某水电站厂房边坡治理设计

范 芹,潘志军,章启国

(1.浙江江能建设有限公司,浙江 杭州 310020;2.杭州市南排工程建设管理处,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

滑坡是指在一定的地形地质条件下,由于在工程施工过程,忽视了地质构造和岩层结构以及岩土性质对边坡稳定性的影响,护坡过程跟不上或措施不力而引起山坡不稳定,土体或岩体在重力作用下,沿着一定作用面(带)作整体的、缓慢的、间歇性的滑坡变形现象。它对山区基础设施建设危害极大。随着基础设施建设的发展,边坡滑移产生的问题越来越严重。为了有效地控制边坡岩体滑移,减少由此而造成的损失,必须对边坡滑移的成因、运动规律及防治措施进行深入的研究。

某水电站厂房边坡位于云南牛栏江的右岸,该边坡开挖高度较大,总开挖高度大于100 m。其中第1级厂房边坡高约53m,开挖坡率约为1∶0.5,开挖边坡长度约120 m;厂房边坡顶部为一宽度12～20 m的主变场平台,第2级主变场边坡高约35 m,开挖坡率约为1∶0.75,开挖边坡长度约60m。边坡岩体较破碎,且存在缓倾坡外的结构面,边坡潜在安全稳定问题。为保证发电厂房等建筑物在施工期间和水电站正常运行后的安全,需要对厂房边坡进行加固治理。

2 地质概况

2.1 地形地貌

工程建设区内地形条件复杂,岸坡陡峻,属构造侵蚀中山地貌。河谷两岸地形不对称,河谷左岸地形较陡,地形坡度大于60°,大多基岩裸露;右岸地形坡度稍缓,一般30～60°,自然地形呈台阶式,厂房及调压井上方的自然地形均为陡崖。

2.2 地层岩性

厂房所在场地出露二迭系下统阳新群(P1y)灰岩,岩溶较发育,岩体呈强风化到弱风化,岩石节理发育。工程所在边坡区的上部为厚层和块层构造灰岩,而工程边坡区段的原始地层为中厚层灰岩。厂房所处部位的表层岩土为河流阶地洪积堆积物,厂基置于弱风化灰岩上。由图1可见,边坡开挖形成3级平台,分别为1 082 m厂房平台、1 135 m主变场平台和1170m办公区平台,各级平台边坡岩体的结构特征和完整性有较大的差别。

1 170 m平台后缘边坡为自然边坡陡壁,岩体结构特征可明显区分为上下2部分。上部岩体破碎,表现为碎块石经历后期钙质胶结,且有较大的溶洞和架空现象存在,岩体表现出明显的经历塌滑破碎过程的痕迹;下部岩体结构完整,呈厚层块状构造。

1 135 m平台上边坡的岩体结构划分成上下2部分。上部边坡岩体主要为碎块石,是地质历史上崩塌和溶洞坍塌形成的堆积体,碎石土层厚5～10 m。边坡下部岩体较破碎,表现出明显的受崩滑体冲击而形成密集纵张裂隙的特征和错动破碎特征。

厂房开挖边坡岩体完整性差,开挖坡面岩体破碎、裂隙发育。坡脚段岩体完整,完整岩体与破碎岩体的分界线为1个小断层。断层面以上坡体强烈破碎,断层面以下则为完整岩体。

2.3 地质构造与区域稳定性

电站工程区在地质构造上位于南岭东西向复杂构造带的西延部位及云南山字型构造东翼。工程区处于东部搪房背斜与西部天生桥向斜之间,所要研究的厂房边坡处于单斜构造范围内。

根据《中国地震动参数区划图》,该区地震峰值加速度为0.10 g,场地地震动反应谱特征周期为0.45 s,相应地震基本烈度为Ⅶ度。

2.4 水文地质条件

研究区由于河道急剧下切,两岸边坡陡峻,植被稀少,水土流失严重。地表水系不发育,地下水类型主要为松散岩类孔隙水和岩溶裂隙水,接受大气降水补给,地下水对混凝土无侵蚀性。

3 稳定性分析

厂房边坡在未进行边坡开挖前的自然斜坡是稳定的,边坡开挖后的变形破坏主要表现为坡面岩石块体的局部塌落,未见反映边坡整体变形破坏的形迹,边坡仍具有一定的整体稳定性。但开挖的厂房边坡坡脚附近存在缓倾坡外的断层,边坡岩体完整性较差,故边坡整体稳定性的安全余度不高,必须进行加固处理。

