金川水電站泄洪洞進口邊坡設計優化與效果評價

閆 峰,唐鵬程,郭治國,覃事河

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065；2. 國能大渡河金川水電建設有限公司，四川 金川 624100)

0 前 言

高邊坡安全監測是開挖、支護施工及運行期必須開展的監測項目，主要內容包括邊坡巖體內部變形、錨固應力荷載、支護應力等[1-3]。根據金川水電站施工總進度安排，泄洪放空洞需要在2022年4月除進水塔上部混凝土施工外全部建成具備過水能力的要求。進口邊坡位于2號變形體內，巖石條件差，原開挖高度施工難度大，工期長加之2020年初新冠疫情的影響等因素，為了達到預期的工程節點目標，泄洪洞進口邊坡優化設計調整的必要性就顯而易見。為了驗證泄洪洞進口邊坡優化支護合理性，本文結合金川水電站泄洪洞進口邊坡安全監測資料分析成果，分析邊坡優化設計開挖及支護措施效果，結果表明優化后的強錨少挖區域內及其他區域開挖支護錨固效果良好，可為金川水電站泄洪洞進口邊坡施工提供支撐。

1 工程概況

金川水電站為大渡河干流規劃的第6個梯級電站，上銜雙江口水電站下接安寧水電站。金川水電站工程屬Ⅱ等大(2)型工程，擋水、泄水、引水及發電等永久性主要建筑物為2級建筑物[4]。泄洪洞進口邊坡山體陡峭，且位于Bxt2變形體內，為了盡量減少對泄洪洞進口邊坡巖體擾動，采用少挖強錨方式，開挖坡比調整為1∶0.3，在2 205.00 m高程設置一級8 m馬道，2 225.00 m高程以上設置一級馬道寬度3 m。

2 工程地質條件

圖1 泄洪洞進口地質分布

泄洪洞進口開挖邊坡位于2 253.00 m正常蓄水位以下，水庫蓄水后，邊坡淺表部強卸荷、傾倒巖體可能會發生調整性變形，雖不至于影響進口邊坡的整體穩定性，但仍需視具體情況考慮針對性的防護措施。需要注意地表水的疏排，防止雨水滲入從而降低進口邊坡穩定性。

3 泄洪洞進口邊坡設計優化調整開挖支護方案

泄洪洞進口邊坡位于2號變形體內，巖石條件差。考慮到傾倒變形巖體破壞機理復雜，規模大，碳質千枚巖強度較低，遇水易軟化等不利因素，可研階段泄洪洞進口邊坡開挖高度約130 m，施工難度大，施工工期長(見圖2)。為了保證泄洪洞參與汛期(大于1 791 m3/s)導流洞、泄洪洞聯合泄流的重要節點目標，施工期階段采用“少挖強錨”設計思路，減小了對邊坡的人工擾動原則，對進口高邊坡開挖支護方案進行優化，同時縮短施工工期，降低了施工難度及安全風險。

圖2 優化前施工支護方案 單位：高程,m

為了驗證優化設計的合理性，對進口邊坡的整體穩定性計算分析并為開挖支護設計提供可靠依據。采用極限平衡法進行極限平衡分析，選取最高邊坡位置剖面進行邊坡穩定計算。根據巖體力學建議值并結合現場實際地質條件分析綜合考慮天然、開挖+支護、蓄水等7種工況計算成果見表1。

表1 泄洪洞進口邊坡最高位置剖面極限平衡計算成果表

根據以上的計算結果分析得出在有效工程措施下所有邊坡穩定性均滿足規范要求，說明開挖支護后變形體強度能滿足工程需要，邊坡穩定狀況良好。

優化后最大邊坡開挖高度約75 m，減少約55 m。優化后進口邊坡頂部支護高程2 367.00 m，開口線高程為2 245.00 m，邊坡開挖最大高度從130 m降至75 m(見圖3)。

圖3 施工期優化后的施工支護方案 單位：高程,m

為了盡量減小對巖體擾動，采用少挖強錨的方式，高程2 359.00～2 367.00、2 326.00～2 334.00 m分別布置3排1 000 kN預應力錨索，高程2 278.00～2 298.00 m布置6排1 000 kN預應力錨索，山梁右側范圍在高程2 278.00～2 286.00 m布置3排錨索；高程2 205.00 m以上開挖坡面采用4.5 m/9.0 m系統錨桿、1 000 kN錨索+混凝土貼坡進行支護；高程2 205.00 m以下坡面采用4.5 m/9.0 m系統錨桿、2排1 000 kN鎖口錨索。為保證施工期安全，每層坡面達到設計坡比要求后及時初噴5 cm厚C20混凝土對坡表巖塊進行粘結和封閉。優化后土石方開挖減少67 417 m3，錨桿減少1 076根，錨索減少31束，鋼筋用量減少142 t，混凝土量減少2 780 t，防護網增加8 290 m2，詳細見表2。

