金安桥水电站枢纽建筑物边坡工程设计

马 俊，李双宝，邓良军

（中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南 昆明 650051）

1 工程地质条件

金安桥水电站枢纽区河谷为 “V”字形，两岸地形陡峻。出露地层为二叠系上统玄武岩组上段（P2β3），岩性有致密玄武岩、杏仁状玄武岩、火山角砾熔岩夹5层凝灰岩夹层。区域地质构造处于扬子准地台西部边缘的丽江台缘褶皱带内，地处青藏高原东南侧滇西北新构造运动强烈活动部位。根据国家地震局地质研究所对场地地震安全性评价成果，工程区地震基本烈度达Ⅷ度，100年超越概率2%水平地震动峰值加速度为0.399 g。河谷为纵向谷，左岸为顺向坡，右岸为逆向坡。枢纽区建筑物布置紧凑，各部位边坡开挖互相影响，开挖边坡所处区域地质条件复杂。左岸枢纽区还分布有B1、B2和B20三个大型崩塌堆积体，其方量较大，覆盖层厚，组成性质复杂，枢纽区边坡设计有较大难度。

2 边坡设计原则

根据地质条件和工程建筑物布置，边坡总体设计原则如下：

（1）根据建筑物等级，分部位确定边坡安全等级的控制标准。地震动参数采用专题评审标准，并考虑施工爆破震动效应的影响；针对薄弱的凝灰岩夹层、凝灰岩接触带和崩塌堆积体，进行岩土物理力学参数反演分析；对坡外水位骤降和崩塌堆积体暴雨孔隙水压力进行敏感性研究复核。结合计算分析成果，安全标准基本采用地质建议指标的中、高限值。

（2）地质勘查工作结论表明，金安桥边坡失稳主要模式是以凝灰岩夹层和绿泥石石英错动面等薄弱部位为潜在滑动面的整体滑移型失稳，以堆积体底界接触带为潜在滑动面的整体蠕动推移变形破坏、岩体及堆积体松散结构内部形成的圆弧形浅表层牵引式崩塌破坏。根据破坏模式，初拟边坡的开挖支护比例，以安全为前提，结合经济合理性比较，最终确定边坡开挖和支护设计方案。采取动态追踪设计理念，对监测和施工方案提出要求，掌握施工现场的地质状况、施工情况和监测数据信息，动态调整设计方案，以适用于工程实际。

（3）根据重力坝和坝后厂房的布置，坝肩边坡采取开挖和支护并重的形式进行处理。对薄弱地质缺陷部位有针对性地采取加强支护的形式。结合左岸坝顶和缆机平台交通，对坝轴线下游的B2、B20崩塌堆积体采取强开挖、少支护的处理方式，在开挖至堆积体自稳的前提下对坡面和后缘陡岩面进行支护处理。根据溢洪道消力池布置特点，对右岸交通及消力池边坡采取陡开挖强支护的处理方式。对左岸坝前库岸边坡B1堆积体采取加强观测暂不支护的处理方式。

（4）对上限解法和下限解法的计算结果进行对比分析，然后采用了瑞典条分法、毕肖普 （Bishop）法、 詹布 （Janbu） 法， 摩根斯坦－普莱斯（Morgenstern-Price）法、潘家铮法、萨尔玛（Sarma）法比较验算，以目前广泛应用的能量法上限解 （EMU）软件作为主要计算分析程序，结合有限元静力、动力分析，最终计算得到边坡安全系数，作为边坡设计参考。

3 边坡处理措施

根据地质勘查资料及计算分析成果，参考其他同类工程的设计经验，结合边坡的自身特点，对金安桥水电站边坡分别进行以下处理。

3.1 左岸坝前库岸边坡

左岸坝前库岸边坡为B1崩塌堆积体。稳定分析计算成果表明，堆积体整体滑动的可能性不大，但存在沿浅表层滑动失稳的可能，堆积体中央厚度较大区域沿凝灰岩夹层整体滑动的安全系数未达到控制安全标准。动力有限元计算成果表明，上游侧1 570 m高程以上边坡地形外凸部位在地震工况时稳定性也较差。鉴于该崩塌堆积体距离主体建筑物较远，失事后造成的损失可控，故采取加强监测、动态追踪的方案，增加地勘测量工作量，获取详细的地质和水文资料。对资料进一步分析后，优化了开挖支护方案，重点追踪蓄水水位变幅区的变形观测，仅保留地表截排水措施。