对于坡面岩体潜在的局部坍塌破坏问题,采用系统锚杆进行全面加固,能够防止边坡坡面地质灾害的发生。

3.1 计算模型

首先选取计算剖面,该剖面应能够反映边坡潜在的破坏方式,并能代表边坡的整体稳定性。根据现场调查资料,选择典型剖面(见图1)进行计算分析。

图1 边坡稳定性计算剖面图

从图1可以看到,该计算剖面经过潜在滑体分布的1 170m平台的最后缘,代表的潜在滑体方量最大,对该剖面进行加固设计,确保加固后剖面潜在滑体的稳定性,就能够达到确保潜在滑坡体的整体稳定性。在稳定性分析计算中,分别计算边坡开挖前后的稳定性。

潜在滑坡底滑面依据现场地质调查资料和勘探及施工资料综合确定。潜在滑面的后缘是松散堆积土与完整岩体的接触面,滑面在开挖坡面的出露位置是破碎岩体与完整岩体的分界线。

3.2 边坡稳定性计算分析

边坡稳定性分析的基本方法是平面极限平衡下限解法,具体可采用Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法和不平衡推力传递系数法。

合理确定边坡潜在滑面的力学参数是进行边坡防护设计的基础。边坡潜在的底滑面为由岩块岩屑组成的断层破碎带,限于工程条件,无法进行原位力学试验,也无法取得原状岩土试样进行室内力学试验。因此,需要取滑面强度参数经验值和采用反演计算法确定潜在滑面的力学参数。

根据 《水利水电工程地质勘察规范》 (GB 50287—99)对结构面、软弱层、断层的抗剪断强度取值建议,对岩块岩屑结构面的抗剪断强度为 f′=0.55～0.45(Φ=28～240)、C′=25～ 10 kPa。

滑面力学参数通过反算法确定,即根据边坡所处的发育阶段及其相应的稳定程度,用开挖后的剖面进行反算。通过厂房边坡稳定性分析,依据现场调查的结论,认为开挖后边坡尚未进入明显的蠕动挤压变形阶段,而且此边坡经历过几次地震而不发生明显的变形破坏,故取设计基本地震烈度Ⅶ度条件下边坡的稳定性系数为1.10作为反演计算的依据,不再考虑地震力的影响。应用Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法和不平衡推力传递系数法,反演计算滑面的力学参数。

反演计算过程中首先依据有关规范和经验确定滑面的内聚力Φ为20 kPa,然后采用不同的计算方法反演计算出内摩擦角φ。据此反算边坡潜在滑面的力学参数(见表1)。

表1 不同计算方法反演潜在滑面的力学参数表

用边坡开挖后的潜在滑坡稳定性计算剖面获得的滑面强度参数,计算原始地形条件下的稳定性系数见表2。从表中可以看出,厂房边坡开挖后边坡的整体稳定性系数下降了0.09。为将开挖后的边坡稳定系数提高到开挖前的水平,就需进行加固处理,以将边坡的稳定性状态恢复到原始斜坡的水平。因此,为保证边坡的长期稳定与安全,需要采取加固措施,以弥补由边坡开挖引起的稳定性的降低。

表2 边坡开挖前的安全系数表

4 边坡治理设计

4.1 治理设计原则

结合研究区域地质环境及边坡的变形破坏特征与稳定性状况,采用技术可靠、经济有效的治理措施,对边坡进行加固处理,以防止边坡发生变形破坏而影响厂房的施工和正常运营。

4.2 设计方案

由于不具备放缓边坡的环境条件,可行的处治措施是进行边坡加固。具体加固措施的选择是依据稳定性分析计算结果和现场地质调查结果,并综合考虑现场施工环境和施工条件的影响而定的。

具体加固措施为:采用坡面地表排水系统,减少地表水在边坡表面流动和向边坡深部入渗,提高边坡表面和整体稳定性;采用系统锚杆和挂网喷浆来提高开挖边坡坡体表面破碎岩体的稳定性,防止局部坍塌和崩塌的发生;采用预应力锚索+框格梁加固体系及水平排水孔来提高边坡的整体稳定性,防止边坡沿潜在的滑面发生滑动变形。

加固后边坡的整体稳定性满足有关规范的安全要求,并使开挖后的边坡稳定性达到开挖前的水平。按照这样的设计思路,根据剩余推力法计算,锚索需要承担的抗滑力为756 kN/m。

