水布埡電站大巖淌滑坡體加固設計及治理效果

羅福海 夏界平 於習軍 周玉紅

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司,湖北武漢 430010;2.長江三峽勘測研究有限責任公司,湖北宜昌 443000;3.湖北清江水電開發有限責任公司,湖北宜昌 443000)

水布埡電站大巖淌滑坡體加固設計及治理效果

羅福海1夏界平2於習軍1周玉紅3

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司,湖北武漢 430010;2.長江三峽勘測研究有限責任公司,湖北宜昌 443000;3.湖北清江水電開發有限責任公司,湖北宜昌 443000)

水布埡大巖淌滑坡體位于大壩左岸大崖東側坡腳下游,上距壩軸線 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。滑坡體一旦失穩,將堵塞地下電站尾水隧洞出口及河道,嚴重威脅樞紐工程安全運行。簡述了對大巖淌滑坡體的研究論證和加固措施,在發現地質條件發生變化時,采用了二次加固措施;提出了對前緣抗滑樁支擋加固、地表防滲排水、地下排水、前緣防沖護岸和安全監測等一系列綜合整治方案,以保證滑坡體處于穩定狀態。

混凝土面板堆石壩;滑坡;加固設計;治理方法;水布埡水利樞紐

1 滑坡體的地質特性

大巖淌滑坡體位于清江水布埡面板堆石壩下游,西側為大崖陡壁,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。滑床下伏基巖內揭示大小斷層 70多條,斷層大多規模小、傾角陡、斷距小或不明顯,具張拉性質;基巖內相對軟弱的頁巖夾層較多,常遭順層剪切破壞形成泥化夾層。頁巖、泥灰巖等軟巖風化相對強烈。斷層與裂隙的切割,嚴重影響到巖體的完整性,而泥化夾層強度低,性狀差,給滑體順層滑動提供了有利條件。滑坡區分布的物質主要為崩、坡積層及滑坡堆積層,多由大塊石、塊石夾碎石土組成,結構松散,局部架空,透水性好,屬強透水層。底部滑帶土粘粒含量高,結構密實,透水性弱,屬相對隔水層。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 滑坡體穩定分析與治理措施

2.1 穩定分析方法

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

2.2 加固的基本原則

大巖淌滑坡體規模較大,考慮到其受水布埡大壩施工干擾嚴重,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期穩定性以及確保樞紐工程運行的安全性,對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岸的綜合整治措施。結合防治滑坡的目的和特殊的整治環境,確定了加固方案的基本設計原則:

(1)安全系數不小于1.15,確保工程主體建筑物的施工和運行安全;

(2)保持和改善滑坡體及其周圍的自然環境,不能因為治理滑坡體而破壞周圍岸坡的穩定,避免發生新的環境地質問題;

(3)采取的工程措施應針對影響穩定性的主要因素,在安全穩妥的前提下,盡量節省工程投資;

(4)針對大巖淌滑坡體的重要性、滑坡問題的復雜性以及其他一些不確定性因素,在滑坡體安全監測設計過程中,應開展對滑坡體深部位移、地表變形、地下水位及加固施工期抗滑樁受力等方面的監測項目,以便監測滑坡體的穩定性。

2.3 設計安全系數的確定

對大巖淌滑坡體實施治理加固工程措施以后,其安全標準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穩定性。設計安全系數的取值見表 1。

表1 滑坡體設計工況及設計安全系數

3 設計方案

根據上述原則,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測布置見圖 1。

3.1 抗滑樁加固

針對滑坡性質和必須滿足穩定性的安全系數,并考慮降低地下水位的作用,滑坡體抗滑穩定的重要手段是采用抗滑樁進行加固,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號公路高程 234m的內側,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,內力計算采用“K”法,按鉸支考慮。巖體彈性抗力系數 3×105kN/m3,樁身作用于圍巖的側向壓應力折減后取5.6 MPa。根據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。經各階段比選,最終將抗滑樁結構確定為圓形樁,其中對滑坡體厚度大于 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,因為每年度汛均要放水;滑坡體的坡滑舌部位又是溢洪道挑流坎,無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,與一般的大氣降雨相比,泄洪霧化雨的強度更大、歷時更長。為此在泄洪降雨區,根據霧雨強弱分布情況對地表防滲采用現澆不同厚度的混凝土進行保護,護坡厚度為0.3～1.0 m。為防止護坡混凝土開裂滲水,在混凝土下鋪設排水盲溝。對非泄洪降雨區的滑坡體坡面及其周邊坡面均進行植被綠化。