3.2 重力坝坝基及坝肩开挖边坡

左岸边坡分布的陡倾结构面均比边坡开挖面陡，块体沿凝灰岩夹层整体滑动的可能性不大，边坡发生倾倒破坏的可能性也不大，整体稳定性较好。静、动力有限元分析表明，边坡开挖完成后，开挖区附近及坝肩边坡浅表层塑性区安全系数较低，甚至出现局部拉裂破坏区。边坡开挖后暴露的绿泥石化岩体受开挖卸荷的影响，出现较大范围的低应力区，相应抗滑稳定安全系数降低。因此，在边坡开挖后应重视对绿泥石化岩带的处理。

左岸坝肩边坡除布置常规的喷混凝土锚杆支护措施外，还在缆机平台外缘外荷载集中区布置了预应力锚索；在裂面绿泥石化岩体出露区域增挂了钢筋网；在开口线局部卸荷强烈、较破碎坡面和凝灰岩夹层、绿泥石石英错动面出露部位，采取预应力锚杆和锚筋桩交叉锁口的方式进行处理。

右岸坝肩为逆层坡，计算结果显示其整体稳定性较好，大面积开挖揭露的火山角砾岩整体性较好。因此，仅对坡面采取常规喷混凝土锚杆系统支护，对凝灰岩夹层和小断层出露部位加强锁口支护。

右岸冲沟无水，仅在开口线外布置坡外水截流设施。左岸坝肩分布有2条冲沟，汛期水量较大，除布置常规坡外截流设施外，还在坡顶陡崖以上平台设计了冲沟挡水坎及集水坑，通过左岸高线排水隧洞将冲沟水引流至上游冲沟中排入金沙江。

3.3 尾水渠出口左岸边坡

尾水渠出口左岸边坡为B2崩塌堆积体。天然状态下，在边坡出露高程以上的松动体和堆积体存在沿凝灰岩夹层发生整体失稳的可能；堆积体下游侧附近还存在局部滑动条件。结合左岸上坝公路、上缆机平台支线公路、下部尾水平台的布置，对堆积体进行开挖减载后，堆积体和松动体的稳定状况得到很大改善，各工况下边坡的安全系数均能满足设计要求。

开挖减载方案除了挖除B2崩塌堆积体总体积的50%以外，开挖综合坡比还缓于1∶1.5，能够保证堆积体自身稳定。对开挖开口线、堆积体与基岩交界面、凝灰岩夹层出露部位均采用了混凝土锚拉板封闭，在穿越堆积体的公路的外沿布置锁口锚筋桩，必要部位设挡墙保证公路结构的安全。此外，开挖的堆积体坡面多为散体泥夹石块，为避免坡面局部的掉块坍塌，在坡面布置混凝土网格梁附坡，网格梁间采用植草的方式固坡。

3.4 尾水及溢洪道下游左岸边坡

尾水及溢洪道下游左岸边坡为B20崩塌堆积体。天然状态下稳定计算结果表明，该崩塌堆积体安全系数大多处于安全临界值附近，且分布范围较大。下游A区堆积体覆盖较厚，上游B区堆积体后缘有卸荷陡倾岩石出露。因施工临时道路开挖和下部低线公路切脚，A区产生向河中偏下游侧以凝灰岩夹层为底界的蠕滑迹象，后缘出现拉裂缝。根据动态追踪设计原则，结合上坝高、低线公路及临时连接线的布置，对B20堆积体进行削坡减载的处理方案。着重挖除堆积体上部陡倾覆盖物，保护下部压脚，低线公路挡墙结构采用衡重式混凝土挡墙。堆积体开挖总量约占总体积的35%，开挖综合坡缓于1∶1.5。通过现场设计调整，施工完成后边坡稳定性明显提高，监测成果显示堆积体变形衰减明显，趋于自稳。

