象鼻嶺水電站BT2堆積體治理設計

張海超,陳毅峰,劉 杰

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴陽 550002)

1 工程概況

象鼻嶺水電站樞紐建筑物由碾壓混凝土拱壩、右岸引水系統和地下廠房等組成。BT2堆積體位于象鼻嶺水電站壩址右岸上游，其下游側距進水口開挖邊坡約50 m，堆積體分布高程1 410.00～1 520.00 m，順河向最大寬度約250 m，面積約3.8×104m2，厚18～48 m，體積約115×104m3，其后緣為玄武巖陡壁。堆積體天然狀態整體穩定，213國道改線段通過堆積體前緣，挖除了堆積體部分坡腳。2011年10月上旬，BT2堆積體產生變形，后緣拉裂、前緣剪出現象，不及時治理將影響施工期安全及運行發電進水口建筑物的安全。后經多方案研究比選，及時采取“上部減載挖除、中部坡面削坡+底部坡腳支擋+構筑排水系統”綜合治理措施，邊坡未進一步破壞。至今，治理后邊坡經歷了多次暴雨、水庫蓄水和1次6.5級地震，通過巡視檢查和監測表明堆積體治理后，處于穩定狀態。

2 BT2堆積體地質條件

BT2堆積體整體厚度為18～48 m，牛欄江四級階地后緣山體在長期地質應力作用下產生風化、蝕變，在重力作用下逐步卸荷、松弛，最后產生崩塌而形成。其主要由底部的原始殘坡積層、中部崩塌堆積層及頂部殘坡積層組成。殘坡積層主要分布于堆積體頂部，主要為黏土夾碎石，厚2.5～6.3 m，碎石含量約占20%；崩坡積層分布于堆積體表層，主要為黏土夾碎、塊石，厚2.3～16.6 m，黏土含量約占60%，偶見塊石隨機分布，結構松散；崩塌堆積層分布于堆積體中、下部，主要為塊、碎石，厚6.8～30.5 m，結構松散，未見架空現象，中間局部見一層或多層碎石夾黏土層。堆積體為單向斜坡地形，其上下游側均有沖溝[1-2]。

根據堆積體物質組成情況，分3種類型布置現場直剪試驗：① 黏土為主的;② 碎石為主的;③ 黏土和碎石比例相當的，每一種類型按天然狀態、飽和狀態各做一組，共6組。BT2堆積體物理力學參數建議值見表1。

表1 BT2堆積體物理力學參數建議值表

3 BT2堆積體滑動模式分析

堆積體破壞模式主要為2種：① 堆積體與基巖接觸帶參數較低，堆積體沿接觸帶滑動失穩；② 沿堆積體內部圓弧滑動。

從堆積體參數來看，經初步計算BT2崩塌堆積體內部圓弧滑動安全系數相對較高，基本滿足規范要求，且達到最小安全控制標準的剩余下滑力較小，不是控制模式。堆積體與基巖接觸帶存在泥化情況，參數較低，堆積體沿接觸帶滑動失穩的可能性較大，安全系數較低，達到最小安全控制標準的剩余下滑力較大，是BT2邊坡穩定分析的重點。

4 BT2崩塌堆積體穩定分析

(1) 邊坡等級

由于復建213國道通過BT2堆積體前緣， BT2堆積體既屬于公路邊坡，又屬于水庫邊坡。綜合公路路塹邊坡與水電水利工程邊坡的情況，BT2崩塌堆積體邊坡按水電水利工程邊坡B類Ⅱ級邊坡進行邊坡穩定設計，穩定設計安全系數取持久工況為1.15，短暫工況為1.10，偶然工況為1.05。

(2) 計算方法及工況

采用陳祖煜[3]的土質邊坡穩定分析程序STAB2005對BT2崩塌堆積體進行分析計算。由于風化巖體碎裂，采用土質邊坡穩定計算，采用Spencer法。

DL/T 5353-2006《水利水電工程邊坡設計規范》中規定，B類水庫邊坡，邊坡位于庫水位上部，庫水對其影響較小，地震設計烈度為Ⅶ度，考慮地震作用，根據運行期及施工期可能出現的情況，庫岸邊坡計算工況為蓄水后持久工況、短暫工況(暴雨或久雨)、偶然工況(地震)。

(3) 計算剖面

BT2崩塌堆積體從上游至下游的1-1′～5-5′共5個剖面進行計算。

(4) 213公路復建后BT2崩塌堆積體穩定計算成果詳見表2。

據表2計算成果可知，2-2′～4-4′剖面各工況下安全系數均小于1， 1-1′和5-5′剖面安全系數大于1。BT2堆積體處于不穩定狀態，計算與實際狀態一致。

5 治理方案設計

5.1 方案選擇研究

根據堆積體破壞模式及穩定分析成果，研究采取了2種治理方案。

方案1：上部減載挖除、中部坡面削坡(挖除局部陡區域，防止局部失穩)+下部坡腳抗滑樁錨索支擋+排水系統。

方案2：中、上部只進行少量削坡，防止局部失穩，而在中、下部坡腳采用大斷面抗滑樁支擋+排水系統。

表2 213公路復建后BT2崩塌堆積體沿接觸帶穩定計算成果表

方案1，上部削坡減載后，安全穩定提高效果明顯，安全系數從0.815～1.130(1～4剖面)提高到了1.067～1.280，基本滿足控制設計標準，僅3-3′剖面持久工況不滿足要求。考慮繼續全面減載開挖工程量太大，局部減載多個開挖面，顯然既不經濟亦不美觀，所以下部3-3′控制范圍內布設小斷面抗滑樁。抗滑樁為直徑2 m的圓截面樁，樁平均長為22 m，共10根，頂部設預應力錨索。綜合措施實現了邊坡安全系數完全滿足規范要求。