表2 泄洪洞進口邊坡土建工程量優化對比

4 安全監測布置及成果分析

為了解“少挖強錨”優化支護后的邊坡穩定效果，可研階段布置了4個監測斷面。1-1監測斷面布置在泄洪洞進口上游，2-2及3-3監測斷面布置在泄洪洞進口處，4-4監測斷面布置在泄洪洞進口下游，各斷面測點布置最大高程位于傾倒變形體上緣。對邊坡支護區域布置多點位移計監測邊坡內部變形，布置錨索測力計、錨桿應力計監測支護應力變化情況。

根據施工期開挖支護優化方案調整對邊坡監測進行了對應的調整(見圖4)，可研階段主要監測斷面未做調整。原開挖區域布置的多點位移計仍在原位置附近安裝。根據新的錨索支護方案，共布置了30套錨索測力計(可研階段監測方案布置16套)，除布置在斷面上各表面變形測點附近的錨索測力計外，另按照5%的土建錨索比例選取各區域土建錨索布置測力計監測各區域錨固應力荷載支護情況，錨桿應力計由原方案布置6套減少為3套[5]。

圖4 施工期優化后的施工支護監測布置方案 單位：高程,m

根據泄洪洞進口邊坡支護優化調整，按照施工階段的優化調整與現場實際要求，泄洪洞進口邊坡4個主要監測斷面，布設多點變位計、錨桿應力計、錨索測力計、表面變形墩等主要監測設備。監測進口邊坡的表面、深度變形、應力、錨固支護噸位等情況共布設實施約64臺/套監測設備。根據DL/T 5178-2016《混凝土壩安全監測技術規范》[2]及樞紐區邊坡安全監測技術要求的1次/周的監測頻次，發現異常情況加密觀測、及時反饋相結合的方式。為開挖支護實時提供有效的數據分析[6]奠定基礎，同時對指導安全施工提供有力的監測數據支持。

按照強錨少挖的設計原則，錨固開挖支護完成后根據監測儀器所測得的監測數據分析綜合分析：進口邊坡強錨少挖區域范圍內表面變形水平累計位移在5.63～133.75 mm(見圖5)；垂直累計位移-13.18～78.47 mm(見圖6)；巖體內部位移累計位移在-0.86～3.28 mm(見圖7)；巖體深層錨固荷載在912.4～1110.6 kN以內(見圖8)；淺層錨固應力在-2.70～43.66 MPa之間，監測數據未見明顯變化過程。

圖5 泄洪洞進口邊坡表面位移曲線

圖6 泄洪洞進口邊坡垂直位移曲線典型圖

圖7 泄洪洞進口邊坡內部位移曲線典型圖

圖8 泄洪洞進口邊坡錨固荷載曲線典型圖

由圖4、5中泄洪洞進口邊坡表面水平位移計及垂直位移顯示可知，位于1-1斷面低高程表面變形點2021年8月間由于泄洪洞進口與導流洞進口開挖支護雙重因素影響出現變形數據增加情況。隨著后期開挖支護完成后泄洪洞進口表面變形數據趨于穩定。泄洪洞進口深部位移、錨固支護、表面變形監測儀器顯示監測數據增長與進口邊坡開挖時序具有高度一致性。在2021年9月后完成開挖支護后(見圖4～8)，邊坡深部變形、錨固應力進入應力重新調整階段。各測點數據變化都基本趨于穩定，泄洪洞進口邊坡監測儀器顯示：進口邊坡錨固應力、表面變形整體穩定。從深部位移、錨固支護、表面變形監測儀器所揭示的數據分析顯示優化后的強錨少挖區域內及其他區域開挖支護錨固效果良好。

5 結 論

本文對金川水電站泄洪洞進口邊坡土建開挖支護優化調整、安全監測設計布設調整及實施后安全監測數據的分析成果。根據優化后的監測數據實時反饋，分析得到以下結論：

(1) 根據泄洪洞進口邊坡開挖支護優化調整后，對于監測儀器的布設位置、監測區域、數量做同步調整，對于重點關注支護區域需要重點關注布置儀器。

(2) 根據邊坡安全監測儀器量化出的有效錨固噸位及變形情況實時分析成果，為邊坡開挖支護階段安全施工提供了數據支撐。

(3) 進口邊坡實行的采用“少挖強錨”開挖支護優化方式是合理的，監測數據對驗證支護穩定參數及支護效果具有重要意義。

(4) 泄洪洞進口邊坡目前還未經歷汛期及蓄水考驗，后期還需根據監測數據，進一步探究遇水軟化工況下的穩定問題。