卡基娃水電站廠房覆蓋層邊坡開挖支護(hù)處理設(shè)計(jì)

熊先濤,向雪梅

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況及基本地質(zhì)條件

卡基娃水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)，系木里河干流(上通壩～阿布地河段)水電規(guī)劃“一庫六級”的第二個梯級，是該河段梯級開發(fā)的“控制性水庫”工程，上、下游分別與上通壩和沙灣水電站銜接。面板堆石壩最大壩高171m，水庫總庫容3.745億m3，具有年調(diào)節(jié)能力。電站采用混合開發(fā)方式，裝機(jī)容量4×110MW(不含生態(tài)小電站)，年發(fā)電量15.61億kW·h。

卡基娃水電站為岸邊式地面廠房，廠址位于木里河右岸坡地上。廠區(qū)覆蓋層分布廣泛，主要為殘坡積物和冰水堆積物，局部出露的基巖為千枚化板巖和砂質(zhì)板巖夾變質(zhì)石英砂巖，巖層產(chǎn)狀為N10°～30°W/NE∠35°～50°，斜坡為橫向坡。廠房永久邊坡最大高度120m，為覆蓋層和基巖的復(fù)合邊坡，其中覆蓋層邊坡高約60m。

前期勘探及現(xiàn)場開挖揭示沿基覆界限發(fā)育一遇水性狀變差、力學(xué)參數(shù)偏低的軟弱帶，該軟弱帶厚10～30cm，為灰黃色含礫粘質(zhì)土，粘粒含量高，上部干燥，下部潮濕，物理力學(xué)參數(shù)較低。

邊坡地下水主要為覆蓋層孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。覆蓋層孔隙水主要分布于Ⅰ級階地沖積的漂卵礫石層和Ⅱ級階地冰水堆積的漂卵(碎)礫石層中，Ⅰ級階地地下水位埋深8.2m左右，與河水位一致，Ⅱ級階地地下水位埋深24.35～39.53m，高出河水位約11～14m。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，開挖邊坡中

部有一小型沖溝，局部見地下水外滲。該地下水枯期可見，且流量穩(wěn)定，說明遠(yuǎn)端有穩(wěn)定水源補(bǔ)給。開挖后，坡面多處出現(xiàn)滲水點(diǎn)，滲水基本呈股狀流出。

該邊坡穩(wěn)定受軟弱夾層和地下水的共同影響，穩(wěn)定性較差。

2 控制標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算工況

本工程等別為二等，工程規(guī)模為大(2)型。引水及發(fā)電等永久性建筑為2級建筑物。根據(jù)(DL/T5353-2006)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，本工程邊坡為2級，相應(yīng)的安全系數(shù)見表1。

表1 廠房后邊坡安全控制標(biāo)準(zhǔn)

計(jì)算工況：

擬復(fù)核四種工況條件下邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)：

(1)正常工況：此工況為持久工況，為各種作用的基本組合；

(2)降雨工況：考慮工程區(qū)降雨量及入滲條件，孔壓系數(shù)取0.1；

(3)施工期：考慮邊坡逐級開挖和支護(hù)的不同組合；

(4)地震工況：50年超越概率10%的地震動峰值加速度149cm/sec2。

計(jì)算方法：簡化Bishop法。

3 土體物理力學(xué)參數(shù)取值及滑動模式分析

根據(jù)實(shí)際開挖揭示情況，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)，地質(zhì)專業(yè)提供的覆蓋層參數(shù)建議見表2：

為了搜索最不利滑面，計(jì)算選取了滑弧沿軟弱滑帶(滑動模式1)和沿覆蓋層內(nèi)的圓弧滑動兩種模式(滑動模式2)。

考慮到開挖前自然邊坡是穩(wěn)定的，用地質(zhì)建議參數(shù)對自然邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核，選取覆蓋層較深

的控制典型剖面1-1(位于中部沖溝部位)和3-3(位于上游側(cè))進(jìn)行分析。(最不利滑弧見圖1～4)。

表2 廠房后邊坡土體物理力學(xué)指標(biāo)建議值

各工況下自然邊坡在不同滑動模式下的計(jì)算成果見表3。

表3 自然邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

圖1 3-3剖面通過軟弱帶的臨界滑弧 圖2 3-3剖面覆蓋層內(nèi)的臨界滑弧

圖3 1-1剖面通過軟弱帶的臨界滑弧 圖4 1-1剖面覆蓋層內(nèi)的臨界滑弧

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出：

(1)正常工況下，邊坡安全系數(shù)較高，處于穩(wěn)定狀態(tài)；降雨和地震工況下邊坡極限穩(wěn)定狀態(tài)與現(xiàn)場基本相符，說明地質(zhì)建議參數(shù)基本合適。

