洛寧抽水蓄能電站排沙洞出口巖質邊坡安全控制研究

張興彬，潘福營，張 鈿，杜 藏，劉旭陽，覃衛民

（1.河南洛寧抽水蓄能有限公司，河南省洛陽市 471700；2. 國網新源控股有限公司，北京市 100161；3.中國科學院武漢巖土力學研究所，巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北省武漢市 430071）

0 引言

洛寧抽水蓄能電站位于河南省洛陽市洛寧縣城東南的澗口鄉境內，電站裝機容量1400MW，電站樞紐包括上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房四大建筑物。

泄洪排沙洞位于下水庫右岸區域，地表高程470～780m，地形自然坡度一般為10°～60°。地表巖體大部分呈全～強風化，全至強風化巖體厚度約10m，沿線地質構造較簡單，有1條斷層F41出露，其與洞室軸線夾角約19°，節理裂隙以NE向為主。

洞線穿越巖體為斑狀花崗巖，出口洞段圍巖呈中等風化，巖體完整性較差，以Ⅲ類巖體為主，局部有Ⅳ類圍巖（見圖1）。其余部位洞室圍巖為微新花崗巖，巖體較完整，以Ⅱ類圍巖為主，節理裂隙密集帶和斷層影響帶一般為Ⅳ類圍巖，斷層破碎帶屬Ⅴ類圍巖。

圖1 泄洪排沙洞出口邊坡開挖初期風貌Figure 1 Appearance of slope excavation at the outlet of flood discharge and sand drainage tunnel

泄洪排沙洞出口邊坡整體穩定性較好，不良地質在于邊坡巖體節理及卸荷裂隙比較發育，局部存在受節理裂隙切割形成的楔形體以及少量危石（見圖2）。

圖2 邊坡開挖后的坡面揭示Figure 2 The face of the slope after excavation is revealed

邊坡原支護設計的支護高程由527m至478m，邊坡支護高度約49m，主要采用4.5m長φ25錨桿的錨噴支護方式，錨桿間排拒均為2m。在邊坡施作510m高程平臺以上支護期間，510～504m高程之間的坡面出現局部垮塌（見圖3），垮塌方量約60m3，所幸防范及時，沒有造成人員傷亡。

圖3 邊坡出現局部垮塌Figure 3 Partial failure of the slope

根據施工圖設計，邊坡將開挖至478m高程，邊坡還將繼續下挖約25m，后期還將面臨下方排沙洞出口隧道施工。考慮到邊坡及隧道施工采用爆破開挖方式會加劇邊坡保留體結構面的擴張，將會進一步影響邊坡的安全。為消除排沙洞出口邊坡存在的潛在安全風險，有必要對該處邊坡進行專項研究及治理。

1 研究現狀

關于巖質邊坡開挖形成的潛在風險及防治，國內相關研究分別涉及巖質邊坡穩定性、隧道口邊坡穩定性、爆破振動效應、邊坡治理等方面。

張伯艷等[1]以西部地區某水電工程巖質高邊坡為研究對象，揭示地震作用下巖質高邊坡滑塊滑面的張合運動規律、地震波沿坡高的放大效應及高邊坡失穩破壞機理，初步評價巖質高邊坡的動力穩定性。郝社鋒等以秦望山巖質邊坡為研究對象，采用3DEC 數值模擬軟件分析了邊坡治理前后不同工況下邊坡的穩定性[2]。陳明等[3]通過小灣水電站巖石高邊坡爆破振動荷載下動力響應計算，確定小灣水電站巖石高邊坡爆破振動控制的合理部位及安全閾值。胡英國等[4]針對巖石高邊坡爆破振動安全控制標準的應用，分析上層臺階馬道附近的爆破振動特性。王剛[5]以重慶市白市驛隧道附近一處陡高順層巖質高邊坡為例，通過計算該邊坡在隧道施工爆破荷載作用下的動態穩定系數時程曲線，認為該邊坡在爆破振動作用下可能會出現失穩破壞。逄鐵錚等[6]以廈門梧村隧道明挖段深基坑邊坡滑塌為例，認為深基坑采用鉆爆法開挖時，需要進一步驗證邊坡支護設計參數選取的合理性。王毓春[7]以牡綏線某隧道出口左側高邊坡防護加固工程為依托，采用 GEO-SLOPE 軟件對不同工況進行了穩定性計算，通過技術經濟比較，確定了邊坡防護加固措施。

