黃河上游某工程導流洞出口邊坡蠕變體處理方案分析

張軍鋒 黃艷艷 錢麗云

（中國水電顧問集團西北勘測設計研究院 陜西 西安 710065）

1 引言

邊坡穩定性受多方面的影響，如施工過程中的擾動因素、自然因素以及人為因素，都有可能造成邊坡變形破壞甚至整體失穩。

在黃河上游水電開發項目中，邊坡治理所面臨的自然條件較差，特別是茨哈峽至拉加峽段河谷，其岸坡高陡、滑坡發育，嚴重影響工程順利施工及大壩安全運營等方面。

在該地區水電工程建設中更應注重施工工藝及施工管理，在設計方面應結合相關預測預報及反饋資料等，在變形穩定分析的基礎上調整、修改，實現邊坡工程的全過程動態設計。

本文以黃河上游某一等大（1）型工程導流洞出口邊坡蠕變體支護處理為實例，針對該蠕變體形成過程及原因做出分析并調整設計，以期對類似工程具有一定參考意義。

2 工程概況

該工程規模為一等大（1）型工程，施工導流采用河床一次斷流，全年圍堰擋水，隧洞導流的方式。導流隧洞筑物級別為4級，導流隧洞為城門洞型。

2.1 地質條件

導流洞出口段基巖為三疊系變質砂巖，巖體結構差、強度低。表部覆蓋層為滑坡堆積體及強風化、強卸荷第三系軟巖，主要為碎裂狀第三系泥質粉砂巖。

導流洞出口天然岸坡呈上緩下陡地勢，3230 m～3190 m高程以上為緩坡，上部有5 m～8 m厚的松散堆積層，其下主要為第三系泥質粉砂巖和礫巖互層，后緣有高約15 m～20 m的礫巖陡坎；3230m～3190m高程以下為陡坡，頂部覆蓋強風化、強卸荷的泥質粉砂巖及礫巖互層，下部為順層、陡傾、逆向、薄層變質砂巖。

2.2 初始開挖設計

邊坡開挖坡比為：①弱風化變質砂巖按3∶1開挖；②強風化變質砂巖按1∶0.75開挖；③第三系“紅層”全強風化開挖邊坡取值為1∶1.00～1∶1.25；④第三系“紅層”弱風化～微新開挖邊坡取值為1∶0.75。邊坡支護型式如下：

（1）在邊坡開挖開口線外側10 m范圍內布置截水溝，每層馬道內側均布置排水溝。開口線外的截水溝施工完成后方可進行邊坡開挖，截水溝用15cm厚的混凝土澆筑。

（2）紫紅色泥質粉砂巖邊坡，間隔布置長、短系統錨桿，綜合間排距為1.5 m×1.5 m,梅花型布置；第四系覆蓋層邊坡，采用系統短錨桿，間排距1.5 m×1.5 m，梅花型布置。

（3）變質砂巖邊坡，間隔布置長、短系統錨桿，綜合間排距為2 m×2 m，梅花型布置。

（4）每隔20 m設一層寬3m馬道，每層馬道的上、下兩側分別布置兩排鎖口錨筋樁，第一排錨筋樁距離馬道1 m，鎖口錨筋樁間排距為3 m×3 m。

（5）紫紅色泥質粉砂巖、礫巖及局部破碎巖石邊坡采用掛網噴混凝土加系統錨桿的支護方式，砂巖邊坡支護主要以素噴混凝土加系統錨桿為主。

3 蠕變形成及原因分析

3.1 第一次蠕變形成

導流洞出口段開挖支護工程實際施工時，未做相應的截排水及支護處理措施。邊坡下挖至EL3185 m，邊坡上游側出現蠕變。此次蠕變范圍較小，在邊坡中間部位發生，為表層失穩蠕變。

3.2 第二次蠕變形成

2011年9月28日，導流洞出口邊坡再次出現蠕變。原因主要有以下幾點：

（1）自2011年3月邊坡開挖以來，邊坡EL3160 m以上上覆植被挖除，邊坡EL3160 m以上地層為全強風化層，結構碎裂，透水性相對較強，坡面長期裸露，形成了透水通道。

（2）2011年9月份降雨量過大，使該邊坡淺表層土體飽和，地質參數降低。

（3）EL3185 m以下邊坡開挖，根部支撐解除；第二次變形前截水溝尚未襯砌，截水溝變為集水溝，馬道各層排水溝尚未施工，集水促使蠕變體土體飽和，地質參數降低。

第二次蠕變范圍較第一次有較大發展，蠕變體范圍延伸擴大，由淺表層蠕變演變為深層蠕變。

3.3 第三次蠕變形成

通過穩定計算分析，第二次蠕變體采用減載和錨固共同作用的處理方案。開挖減載后的邊坡采取錨索、網格梁、錨筋樁及混凝土貼坡擋墻等支護措施。

2012年自3月中旬以來，氣溫、地溫升高較快，凍融交替，坡體排水不暢，而坡體上降雪及遠部消融的雪水入滲軟化坡體及惡化底滑面，滑動面參數降至殘余值。截止第三次蠕變發生之前，蠕變體上的錨索、網格梁以及混凝土貼坡式擋墻尚未施工，EL3220 m馬道以下的錨筋樁尚未施工。