(2)各工況下滑動模式1的安全系數(shù)均低于滑動模式2，且滑弧穿過軟弱帶，說明軟弱滑帶對邊坡穩(wěn)定影響大，邊坡沿基覆界限的軟弱滑帶滑動的可能性較大。

(3)降雨工況下滑動模式1的最小安全系數(shù)分別為0.977和1.002，低于其余工況，說明邊坡穩(wěn)定受降雨影響顯著，且處于臨界狀態(tài)，按此參數(shù)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)基本合理，且是偏于安全的。

綜上，地質(zhì)建議的參數(shù)基本合適，控制滑動模式為沿基覆分界處的軟弱滑帶滑動，最終設(shè)計(jì)采用的計(jì)算參數(shù)見表4：

表4 廠房后邊坡覆蓋層土體力學(xué)參數(shù)計(jì)算采用值

4 開挖方案設(shè)計(jì)

方案1：覆蓋層邊坡按1∶1開挖，基巖邊坡：1∶1～1∶0.75(Ⅳ類)和1∶0.5 (Ⅲ類)。每20m設(shè)一級馬道，馬道寬度2m。開挖后永久邊坡最大高度120m，覆蓋層邊坡最大高度60m。

方案2：覆蓋層邊坡按地質(zhì)建議1∶1.25開挖，其余同方案1。開挖后永久邊坡最大高度130m，覆蓋層邊坡最大高度70m。

分別對上述兩方案進(jìn)行綜合比較：

(1)方案1開挖量及邊坡高度較方案2小，開挖邊坡高度可減小10m，但方案1所需的支護(hù)量較大，同樣的支護(hù)措施下，3-3剖面的安全系數(shù)見表5。

表5 3-3剖面相同支護(hù)條件下的安全系數(shù)比較

由上表可見，方案1安全系數(shù)遠(yuǎn)低于方案2，若采用方案1，雖開挖量可減少，但支護(hù)工程量將顯著增加。

(2)地質(zhì)建議穩(wěn)定坡比為1∶1.25，考慮到本工程邊坡地下水豐富，如按1∶1開挖，施工期邊坡穩(wěn)定難以保證。

故方案2較優(yōu)，即覆蓋層邊坡按1∶1.25坡比開挖。

5 加固設(shè)計(jì)

本工程加固的主要目的是提高邊坡穩(wěn)定性，保證邊坡在施工期和運(yùn)行期整體穩(wěn)定，考慮到坡體上

無重要永久建筑物，加固后允許邊坡存在一定的蠕變。加固設(shè)計(jì)原則是方案安全可靠，技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理，施工難度較小。

邊坡的基本地質(zhì)條件和穩(wěn)定分析表明，降雨工況下邊坡安全系數(shù)低，水的作用是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素。本工程邊坡地下水的主要來源為覆蓋層孔隙水、基巖裂隙水和天然降雨入滲等，因此，邊坡加固首要考慮截、防、排水工程措施，以盡量減少坡外來水入滲及天然降雨入滲等，分為地表排水和深層排水。

地表排水：沿開口線設(shè)排水溝一道；坡面設(shè)PVC排水花管(纏反濾土工布)，間排距2m；在馬道(2 656m)設(shè)排水溝排除開挖坡面內(nèi)滲水。

深層排水：對于局部滲水嚴(yán)重部位采用水平深排水孔加強(qiáng)，深排水孔采用φ110PVC管和盲管結(jié)合，外包反濾土工布，排水孔伸入基巖長度不低于2m。深層排水布置邊坡中部凹槽滲水嚴(yán)重部位。

本工程覆蓋層土體較為松散，厚度達(dá)到20～30m，從計(jì)算分析及工程區(qū)部分道路邊坡失穩(wěn)實(shí)例看，(部分覆蓋層邊坡在受輕微擾動后引起變形，進(jìn)而造成邊坡整體失穩(wěn))坡體自穩(wěn)能力差。大量工程實(shí)例表明，抗滑樁支擋是治理中淺層覆蓋層滑坡的有效手段，且作用機(jī)理明確，效果明顯。若采用抗滑樁支護(hù)，樁長度將達(dá)到30～40m，且造孔過程中的施工用水及振動對邊坡影響較大，存在極大的施工難度和安全風(fēng)險。相比較而言，框格梁+錨索施工具有方便、快捷和周期短的特點(diǎn)，在邊坡治理中應(yīng)用廣泛。因此綜合比較后擬采用框格梁+錨索+噴混凝土支護(hù)方案，錨索采用P=1 200kN，L=40～50m，間排距4m×5m。

此方案下各控制剖面安全系數(shù)見表6。

表6 加固后各控制剖面的安全系數(shù)

根據(jù)上表的計(jì)算結(jié)果，加固后1-1剖面和3-3剖面各工況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