开挖后，堆积体顶部形成一个陡峭基岩面，且开口线以外还存在一定厚度的强风化陡崖。稳定分析认为，该岩面和陡崖需进行系统的预应力锚索加固。为防止施工期爆破震动引起零星掉块，陡崖面增设了一道主动贴坡防护网和两道被动防冲防护网。堆积体开挖面面积非常大，结合经济环保考虑，坡面铺设机编活络网，采用含养料回填土植草的支护方式。这样既保证了坡面的美观及环保要求，又有效地避免坡面掉块塌方的发生。

B20崩塌堆积体与B2崩塌堆积体地表排水措施相同。考虑到暴雨滞留在堆积体底界的孔隙水压力对堆积体整体稳定非常不利，因此在两个堆积体底界接触带以下的火山角砾岩层中布置了3条贯通的排水洞，排水洞顶距离堆积体底界15～30 m，洞顶设置排水孔，排水孔要求打穿堆积体底界，将堆积体底界的滞留孔隙水经排水洞引流至堆积体外排出。

3.5 溢洪道右岸开挖边坡

由于边坡处岩体质量较好，经刚体极限平衡法、静 （动）力有限元分析，边坡沿弱风化上部及以上岩体内滑动的安全稳定系数较高，边坡发生整体破坏的可能不大。设计开挖坡比较陡，对边坡采用常规喷混凝土锚杆支护，鉴于下部反倾凝灰岩出露部位卸荷后出现掉块倾倒破坏，现场增加部分预应力锚索。结合右岸上坝公路排水沟截留坡外水，对坡面反倾薄弱面增设反滤排水孔。

4 经验和总结

（1）引入动态追踪设计理念。金安桥水电站的边坡设计借鉴小湾水电站的边坡设计经验，在动态追踪设计方面有了进步和扩展。在施工现场投入了大量的设计力量，根据施工揭示的实际地质资料，结合全过程监测成果分析，对边坡实行先总体规划，再分区布置，最后局部优化调整的设计思路。在保证工程质量和安全的前提下，保障了施工进度。整个工程的边坡设计达到安全可靠、经济合理、便于施工的高标准。

（2）重视边坡的截水、防水、排水系统设计。防渗和排水是改善和提高边坡稳定性的有效措施。金安桥水电站边坡设计遵循这一设计思路，为降低边坡地下水位，减少渗水压力，改善边坡稳定条件，采用了以地下排水为主，地表截、防、排水为辅的综合措施，形成了一套行之有效的边坡防、排水设计系统。

（3）建立了一套完整的边坡监测系统，并重视监测反馈数据的分析研究，为边坡的动态设计建立了完备的数据基础。金安桥水电站在整个施工过程中都加入了大量的监测设计，对收集整理的监测数据进行细致的研究分析，边坡设计据此进行合理调整和优化，做到了设计与实践紧密联系，设计层次主次分明，重点部位重点支护，条件改善部位优化到位，最大限度地达到了设计的经济合理性。

（4）对地质薄弱部位加强支护措施。金安桥水电站边坡岩体呈现分层次出露特征，岩性变化较明显，加之枢纽区Ⅱ、Ⅲ级结构面分布较广，切割复杂，若采取单一大范围的支护形式则不符合实际情况。根据现场揭露岩性，在火山角砾岩和玄武岩部位仅实施常规锚固，但在出露凝灰岩夹层、绿帘石石英错动面、结构面切割复杂部位和开挖开口线部位采取交叉锁口长锚杆、钢筋网、挡墙、混凝土塞等相应加固措施，更加安全合理。

（5）思路开拓创新，引入新技术成果。对大面积堆积体开挖面，引进了适宜干热河谷气候条件下生长的植草护坡技术。通过反复实验研究，结合自身条件，得到了合理可行的草籽配合比，采用了当地适用的肥料和土壤配比。新技术大幅提高了施工进度，节省了建筑材料，并且实现了 “以绿还绿”的环保设计构想。在边坡的其他设计技术方面也采用了国内先进技术和材料，力求达到边坡设计与时俱进。