复杂地质条件下全强风化岩体的高边坡设计

彭 江,雷运华

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

桐子林水电站位于四川省攀枝花市盐边县境内的雅砻江干流上,距上游二滩水电站约 18km,下游距雅砻江与金沙江汇合口约 15km,为雅砻江干流下游最末一级梯级电站,是以发电为主的水电枢纽,装机容量 600MW。推荐桐子林水电站采用断流围堰、右岸明渠、主体工程分二段三期进行施工的导流方式。导流明渠设计流量为 12700m3/s。

导流明渠设计布置位置从右岸Ⅰ级阶地通过。右岸原桐～雅公路高程1017～1020m,因导流明渠及主体工程布置的需要,需对其进行先期改建。改建公路沿明渠右边墙岸坡靠山体侧布置,全长1010.47m,设计路面高程约 1020.0m,路面宽 9m,路基主要由开挖山体形成,个别冲沟处由填方堆筑而成。改建公路先期施工后,沿明渠右边墙靠山体侧将形成高边坡,其中公路 K 0+140～0+360m段路面以上最大坡高约为 120m;在改建公路左侧靠雅砻江公路高程以下为导流明渠出口段的右边墙岸坡,还将下挖 48m到明渠底高程 974m左右。当导流明渠开挖完成后,该段明渠右边墙岸坡从明渠渠底至右岸桐～雅改建公路山体开挖边坡开口线将整体形成最高约 160m的开挖高边坡。

2 设计基本资料

2.1 地质条件

(1)地形地貌。工程边坡开挖区位于原桐～雅公路内侧,为平均坡度 35°～40°的原始自然山体,其外侧为修建原桐～雅公路的人工堆积及Ⅰ +Ⅱ阶地堆积的台阶状地形。

(2)地震。工程区位于坝区右岸,处于南北向挤压破裂岩带内,相应场地地震动基岩水平峰值加速度为 0.15g,地震基本烈度为Ⅶ度。

(3)地层岩性及地质构造。工程边坡开挖区浅表部为坡残积块碎石土,估计厚 3～5m;其下伏基岩为砂岩、页岩互层产出,以砂岩占多数,页岩为薄层状且表现为挤压揉皱,部分为层间挤压破碎带,岩体破碎,完整性差。改建公路通过处多为卸荷带岩体,岩体结构面发育且多为卸荷裂隙,多张开充填次生泥,岩体松弛,稳定性较差;尤其是页岩出露段,岩层呈薄层状、挤压揉皱明显,工程特性差,易风化剥落,其边坡稳定性差。

(4)岩体风化卸荷。工程边坡开挖区内岩体风化卸荷强烈,主要表现为页岩普遍强风化、易剥落及表浅部岩体松弛、拉裂等,为层状～碎裂、层状～镶嵌结构的Ⅴ级岩体。经地质调查及开挖揭示,岩体强风化水平深度约 20～30m,强卸荷水平深度可达30～40m。

(5)水文地质。工程边坡开挖区内水文地质条件较为简单,地下水为坡残积覆盖层孔隙水和基岩裂隙水两类,均由大气降水补给,向河谷排泄。页岩相对隔水,砂岩相对含水、储水。但浅表部岩体受强卸荷及节理裂隙发育的影响,页岩也具有一定的透水性。区内基岩裂隙水含水性受季节影响明显,原始坡体旱季普遍呈干燥状态,雨季则表现为有裂隙水沿边坡渗出。

2.2 岩体质量分级及物理力学参数

本工程建立了坝基岩体质量分级体系,按五级岩体质量划分标准,将坝区岩体具体划分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级四级岩体。根据岩体结构类型和岩体质量等级划分,开展相关试验。根据实际的地质条件,经分析论证和适当调整,并结合工程类比资料给出各级岩体的物理力学参数,包括岩体变形特性参数、抗剪强度、结构面抗剪强度及承载强度等(参数略)。

2.3 边坡设计安全标准确定

导流明渠为施工期的临时泄水建筑物,级别为4级。导流明渠右边墙岸坡开挖高边坡主要影响主体工程施工期导流明渠运行安全,并考虑到对电站建成后的影响及对右岸改建公路的重要性,经综合分析研究,考虑影响该边坡稳定安全系数的各有关因素和边界条件,并类比大量工程边坡实例及相关专业规程、规范拟定边坡安全标准(见表1)。

