新型防護系統在坪頭水電站高陡邊坡支護設計中的應用

朱 江，曹 煜，龐明亮

(1.四川大學 水利水電學院，四川 成都 610065；2.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

FSS系統是一種開放式新型輕型柔性防護系統，較傳統的全坡面防護方法可降低工程造價、施工簡單、防巖崩效果好、材料性能穩定，同時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系統設計

2.1 設計方案比選

假設根據地貌特征和地質構造分析，山體整體穩定，可選擇傳統掛網噴錨支護、錨索支護等支護方式。掛網噴錨支護屬于封閉式的蛋殼型結構剛性防護。對危石用錨桿支護，主動加固圍巖，發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，難免破壞生態環境。而錨索支護是對巖體的深層加固措施，對大面積、淺層次危巖的加固，錨索數量大、間距小，將使造孔、灌漿工作量大，費用高，工期長，并且錨索間距過小不利于發揮群錨效應。而FSS系統能適應各種地形條件，不破壞坡面植被生長條件，也不會增大坡面荷載，有利于坡體穩定，是新一代SNS邊坡柔性安全防護。

2.2 參數計算與分析

被動支護是為了防止邊坡高處危石帶來的威脅。假設危石體積V，危石密度ρ，則危石質量m=ρV；坡面對危石的動摩擦系數取μ，山體坡度θ，

勢能計算公式：E勢=mgh

(1)

(2)

E=E勢-W

(3)

E=ET+EA(ET=mV2/2,EA=Iω2)

(4)

ET=E/1.2(經驗公式)

(5)

根據上述計算結果,確定危石的動能ET,它是確定FSS系統量級的重要參數。確定系統高度也是非常重要的，但它與量級無關，與危石彈跳的速度和彈跳的角度有關。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，避免危石在彈跳時翻越攔截系統，應適量削去坡體凸出部分。系統應選擇安裝在地形平坦、靠山上方的斜坡角度小、落石動量少、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，選用主動支護較為理想。為了確定該區的主動柔性防護的具體方案，假設危石的體積V、密度ρ、質量m，該危石與山體接觸，有較大的裂隙和裂縫且部分懸空，隨時有下墜的可能。為阻止危石下滑有兩個措施：一是增大山體對危石的阻力；二是使用鋼繩網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，危石越穩定。危石的重心垂線落在接觸面內，危石穩定的可靠度提高。計算公式為：

F阻=μ1(P+mgcosθ)+μ2P

(7)

式中μ1——危石與山體的摩擦系數；

μ2——鋼繩網與危石的摩擦系數；

P——鋼繩網對危石的法向總壓力。

由上式可知：μ1增大，F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。當摩擦阻力不足以阻止危石下滑時，需要鋼繩網對危石施加上拉力。這個上拉力需要上拉錨桿來實現，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

n=F拉÷F抗或上拉錨桿數n=F拉÷F剪

(9)

式中F抗——錨桿的抗拔力；

F剪——錨桿的抗剪力。

計算結果中取大值。

當坡度θ=90°為極限狀態時，山體表面呈垂直狀，固住危石需要的上拉錨桿數量計算如下：

F拉=mgsinθ-(μ1+μ2)P

需要的上拉錨桿數

n=F拉÷F抗或上拉錨桿數n=F拉÷F剪

計算結果中取兩者的大值。

3 實例分析

3.1 工程地質條件

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，多由砂板巖構成，山體陡峭，巖石裸露，地貌結構十分復雜。巖層節理裂縫縱橫交錯，邊坡巖體中存在N65°～70°E/SE∠35°～40°和N50°～60°E/NW∠55°～65°兩組裂隙，這兩組裂隙發育非常充分，裂隙張開3～10cm。上述裂隙組合，可形成楔形不穩定塊體，沿邊坡上游S59°W方向偏山外7°滑動。由于年生日久，巖體不斷風化導致巖體十分破碎。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，巖塊隨時都有滑動的可能，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。