6 施工期穩(wěn)定復(fù)核

選取1-1剖面對施工期穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核。為有效的指導(dǎo)現(xiàn)場施工，對邊坡在開挖過程中的各種支護(hù)順序進(jìn)行了模擬復(fù)核，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 開挖過程中各級邊坡在不同支護(hù)情況下的安全系數(shù)

由上表可見，開挖邊坡的整體穩(wěn)定性與邊坡的支護(hù)順序情況密切相關(guān)，三級邊坡全部開挖無支護(hù)時，安全系數(shù)為0.92，邊坡不穩(wěn)定；當(dāng)邊坡滯后兩級支護(hù)時，邊坡安全系數(shù)0.99，處于極限穩(wěn)定狀態(tài)；采用逐級開挖并支護(hù)的方案后，邊坡穩(wěn)定性顯著提高。因此施工期及時支護(hù)是非常重要的，應(yīng)嚴(yán)格控制邊坡的開挖高度和支護(hù)跟進(jìn)力度。

7 現(xiàn)場局部問題處理

7.1 邊坡局部變形及裂縫處理

現(xiàn)場實(shí)際施工基本按照逐級開挖并支護(hù)的方案進(jìn)行，施工期間邊坡整體基本穩(wěn)定，僅在進(jìn)行2 676m高程以下中部邊坡開挖時，承包商為了搶工期，在2 676m高程以上尚余部分錨索未施工的情況下即進(jìn)行下挖，導(dǎo)致中部邊坡開口線及2 676m馬道上出現(xiàn)裂縫，邊坡局部失穩(wěn)。上述情況發(fā)生后，現(xiàn)場立即停止開挖，并加速施工未完成錨索，并將裂縫及時封閉。在剩余錨索施工完成以后繼續(xù)下挖的過程中，邊坡裂縫未進(jìn)一步擴(kuò)展，邊坡穩(wěn)定得到保證。

7.2 邊坡局部排水及破壞處理

在開挖邊坡中部凹槽部位時地下水異常豐富，現(xiàn)場見多處地下水滲漏點(diǎn)，多呈股狀流出，開挖成形后的邊坡受滲流破壞嚴(yán)重，局部出現(xiàn)垮塌。錨板施工后局部基礎(chǔ)脫空，錨索受力條件惡化。針對以上情況采取的主要措施如下：

(1)加快排水孔施工、加密深排水孔。深排水孔盡量布置在低高程處，以便盡早引出地下水，降低地下水水位；排水孔孔口采用軟管將滲水引排至坡外，嚴(yán)禁水流經(jīng)坡面漫流。

(2)加強(qiáng)坡面防護(hù)，局部坡面增設(shè)反濾料，以降低滲流破壞。

(3)錨板脫空處鋪設(shè)一層反濾料后采用混凝土填實(shí)，以使錨板受力均勻、可靠。

從現(xiàn)場實(shí)施效果看，邊坡排水效果明顯，支護(hù)后多數(shù)水平深排水孔均見清水流出，內(nèi)觀監(jiān)測表明，處理后的錨索受力穩(wěn)定。

8 結(jié) 語

(1)廠區(qū)覆蓋層邊坡土體為崩坡積含孤塊碎礫石土，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差；邊坡基覆分界處的軟弱夾層，物理力學(xué)參數(shù)低，對邊坡穩(wěn)定性影響大。采用地質(zhì)建議參數(shù)并經(jīng)反演分析后，可作為設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)，能滿足邊坡穩(wěn)定的要求。

(2)邊坡土體內(nèi)的圓弧滑動安全系數(shù)較大，對邊坡的穩(wěn)定性不起控制作用；而沿基覆分界處的軟弱夾層的滑弧安全系數(shù)較低，為邊坡的主要滑動模式，從計(jì)算和現(xiàn)場反饋來看，邊坡主滑模式為沿基覆分界處的軟弱帶滑動。

(3)開挖邊坡未支護(hù)時安全系數(shù)較低，應(yīng)進(jìn)行加固處理。采用錨索+框格梁加固后，各工況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求；從后期監(jiān)測成果分析，邊坡加固效果明顯。

(4)采取合理的開挖和支護(hù)順序?qū)吰路€(wěn)定起重要作用。從計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)際施工反饋情況來看，采用逐級開挖并支護(hù)的方案可有效保證邊坡施工期的穩(wěn)定，反之易造成施工期邊坡變形，增加處理難度及投資。

(5)加強(qiáng)邊坡排水對邊坡穩(wěn)定有著重要作用。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定合理的排水措施，針對集中滲水部位采取的深排水孔方案效果明顯，對邊坡穩(wěn)定發(fā)揮了重要作用。

邊坡開挖支護(hù)完成后已經(jīng)歷兩個汛期的檢驗(yàn)。從布置的外部變形觀測墩和錨索測力計(jì)來看，錨索受力變化均逐漸減小，外部變形觀測墩總變形量和日變形量均較小，變形基本收斂，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明支護(hù)效果明顯。