2012年3月23日導流洞出口邊坡EL3185 m以上第三系紅層發生了第三次蠕變變形，較第二次蠕變范圍有所擴大，蠕變體充分解體。

第三次蠕變變形后，根據現場查勘情況和照片等資料，判斷蠕變原因如下：

（1）EL3185 m左右為原巖層面，即原巖和碎裂狀巖體的分界面。原巖以上碎裂狀巖體張拉裂隙發育，巖體中可見空洞，該張拉裂縫組成蠕變體的上端張拉面。

（2）原巖和碎裂狀巖體的分界面由于外界地溫升高，原巖面上的冰融化成水，原巖面受水的作用和多次滑動作用，滑動面參數降至殘余值。

（3）邊坡設計時，開挖后邊坡處于臨界狀態，設計上對該邊坡采取了錨索、錨筋樁、混凝土面板擋墻等措施，現場支護措施不到位，支護滯后，也是造成此次蠕變主要原因。

（4）邊坡高達140 m，開挖外部荷載解除，邊坡應力不斷調整，致使邊坡巖體應力降低、巖體松弛。

4 治理措施

4.1 物理力學參數反演

準確地對邊坡進行穩定性評價是提出經濟合理治理措施的前提。理論上，只要對邊坡材料力學特性有足夠的了解，上述問題是可以得到精確解決的。然而在實際工程中，受限于各種實驗研究的局限性，以及分析方法和目的要求的不同，計算常引入一定的假定和近似與之相適應。

對于施工期內的巖體，邊坡巖體重度、凝聚力等力學參數依據地質實驗提供結果，反演推算滑面和滑體間內摩擦角。本文采用剩余推力法（極限平衡）進行計算，邊坡安全系數略低于1時所得參數即為反演參數。將反演結果與試驗參數綜合比較，取二者中的較小值作為治理措施計算依據。

4.2 初期支護處理方案

第一次蠕變采用了削坡減載、放緩邊坡的措施，即EL3170 m馬道以上邊坡開挖坡比由1∶0.75調整為1∶1.25和1∶1。

第二次蠕變采取了外部排水、適當減載和支護的處理方案。即按地形開挖形成10 m～30 m寬的EL3185m平臺，開挖臺階從15 m降至10m，馬道寬由3m增加至5 m。EL3204 m高程以下采用貼坡混凝土、錨索和錨筋樁支護；EL3204 m以上采用混凝土方格梁、貼坡混凝土、錨索和錨筋樁進行綜合支護。

表1 持久工況擋墻驗算成果

4.3 最終支護處理方案

蠕變體第三次變形嚴重，邊坡已解體，直接在邊坡上打錨索已無法實施。且由于3185 m高程以下邊坡正在施工，為確保工程施工安全，利用蠕變體底部3185 m高程附近已開挖形成的10 m～30 m寬平臺，采用錨索配合混凝土擋墻對蠕變體進行支護。

首先，需確定錨索噸位及數量以滿足邊坡整體穩定要求，依據經驗提出4根120 t錨索方案，經計算該方案分別在持久工況、短暫工況1（蠕變體處于飽和狀態）以及短暫工況2（蠕變體飽和狀態下考慮孔隙水壓力）下滿足穩定性要求。

其次，對于擋墻具體型式，需綜合考慮其與錨索布置關系、穩定安全及經濟性等問題。

①選擇擋墻墻高。墻高為8 m時，其上足夠布置4根錨索并滿足滑移穩定、抗傾覆及截面偏心等計算要求，相比較于10 m高擋墻，其型式簡單、經濟性更好。

②進行斷面優化。表1四種方案中，背坡坡度為1∶0.25時，安全性滿足要求，且工程量最小，經濟性較好。其中Kc為擋土墻滑動穩定安全系數，K0為擋土墻傾覆穩定安全系數。綜合考慮場地布置條件及類比其他工程，擋墻設計為底寬8 m，高8 m，頂寬1 m，面坡坡度為1∶0.1，背坡坡度為1∶0.25，底坡坡度為1∶0.02。擋墻上支護錨索排距為3 m，每排采用4根120t錨索，其中上面三排錨索與水平面夾角為35°，最下面一排錨索與水平面夾角為45°，詳見圖1。

表2 擋墻驗算成果

圖1 擋墻加錨索支護方式

在該方案下，各個工況下的穩定性驗算結果詳見表2。

5 結語

（1）黃河上游地區，由于自然條件的特殊性，大大增加了施工期邊坡失事風險，尤其是對于未按要求及時實施相應的截排水及支護處理措施的情況下，極有可能導致邊坡失穩。

（2）基于剩余推力法的力學參數反演，計算難度低，其極限平衡的思想滿足了工程要求，在此類表面風化程度較深、結構破碎的邊坡治理問題上適用性高。

（3）采用錨索配合混凝土擋墻對解體邊坡進行支護，能滿足邊坡整體穩定性，同時通過體型優化計算可一定程度降低造價，該方案對類似工程具有參考價值。

[1]《水電水利工程邊坡設計規范》（DL/T 5353-2006）[S].

[2]《滑坡防治工程設計與施工技術規范》(DZT0219-2006)[S].

[3]《水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術規范》(DL/T5389-2007)[S].