表1 各工况下边坡的允许抗滑稳定安全系数

3 边坡稳定性分析及计算

3.1 边坡稳定性宏观评价及结构分析

(1)边坡工程区多为卸荷带岩体,加之边坡高陡,开挖卸荷、松弛回弹易引起层状岩体倾倒变形,故边坡稳定性差。

(2)工程边坡开挖区内岩体风化卸荷强烈,多为层状～碎裂、层状～镶嵌结构的Ⅴ级岩体,边坡开挖后局部形成的随机块体对边坡稳定不利,也将对施工安全带来影响。

(3)应采用可靠、有效的边坡支护处理措施并在施工中及时支护,并每 15～20m坡高设置马道。

(4)边坡形成后,边坡下部强卸荷带岩体基本被挖除,强卸荷带岩体下限与坡面相交,上部强卸荷带岩体与相对完整岩体间形成潜在的软弱面,考虑到边坡岩体可能的地下水作用,需对边坡的整体稳定性进行复核。

3.2 边坡代表性剖面

根据工程地质资料,按边坡不同区段沿可能的滑动破坏方向切绘大比例尺地质剖面,作为边坡平面模型的代表性剖面。以 K0+140～0+360m段工程边坡为例,代表性剖面见图1。该边坡为岩质边坡,开挖区岩层总体产状 N10°～50°W/SW∠40°～80°,倾向山内偏下游,边坡整体稳定。该段工程边坡无特定软弱结构面、软弱层带和贯穿性结构面组合构成的定位块体,无与成组节理或层间结构面组合构成的半定位块体。

3.3 边坡稳定计算

(1)计算方法。根据地质部门提供的坝区岩体及结构面参数、相关地质剖面(如桩号 K+283.00m剖面图),结合相关设计规程、规范,采用岩质高边坡稳定分析程序“EMU"进行计算。

(2)边坡作用。

a.边坡岩体自重:坡外水位线以下岩体采用浮容重,坡外水位线与坡内浸润线之间岩体采用饱和容重,坡内浸润线以上岩体采用天然容重。

图1 桩号 K 0+283.128m边坡剖面

b.孔隙水压力:采用简化方法取滑裂面至浸润线竖直高度计算,浸润线按不利情况根据地质条件及经验取强卸荷带岩体下限以上 5～10m。

c.地震惯性力:按拟静力法计算边坡的地震荷载,仅考虑水平向地震作用。

d.加固力:预应力锚索作用按单位宽度作用在边坡的主动加固力考虑。

(3)作用组合。基本组合:自重 +岸边外水压力 +地下水压力 +加固力;特殊组合:基本组合 +地震作用。

(4)设计工况。正常工况:基本组合;非常工况:雨季形成地下水位增高;特殊工况:特殊组合。

(5)计算成果及分析。根据边坡布置及建立的边坡结构模型进行稳定计算,结果见表2。表2表明,边坡整体稳定,但抗滑稳定安全系数偏小,需加锚索等支护加固措施以增强边坡的整体稳定性。

4 边坡设计

4.1 设计原则

(1)确保设计边坡稳定安全度。

(2)满足工程布置要求。

(3)在满足上述两条的前提下尽量减小开挖边坡高度,方便施工。

(4)在不增加开挖边坡高度及开挖工程量的前提下,尽量减少或简化支护措施。

(5)加强地表、地下排水,减小水对边坡稳定的影响。

(6)应对施工程序和方法提出严格要求。

(7)坚持“动态设计、信息化施工”原则,高度重视边坡施工期的安全监测,根据现场施工反馈的信息适时调整、优化设计方案。

(8)充分考虑环境保护、美化环境。

4.2 开挖设计

遵循拟定的设计原则布置边坡开挖设计轮廓:

(1)根据明渠结构布置先期对右岸公路进行改建,边坡沿公路右侧靠山体布置,开挖高程及起坡点满足明渠及改建公路布置设计要求。

表2 桩号K 0+280.00m剖面抗滑稳定安全系数

(2)梯段开挖坡比。综合分析边坡工程区地质条件、岩体及其结构面的力学特性、边坡结构及边坡稳定计算成果,初拟梯段开挖坡比方案。对各方案进行比较、论证及稳定性分析计算,并参考其他工程边坡实践经验,最终确定开挖坡比如下(见图1):

