáng)錨”開挖支護(hù)優(yōu)化方式是合理的，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)驗(yàn)證支護(hù)穩(wěn)定參數(shù)及支護(hù)效果具有重要意義。

(4) 泄洪洞進(jìn)口邊坡目前還未經(jīng)歷汛期及蓄水考驗(yàn)，后期還需根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步探究遇水軟化工況下的穩(wěn)定問題。