基于洛寧抽水蓄能電站泄洪排沙洞出口邊坡的工程特點及潛在風險，擬采用風險分析、邊坡穩定性計算、支護優化設計、現場監測相結合的技術手段，對泄洪排沙洞出口邊坡進行綜合研究，以信息化思路指導邊坡及隧道施工，保障邊坡的運營安全。

2 邊坡安全控制研究

2.1 工程風險分析

泄洪排沙洞出口邊坡地表出露以全風化、強風化巖為主，巖體裂隙發育。結合施工組織設計作出風險分析如下：

（1）該處邊坡為兩處結構面切割而成的鍥形體，巖體表面裂隙發育，邊坡開挖初期還出現小范圍的崩落掉塊現象，該處邊坡存在一定的地質風險。

（2）邊坡開挖采用鉆爆法施工，爆破振動效應對巖土體及支護結構的影響很大，爆破振動可使巖體原有裂隙進一步擴張，甚至裂隙之間出現貫通；同時，爆破振動可降低錨桿錨固體與巖土體的黏結強度，從而降低錨桿錨固力，達不到設計要求；該處邊坡存在較大的施工風險。

（3）邊坡開挖后將形成切腳臨空面，且爆破開挖方式會加劇巖體結構面的擴張，后期還面臨下方排沙洞出口隧道施工，隧道開挖卸荷及爆破震動效應將會進一步影響邊坡的安全。

2.2 邊坡穩定性分析

由于工程現場地形復雜，僅選取泄洪排沙洞出口邊坡典型斷面，采用有限差分法進行邊坡穩定性計算，通過對邊坡變形規律及穩定性的定性分析，為邊坡治理設計提供參考。

圖4、圖5分別為邊坡靜力計算的位移及剪應變增量云圖，圖6、圖7分別為考慮了爆破震動影響的邊坡動力計算位移及剪應變增量云圖。

圖4 靜力計算位移云圖Figure 4 Static calculation of displacement cloud map

圖5 靜力計算剪應變增量云圖Figure 5 Static calculation of shear strain increment cloud map

圖6 動力計算位移云圖Figure 6 Dynamic displacement cloud map

圖7 動力計算剪應變增量云圖Figure 7 Dynamic calculation of shear strain increment cloud map

通過對比邊坡靜力和動力計算結果可以看出，靜力計算出現的最大位移約為2.38mm，而動力計算出現的最大位移增大到9.21mm。動力計算出現的剪應變增量值為3.50×10-2，較靜力計算出現的剪應變增量值為8.55×10-3增大了3倍。

根據江強強等[8]的研究：在干濕循環作用下，滑帶土殘余強度的劣化效應明顯，黏聚力的劣化幅度明顯大于內摩擦角的幅度。

由此可見，經過強降雨或持續降雨，巖體結構面強度會有一定程度的降低。而爆破施工引起的振動效應使得邊坡的剪應變及位移增大，邊坡巖體應力有可能超過巖體結構面抗剪強度，導致巖體沿結構面滑出。此次泄洪排沙洞出口邊坡510～504m高程之間的坡面出現局部垮塌，與雨后邊坡下方有爆破作業時間大致吻合，是爆破振動效應與巖土參數裂化共同作用的結果。

2.3 支護設計

基于以上工程風險分析及邊坡穩定性分析，同時考慮到510m高程以上開挖邊坡表層仍具有2～6m厚覆蓋層，為加強邊坡穩定性，避免局部垮塌，在初期采用6mφ28錨桿代替原設計4.5mφ25錨桿的錨噴支護基礎上，對邊坡采用貼坡混凝土配合長系統錨桿的加強支護方案。具體措施及注意事項如下：

（1）采用C30貼坡混凝土對邊坡進行支護，貼坡混凝土厚300mm，表層采用φ16@200mm× 200mm單面雙向配筋，鋼筋保護層厚度50mm。

（2）采用9mφ32@3m×3m錨桿進行支護，錨桿外露總長570mm、彎折320mm，彎折段置于貼坡混凝土鋼筋上部并與鋼筋進行焊接。新增錨桿應盡量與原錨桿錯開布置。