a.边坡起坡点至高程 1049m为边坡下部两梯段 ,开挖坡比 1∶0.5。

b.高程 1049m至高程 1109m为边坡中部四梯段 ,开挖坡比 1∶0.75。

c.高程 1109m以上梯段,岩石开挖坡比 1∶0.75,浅表部坡残积块碎石土开挖坡比 1∶1。

(3)梯段高度和马道宽度。边坡梯段高度采用15m。每一梯段设置马道,考虑边坡布置不增加开挖高度、方便开挖及不影响加固支护施工,马道宽度设为 2m。

4.3 排水布置设计

减小地表水渗入坡体,阻隔地表与地下水联系,将地表水排离边坡范围,并尽快排出坡体。

(1)在边坡开口线外围设置周边截、排水沟,在马道上设排水砌沟,在开挖坡面喷混凝土覆盖。

(2)在坡面设排水孔,排水孔采用 PVC花管外包土工布,间、排距 3m,孔深 3m(后局部调整为 8～12m),10°仰角布置。

(3)在高程 1057.5m与 1098.0m分别设置一排长 30m和 40m的深排水孔,进行深层排水。

4.4 加固支护设计

(1)框格梁锚索加固。根据边坡稳定性分析成果,在 K203～0+353m段边坡不同高程最多共设置八排框格梁锚索(其中高程 1086.0m、1070.5m、1065.5m锚索为 2000kN,间距 5m,长度 40m;高程1055.5m、1050.5m锚索为 1000kN,间距 5m,长度35m;高程 1040.5m、1035.5m与 1032.5m锚索为1000kN,间距 5m,长度 25m),主要用于保持边坡设计轮廓、改善边坡应力条件、加强边坡整体稳定性,以满足要求的边坡目标安全系数。

(2)系统锚杆加固。边坡采用 φ25、L=4m与φ32、L=8m两种型号的全长粘结砂浆锚杆,以2.0m×2.0m的间、排距梅花形交错布置,主要用于加固边坡表层不稳定块体,提高边坡浅表层全强风化、强卸荷岩体的完整性和整体性。

(3)坡面喷混凝土、挂网支护。全坡面挂 φ8@20cm×20cm钢筋网,岩石坡面喷 15cm、土体坡面喷 25cm厚的混凝土进行表层支护,防止边坡表层岩土风化剥落、雨水冲刷,保证浅表层松散岩体及土体稳定性。

(4)随机锚杆加固。采用全长粘结砂浆锚杆,处理施工过程中局部出露的随机不稳定块体。

(5)自进式锚杆加固。作为局部岩体松散、破碎普通砂浆锚杆施工成孔困难时的替代锚杆。

4.5 施工程序及方法

为限制施工过程中边坡变形发展、确保施工安全与进度,要求边坡施工自上而下分台阶开挖,每级台阶边坡开挖后立即进行支护。锚喷支护及锚索未施工完毕,不得进行下层开挖。对全强风化强卸荷岩体开挖主要采用凿裂法施工,对相对较完整岩体采用钻爆法施工的部位严格控制爆破技术,减少对边坡岩体的震动和破坏。

4.6 边坡监测设计

根据边坡地质与加固工程特点,结合勘探剖面和稳定性分析的代表性剖面,布置相应代表性监测剖面。在每个监测剖面布置 2～3个监测点。

(1)为观测边坡岩体内部位移,特别是滑裂面上、下部位岩体的相对位移,布置 9套多点位移计,多点位移计必须穿过边坡潜在的滑裂面。

(2)为了解边坡加固结构的应力、应变特性,掌握加固效果,布置 8台锚索应力计和 17套锚杆应力计。

(3)监测设备的埋设应随边坡开挖、支护过程即时埋设、即时观测,以系统收集边坡施工过程中边坡变形发展特性等信息,为判断边坡稳定性、及时采取处理措施、适时调整和优化设计方案提供依据。

(4)典型断面监测成果(2006年 8月～2008年11月过程线)见图2。

图2 典型断面监测结果

5 结 语

根据边坡稳定性条件及边坡滑动模式,采用合理的计算方法对边坡进行二维稳定性计算,为边坡设计及加固处理提供定量的依据。采用框格梁锚索等加固措施对加强边坡整体稳定性效果明显。根据边坡地质条件在适当位置布置深排水孔降低边坡地下水位,对边坡整体稳定非常有利。边坡施工过程中,根据施工地质及监测资料,对局部边坡变形过大的部位及时采取清除表层松动岩体、调整开挖坡比、局部加强支护及塌方凹陷处浆砌石回填等措施。

先期施工的开挖边坡及右岸改建公路已竣工。2007年攀枝花地区雨季遇 50年一遇暴雨,后据监测资料分析,改建公路高程以上开挖高边坡坡体的整体变形收敛,边坡是稳定的。

桐子林右岸改建公路边坡为导流明渠右侧岸坡开挖高边坡的一部分,该高边坡的稳定有利于右岸改建公路、导流明渠的运行以及电站主体工程施工的安全、顺利进行。

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