方案2，根據堆積體滑動特點，分別在中部偏下和下部坡腳各布設1排抗滑樁。上排抗滑樁斷面為5 m×7 m，平均深度34 m，共需要12根；下排抗滑樁斷面為3 m×5 m，平均深度22 m，共需要20根。方案2工程量大，投資大，且需要在邊坡處于失穩過程中、尚未實現新的平衡情況下進行施工，安全風險較大。

經綜合比較采用方案一作為BT2推薦治理方案，詳見圖1～2。

圖1 BT2治理方案平面布置圖

圖2 BT2治理方案典型剖面布置圖

5.2 推薦方案詳細設計

(1)上部減載挖除、中部削坡治理設計

高程1 470.00 m以上全部挖除減載； 1 470.00～1 405.00 m按1∶2坡比削坡減載，在1 430.00 m和1 440.00 m分別設置馬道，且1 440.00～1 470.00 m之間原布設1條施工道路，馬道寬約2～3 m，施工道路寬5 m，減載后穩定計算成果詳見表2。

(2)下部坡腳支擋

在堆積體3-3′剖面約50 m范圍內213國道路肩內側設置1排錨拉抗滑樁，平均樁長為22 m、直徑2 m的圓截面樁，樁間距5 m，樁身嵌入基巖約為1/3樁長。在距樁頂1 m的位置設置1根2 000 kN級錨索，錨索伸入基巖，入射角20°，錨索平均長度40 m，錨索預加應力為1 000 kN。坡腳支擋處理后穩定計算成果詳見表2。

(3) 坡面防護設計

削坡減載后出露基巖面采用錨噴、掛網、排水孔和隨機錨桿措施。基巖面采用直徑28 mm、L=9 m的錨桿與直徑25 mm、L=4.5 m的錨桿間隔布置，間距4 m×4 m；設置排水孔，排水孔間距3 m×3 m，排水孔長度L=5 m,水平仰角10°，梅花形布置。噴C20混凝土厚度10 cm，掛網鋼筋直徑6.5 mm，間距0.2 m×0.2 m。削坡減載后覆蓋層邊坡坡面采用草皮護坡，并且設置排水孔，排水孔間距3 m×3 m，排水孔長度L=5 m，水平仰角10°，梅花形布置。

(4) 排水系統

堆積體邊坡開口線周邊布設截水溝、馬道內側布置截排水溝，與坡面的排水孔組成邊坡綜合排水系統。

6 安全監測設計及監測成果分析

在BT2堆積體設置2個主監測斷面，代表性主監測斷面詳見圖3。每個監測斷面布置2套4點式多點位移計，3個表面觀測墩和2個測斜孔；設置2個輔助監測斷面，各布置3個表面觀測墩。BT2主要監測成果詳見表3，表3監測數據顯示，BT2堆積體總體處于穩定狀態。

BT2堆積體邊坡治理后經歷了2014—2017年共4 a多次暴雨；2014年8月昭通市魯甸縣6.5級地震，距離工程大約20 km，在工程區域范圍影響烈度6度；2017年6月水庫蓄水，2018年水位接近堆積體坡腳。經多次現場巡視檢查未發現開裂、變形情況，多點位移計、測斜孔、鋼筋計、錨索測力計監測數據均平穩，說明邊坡處于穩定狀態。

圖3 BT2主監測斷面圖

監測設備監測時段累計數據范圍評價錨桿測力計蓄水前(2013.06～2017.03)-12.82～13.40 MPa蓄水后(2017.04～2017.11)-12.82～11.23 MPa累計應力整體不大,變化過程相對較平穩,暫無異常變化情況,蓄水前后累計應力變化不大,蓄水影響較小。多點位移計蓄水前(2014.07～2017.03)-0.43～2.03 mm蓄水后(2017.04～2017.11)-0.87～3.92 mm累計位移整體較小,變化過程較平穩,暫無異常變化情況,蓄水前后累計位移變化不大,蓄水影響較小。鋼筋計蓄水前(2014.11～2017.03)-39.8～-9.46 MPa蓄水后(2017.04～2017.11)-46.26～-4.69 MPa累計應力整體不大,變化過程相對較為平穩,暫無異常變化情況,蓄水前后累計應力變化較小,蓄水影響較小。錨索測力計蓄水前(2015.08～2017.03)33.5～68.39 kN蓄水后(2017.04～2017.11)32.17～70.16 kN荷載累計損失量整體較小,變化過程較為平穩,體現該部較為穩定,暫無異常,蓄水前后累計應力變化不大,蓄水影響較小。測斜孔蓄水后(2017.05～2017.11)0.14～46.91mm累計位移整體不大,堆積體整體呈現穩定狀態。

7 結 語

BT2堆積體形成機理是上部巖石逐步卸荷、松弛，最后產生崩塌，堆積于階地斜坡上，處于臨界穩定狀態。由于“切腳”開挖，邊坡穩定失穩，發生變形、開裂但未發生大范圍滑動。經及時采取“上部減載挖除、中部坡面削坡+底部坡腳支擋+構筑排水系統”綜合治理措施，安全系數得到明顯提高，滿足設計控制標準。堆積體邊坡治理后經歷了暴雨、地震及蓄水影響，通過巡視檢查與監測表明，邊坡處于穩定狀態。采取的治理方案有較好的安全提升效益、費用效益和快速消除安全隱患效益，有一定借鑒意義。