據推測，尾水渠邊坡可能有邊坡上部巖體滑動破壞、邊坡下部巖體卸荷拉裂破壞和崩塌破壞等形式。巖體滑動破壞主要分布于高程666.00～800.00m以上。該范圍內的邊坡由土石組成，面層為覆蓋層，巖塊隨時都有滑動的可能，危石一旦受自然沖力波擊，即產生滑動。特別是大雨季節，巖塊受地表水沖擊而滑落，滑落的危石動能巨大，將嚴重影響電站尾水洞口后續工程的施工。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之間的巖質邊坡，由于晝夜的溫差作用及雨水不斷侵蝕，巖石風化產生剝落崩塌破壞，巖石隨時可能塌落。

3.2 設計選型

根據尾水洞洞口上部邊坡高程666.00m至頂部覆蓋層的地質縱剖面測量數據，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，具有安裝被動柔性防護的地形條件，同時該區浮石較小，分布較廣，從經濟、環保考慮選用柔性被動防護也較為理想。設計選定對頂部土石邊坡的處理，現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，則危石質量m=1 083kg。假設FSS被動柔性防護系統安裝在666.00m高程處，危石的攔截落差h=74m，坡面對危石的動摩擦系數取μ=0.3，山體坡度取θ=45°，則

勢能計算公式：

選擇能級為500kJ的被動柔性安全防護系統“FSS-PD-500”來抗衡458.32kJ的危石動能。在高程666.00m，設置一道高5m、長50m、能級為500kJ的“FSS-PD-500”被動柔性安全防護系統。綜合各因素，系統具體位置設置在高程666.00m處。對尾水洞洞口高邊坡被動攔截的高度應適當增高，確定系統高度以5m為宜。

因為高程602.00～661.00m范圍內的山體十分陡峻，且有局部集中的危石群，故選用主動支護。以“老虎頭”危石為例進行受力分析，提出具體的FSS支護方案。“老虎頭”危石的體積V約3m3，密度ρ=2 700kg/m3，質量m=8 100kg。

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

取θ=60°(實際坡度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，取I=4kN，上拉錨桿數n=F拉÷F抗或n=F拉÷F剪(F抗為錨桿的抗拔力，F剪為錨桿的剪切力，假定F剪或F抗=50kN)，經計算可得n=0.688(根)，增大3倍安全系數，上拉錨桿數取為2根。

當坡度θ=90°處于極限狀態時，山體表面呈垂直狀，固住“老虎頭”危石需要的上拉錨桿數量為：

F拉=mgsinθ-(μ1+μ2)P=60.91(kN)

需要的上拉錨桿數n=F拉÷F抗=1.22(根)。

增大3倍安全系數，上拉錨桿數取為4根。

根據計算結果并結合實踐經驗，作如下補充：網格加密，菱形網孔邊長為25cm，提高了鋼繩網的強度；錨桿變密，錨桿數量增加11%，提升了整體承載能力。在山體凹腔及危石群處增設錨桿，使柔性網緊貼山體表面，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，應采用水泥砂漿填充大裂隙、混凝土填補危石局部懸空處。對個別大裂縫處，可用片石嵌入。

FSS主動防護是具有整體承載力的支護，鋼繩網的法向壓力，使處于臨界狀態的危石向非臨界狀態轉化，阻止了危石勢能的釋放而處于穩定狀態,避免了臨界狀態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范圍內采用“FSS-JG-250-G”柔性主動安全防護系統。

3.3 現場布置與施工方法

確定采用FSS系統設計方案后，將該邊坡分成兩個防護區，高程從661.00～740.00m范圍內為被動防護區(簡稱A區)；高程從602.00～661.00m范圍內為主動防護區(左側為B1區，右側為B2區)。

被動柔性防護網為環型網，環型網采用直徑φ3mm、強度大于1 770MPa的高強度、高韌性的鋼絲。鋼絲為鋅鋁合金鍍層，盤結數圈成環相互套接而成，編織成長10m、高5m的環型網，防護能量為攔擊撞擊能量750kJ以內的落石。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。鋼結構基座尺寸28cm×45cm，為鉸鏈結構形式，鋼基座下為混凝土基礎，基礎尺寸80cm×80cm×60cm，鋼筋φ16，C20混凝土澆筑。被動柔性防護網布置見圖1。

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

4 結束語

坪頭電站在尾水洞邊坡安裝的FSS系統于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雜，目前理論計算不完善，本文計算中沒考慮地震、水流等影響因素，其影響有待進一步研究。

圖1 被動柔性防護網布置示意

圖2 主動柔性防護網布置