（3）貼坡混凝土澆筑時應注意對邊坡排水孔的保護，避免排水孔堵塞，保證排水孔孔田出漏。

（4）垮塌部位用C20混凝土進行回填，表面采用φ16@200mm×200mm進行單層雙向配筋，并與錨桿焊接。

考慮到501～510m高程邊坡坡面發生全強風化巖石沿夾泥軟弱結構面滑動、垮塌情況，為避免坡面垮塌影響上部邊坡穩定和危及下部邊坡施工安全，結合現場實際情況，采取以下措施進行處理：

（1）在510m高程馬道、501m高程馬道圖示范圍內側增設錨筋樁3φ28@0.75m，L=12m，錨筋樁向坡內傾角5°。

（2）在510m高程馬道錨筋樁施工完成后，清理垮塌部位的全強風化巖石、軟弱夾泥層、浮渣及松動塊體，501m高程馬道錨筋樁施工完成后進行下級邊坡開挖。

（3）501～510m范圍內邊坡支護系統錨桿長度由原設計4.5mφ25更改為6mφ28，其中，垮塌區域錨桿間距調整為1.5m×1.5m，錨桿端頭與原設計坡面齊平，其余支護參數與原設計一致。

（4）垮塌部位用C20混凝土進行回填，表面采用φ16@200mm×200mm進行單層雙向配筋，并與錨桿焊接。

2.4 監測設計

基于邊坡工程風險分析及支護設計，依據國家技術標準以并參考國內工程經驗[9-11]，泄洪排沙洞出口邊坡的監測設計如下：

（1）在邊坡各級馬道上設置位移監測點。

（2）在邊坡馬道510m高程設置豎向深部位移監測孔1個，孔深20m，用以監測邊坡在各垂直深度方向上的水平位移。

（3）在510m高程平臺上下方邊坡坡面上鉆孔埋設水平向多點位移計監測孔3個，孔間距8～10m，鉆孔為孔，根據地質條件確定孔深26m，每個監測孔測點數4點，用以監測邊坡在各水平深度方向上的軸向位移。

（4）在邊坡501～518m高程間設置錨桿應力計，監測錨桿受力狀態變化。

（5）在邊坡各平臺設置爆破振動監測點若干，通過埋設三分量速度傳感器，獲得該次爆破對支護結構及巖土體的振動速度，用以指導爆破施工。

主要監測項目布置見圖8。

圖8 深部位移監測點布置示意圖Figure 8 Schematic diagram of deep displacement monitoring site layout

3 邊坡治理實施

3.1 施工組織及實施

泄洪排沙洞出口方案開挖支護施工順序如下：510m馬道錨筋樁施工→527～510m邊坡φ32錨桿施工→501m馬道錨筋樁施工→501m以下邊坡開挖、支護。

泄洪排沙洞出口邊坡為洞口段三級邊坡，洞口至挑坎段四級邊坡。開挖順序先施工洞口洞頂段三級邊坡至洞頂493m高程處，開挖自上而下施工，不得采取對巖石層面切腳或造成巖體倒懸的開挖方式進行，支護緊隨開挖施工，開挖一級，支護一級，每開挖一級，立即清除表層上的松動巖層、表面呈薄片狀或尖角狀的突出巖石及裂隙發育或具有水平裂隙的巖石；洞頂段邊坡開挖支護完成后施工洞口至挑坎段邊坡，為進洞施工提供工作面。

在邊坡恢復開挖施工前，按監測設要求安裝埋設監測元器件，取得監測初始值后方可進行開挖。

3.2 邊坡治理效果

邊坡恢復開挖至泄洪排沙洞進洞期間，邊坡沒有出現局部滑塌事件，邊坡無異常跡象發生。

目前排沙洞出口隧道進尺50余米，邊坡陣列位移計的豎向最大位移約為3mm，多點位移計的水平向最大位移約為4mm。

現場監測及巡視結果表明：隧道口區域的邊坡及隧道均處于安全狀態。

4 結束語

（1）針對泄洪排沙洞出口邊坡出現的問題，采用風險分析、邊坡穩定性計算、支護優化設計、現場監測相結合的技術手段進行綜合研究，以信息化思路指導邊坡及隧道施工，取得較好的治理效果，保障了邊坡的運營安全。

（2）泄洪排沙洞出口邊坡510～504m高程之間的坡面出現局部垮塌，是爆破振動效應與巖土參數裂化共同作用的結果。

圖9 邊坡治理后現狀Figure 9 Current situation after slope treatment

（3）對于節理裂隙發育的邊坡工程，要充分考慮巖土力學參數劣化對邊坡穩定性計算的影響，以便更好地指導邊坡支護設計。