地表排水系統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大修整而成。地表橫向排水溝則是根據地形、公路及護坡的格局隨機布置,其主要作用是導排滑坡體內的坡面匯水并將其引至縱向排水溝內。

3.3 地下排水

滑坡體處于穩定狀態就可以減少滑坡體的動水壓力。針對滑坡體的地形環境,確定該滑坡體的排水設施以排水洞為主,排水洞主要是依據滑坡體內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號和 2號勘探豎井連通,同時增設 3號豎井,形成洞井系統,設置集水井抽排匯水。

排水洞內布設有排水孔,排水孔分兩種類型,一類為主排水孔,布置在排水洞頂拱部位;另一類為輔助排水孔,布置在排水洞側壁。主排水孔是排除滑坡體內地下水的關鍵設施,為了確保其排水的有效性,主排水孔除了常規的從洞頂朝上鉆設的仰孔以外,還增設了從地面朝洞內鉆設的穿透式排水孔。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,洞的兩側各布置 1排,孔深 1.0m,孔徑 φ56mm,安裝MY50型塑料濾水管。

3.4 護岸工程

由于溢洪道泄洪消能區的開挖,使大巖淌滑坡體前緣高程 230m以下的坡度較陡,該部位在泄洪時江水流速較大,同時滑坡體上的 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,對滑坡體前緣采取了穩妥可靠的護岸工程措施。護岸工程是作為永久防護工程被納入溢洪道建筑物。

3.5 穩定復核及補充加固

3.5.1 穩定復核

滑坡體前部的 1號公路是大壩填筑運料的主要交通道路,受到運料車輛和施工的擾動比較嚴重;滑坡體前緣由于防淘墻開挖造成局部臨空,使滑坡體的自然條件也發生了較大變化。2007年 6月 19日～7月 2日,清江上游連續降雨,根據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,其霧雨強度及影響范圍非常大,使滑坡體后緣的移民點也在泄洪霧雨影響范圍內。在長期霧雨和沖刷的作用下,滑坡體前部堆積物在強霧雨滲透下極易飽和,地下水不能及時排出,極大地增強了堆積體的靜水和動水壓力作用,導致滑坡體前緣下游側及 3號公路一段沿河岸坡堤垮塌,基巖被沖刷顯露、淘蝕深度約達 10m,見圖 2。垮塌發展到前部抗滑樁的支擋范圍內,幸好未進一步擴大。根據監測成果可以看出,由于抗滑樁起到了抗滑作用,因而滑坡體的整體穩定性并未受到影響,但局部變形仍在發展。

圖2 滑坡體岸坡被霧化沖刷后的垮塌范圍

監測發現,大巖淌滑坡體前緣由于防淘墻開挖造成了局部臨空,致使滑帶土的力學參數較可研階段下降較多,這些因素均對滑坡體的穩定性很不利,而穩定性無論對于施工期還是今后工程的運行期,都相當重要。由于滑坡體邊界條件的變化和穩定性現狀,必須對其穩定性進行復核分析,對復核分析結果不能滿足安全標準的部位進行補充加固。

3.5.2 穩定復核計算方法

經過大量的反演計算和敏感性分析,利用施工階段抗滑樁的受力效果及排水洞、拉錨洞的施工場地,對滑坡體主滑帶、基巖軟弱夾層開展物理、力學性質試驗和滑坡的變形現狀分析,結合考慮滑坡的充水情況以及已固結的滑帶可能遭受了重新破壞,對滑坡體穩定性進行了復核。穩定復核計算以常用的剩余推力法為主,得出補充加固工程設計安全系數,見表 2。

表2 滑坡體穩定性復核及補充加固設計安全系數

穩定性分析和計算成果表明,滑坡體的剩余推力曲線呈雙峰形狀,其中前緣的局部穩定性較差。從規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。滑體前緣沿主滑面,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 沿泥化夾層補充阻滑加固