综合考虑经济、锚固效果以及施工条件、潜在底滑面产状等因素,确定锚索倾角为25°;计算得单宽锚固力为T=735 kN/m。为了保证破碎岩体坡面的承载力,采用小吨位的预应力锚索,根据合理间距的范围,选择纵横梁间距均为5m,锚索剖面布置和平面布置见图2和图3,即在沿坡面30 m长的范围内布置7排预应力锚索,排距5 m。则单根锚索的设计锚固力为N=T×5/6=613 kN。考虑1.2的安全系数,实际设计锚固力取N=750kN。为保障边坡锚固体系的长期安全稳定性,防止个别锚杆和锚索失效对边坡稳定性的影响,并确保锚固施加的预应力能均匀地分布到边坡的坡面上,防止坡面岩体破碎影响锚索预应力的保持,设计方案中采用大断面框格梁系统。其中的纵梁在一定程度上起到抗滑桩的作用,以便充分发挥边坡坡脚段锚杆的加固作用。

图2 锚索剖面布置图

图3 框格梁及锚索平面布置图

4.3 施工方案

整个加固工程分框格梁、预应力锚索、锚杆和泄水孔4部分。其中框格梁采用C30混凝土,钢筋采用Ⅰ级钢和Ⅱ级钢。其中纵梁宽800 mm,高1 200 mm,横梁宽600 mm,高800 mm。受力钢筋保护层厚度40 mm。

预应力锚索采用1 860级高强度低松弛钢绞线,最小破断力260.7kN,直径15.24 mm,锚索锚具采用OVM15-6型张拉锚具。锚索每束6根,倾角25°。单根锚索设计吨位750 kN,预应力张拉吨位825 kN。有效内锚固段长度不小于8 m,钻机成孔,孔径130 mm,倾角25°。

锚索施工顺序为:锚索钻孔,锚孔1次注浆;框格梁浇筑;锚索2次张拉;补充灌浆及封锚等。锚索施工前做好锚索拉拔试验,检验岩体与砂浆间的抗剪强度 (石灰岩,τ≥1 MPa),以验证锚索的有效锚固长度。锚索长度可根据具体的钻孔资料确定的完整基岩的位置适当变化,但应保证锚固段的长度不小于8 m。锚索编制前应对每根锚索都要进行捆扎质量检查,除锈除油污,对有死弯,机械损伤应剔除,确保满足设计要求。锚体张拉应分2次进行,第1次张拉按5级张拉(即锚索设计吨位的25%,50%,75%,100%,110%5级),前4级稳定时间为 3 min,第1次张拉后6～10 d再进行1次张拉,以便补偿锚索的松弛和地层的徐变等因素造成的预应力损失。在引水隧洞轴线两边的锚索应在隧洞爆破开挖完成后再进行预应力张拉,避免爆破导致预应力过大损失,必要时应进行补偿张拉。张拉前应对张拉设备进行标定,作为张拉的依据,并在正式张拉前用10%或20%设计拉力进行预张拉,以便索体各部位接触紧密,索体完全顺直。

锚杆采用φ 36钢筋,钻机成孔,孔径110 mm,锚杆采用全长粘结型锚杆,锚杆长度15 m,倾角25°,锚杆外端垂直弯起,长度1 000mm,保证与框格梁的粘结。锚索 (杆)注浆采用M40水泥砂浆,配合比由试验确定,注浆压力不小于1.5MPa,注浆用水泥为42.5R普通硅酸盐水泥,施工时水泥砂浆应搅拌均匀,1次拌和的水泥砂浆应在初凝前用完。锚孔注浆时,采用1次注浆法,将自由端涂满防锈油,油脂须采用无粘结预应力筋专用防腐润滑脂,套上PVC套管,1次将锚固段和张拉段注满,不能留空隙。自由段每隔2 m设置1道定中件。锚杆施工顺序可以分为:锚杆钻孔,锚杆注浆;框格梁浇筑。

泄水孔孔径100 mm,孔深8 m,向上倾角5°。

整个治理工程施工前应整平坡面,清除坡面表面浮石,施工过程中,施工影响区设立警示标志,作业面影响范围内人员撤离。

5 结 论

基于以上对滑坡的基本特征和稳定性分析,通过采取排水系统与抗滑支挡有机结合的工程治理措施,从目前滑坡地面调查情况看,滑坡区无新的变形破坏迹象,表明边坡处于稳定状态。

可以看出,采取排水系统与抗滑支挡有机结合的综合处治方案是保障该滑坡处治工程获得成功的关键。在排水系统设计中,根据滑坡体水文地质情况,可采用地表排水系统;在抗滑支挡工程设计中,根据滑坡体的滑动位移特点、滑坡推力特征、地形条件及地层结构情况选择恰当的支挡方案是降低滑坡处治工程费用获取最佳处治效果的先决条件。