另外滑坡體也有可能是沿基礎泥化夾層破壞,針對具體情況進行了計算,結果表明,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厚度為3.1m。大巖淌滑坡體基巖深層抗滑穩定構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,強度低,埋藏較深,分布連續,適于采用阻滑鍵進行置換加固。根據防淘墻處的地質剖面及防淘墻設計臨空線與泥化夾層的相對關系,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,采用混凝土結構,城門為洞形斷面,尺寸為3.5m×4.72m。混凝土標號采用 C30,抗剪強度取1 960 kN/m2。阻滑鍵兩側壁各布置 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;對阻滑鍵洞頂進行回填灌漿處理。經計算,單排阻滑鍵的設計支擋力為 5 390 kN/m。

3.5.4 主滑面抗滑加固

沿主滑面實施的補充加固措施仍選用人工挖井的鋼筋混凝土抗滑樁型式。根據穩定分析得出的剩余下滑力分布曲線,在第 1期抗滑樁后面增補了 2排,局部增加 3排抗滑樁,以控制后部至前緣的局部穩定;第 2期共增加抗滑樁 54根,采用矩形沉頭樁。根據堆積體厚度和設計支擋力的不同,第 2期抗滑樁也分為 3種類型:Ⅰ型樁的斷面尺寸為 3 m×4.5 m,錨固段長 13m;Ⅱ型樁的斷面尺寸為 3m×4 m,錨固段長 11 m;Ⅲ型樁的斷面尺寸為 3m×4m,錨固段長 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。

圖3 前緣泥化夾層加固范圍

4 安全監測設計

安全監測成果可以直觀地反映滑坡體的安全穩定性狀態,本監測設計方案也是實施滑坡體加固措施的一個組成部分,監測設計方案包括以下幾個方面。

4.1 大地變形監測

大地變形監測是通過地表垂直位移和水平位移來了解整個滑坡體的外部變形情況,它是對滑坡體進行穩定監測的一個重要手段。測點沿滑坡體中軸線方向布置一個監測剖面;在滑坡體的前部布置 3個測墩,其主滑方向及左右側各布置 1個測墩;滑坡體的中部和后部也同樣布置測墩。外部變形監測與滑坡體加固同期進行。

4.2 滑坡體深部位移監測

沿滑坡體軸線為主要監測斷面,在前部、中部和后部布置了 6個位移監測孔。其中主滑坡方向布置3個測孔,東西兩側次級滑坡體方向各布置 1個測孔;深部位移監測布置情況見圖 1。加強滑坡體安全監測工作的主要內容包括:

(1)深部水平位移監測;(2)地下水位監測;(3)地表安全巡視。

4.3 抗滑樁的鋼筋應力監測

在抗滑樁施工前,先進行 3號試驗樁的施工,一方面可以從中獲取有關技術參數和施工經驗,另一方面在 3號試驗抗滑樁埋設鋼筋計,以了解滑帶上、下施工期和今后運行期抗滑樁的應力變化情況,在第 1期施工的抗滑樁的 3號試驗樁、Z2-6、Z2-16、Z2-22、Z1-9和 Z3-1抗滑樁均埋設了監測儀器。在第 2期加固施工過程中,僅在個別抗滑樁內增補了部分監測儀器。

5 滑坡體的穩定性評價

在對大巖淌滑坡體的治理工作進行充分的科學研究和論證的基礎上,針對各種不利的運行工況和地質條件,采用剛體極限平衡和有限元等分析與計算,并結合施工條件,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岸等綜合治理設計方案。施工后期,由于滑坡體的力學參數等邊界條件發生了較大變化,在滑坡體下部的基巖內發現了順坡向順層剪切泥化夾層,于是,對不能滿足設計安全系數的部位采取了補充加固(抗滑樁加阻滑鍵)處理措施。根據監測資料,目前大巖淌滑坡體的深部位移和地下水滲漏情況沒有明顯增大,滑坡體趨于穩定狀態,說明治理研究方向正確,加固處理措施恰當。

[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設計[J].水利水電快報,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].人民長江,2006,8.

TV 641.43

A

1006-0081(2011)08-0026-05

2011-05-23

羅福海,男,長江勘測規劃設計研究有限責任公司水布埡工程設代處處長,高級工程師。