全锚索支护在某边坡加固处理中的应用

杨倩岚

（贵州乌江水电开发有限责任公司东风发电厂，贵州 清镇 551408）

一、概述

东风水电站位于贵州清镇、黔西两市县界河上，距离贵阳市88km。坝址以上控制流域面积18161km2，多年平均径流量108.8亿m3，多年平均流量345m3/s。枢纽工程以发电为主，总库容为10.25亿m3，有效库容为8.64亿m3，调节库容为4.91亿m3，属于不完全年调节水库。新建时布置3台机组，原装机容量为510MW(170×3)；为了解决机组主设备事宜，2004年2月至2005年5月将机组增容至570MW(190×3)，2004年3月至2005年12月扩机1台（容量为125MW），目前枢纽总装机容量为695MW(190×3＋125×1)。

工程由原水电九局承建，于1984年10月开工做施工准备，并于1989年1月30日方才实现截流。1994年8月31日首台机组并网发电，同年12月26日第 2台机组发电，1995年12月25日第3台机组并网发电。1998年，工程通过原国家电力公司组织的枢纽工程竣工验收。

1999年的工程竣工安全鉴定意见：“右坝肩以F34为侧滑面，5#夹泥层为底滑面的潜在滑动体，其纯摩安全系数为1.35，是安全的。而剪摩安全系数在假定上游面脱开，作用全水头时为2.28，上游面作用力为零时为2.78，小于规范要求3.5。“又鉴于”关于边界条件的假定预实际情况有一定出入，按比较不利的情况考虑，加之右坝肩F34及多组软弱夹层在98年前做过高压灌浆、抗剪洞。扩挖置换、部分预应力锚索等处理，在计算中未予充分反映。因此实际安全系数当计算值为大。右坝肩处于稳定状态，但安全储备偏小”。

二、地质情况

东风水电站右坝肩边坡顺河向长80m～110m，地形由多级陡坡与平台组成，边坡地面高程830m～980m，属于高陡边坡。

右坝肩出露的地层，主要为第四系覆盖层，三迭系下统永宁镇组灰岩，永宁镇组下段(T1yn1)为右坝肩的主要地层，对坝肩稳定有影响的主要地层为T1yn1-3-1～T1yn1-4-2。另外，控制右坝肩稳定的主要断层为F34断层，F34断层产状为NE 70～80°，SE∠63～80°，从高程 957m 左右穿过右拱端，向SW方向延伸，NE端至鸭池河岸坡，呈一裂隙状尖灭。断层带宽一般0.1m～0.4m，影响带宽一般2m～3m，断层带为方解石胶结的角砾岩，局部溶蚀宽0.1m～0.15m，充填黄泥，影响带岩石稍破碎。泥化夹层主要分布于T1yn1-3的中厚层夹薄层灰岩层面间，厚度一般0.5cm～1.0cm，矿物成分绿以绿泥石～蒙脱石为主，极易泥化。

右坝肩滑动层面主要以F34断层构成侧滑面，断层带宽一般0.1m～0.4m，影响带宽一般2m～3m，局部溶蚀宽0.1m～0.15m，充填黄泥，影响带岩石稍破碎。底滑面主要为1#、5#泥化夹层。

三、支护方案

1 常规支护方式

边坡加固处理的常规支护方式主要包括：混凝土抗滑桩、混凝土框架和喷混凝土护坡、混凝土挡墙及抗剪洞等方式。

混凝土抗滑桩能有效而经济地治理滑坡，尤其是滑动面倾角较缓时，其效果更好，因此在边坡治理工程中得到了广泛采用。混凝土框架和喷混凝土护坡是基于混凝土框架对表层坡体起保护作用并增强坡体的整体性，防止地表水渗入和坡体的风化；框架护坡具有结构物轻，材料用量省，施工方便，适用面广，便于排水，以及可与其它措施结合使用的特点。混凝土挡墙是治坡工程中最常用的一种方法，它能有效地从局部改变边坡的受力平衡，阻止边坡变形的加剧。抗剪洞是基于形成较大的抗剪力，根据自身具有一定的倾斜度，防止了混凝土与洞壁结合不实的可能性，同时采取洞桩组合结构的受力条件远较传统悬臂结构合理，可望提供较大的抗力。采用预应力锚索进行边坡加固，具有不破坏岩体，施工灵活，速度快，干扰小，受力可靠，且为主动受力等优点，加上坡面岩体抗压强度高，因此在水利水电工程的边坡治理中都得到了大量应用。

2 支护方案优化

1)设计方案介绍

东风水电站右坝肩边坡加固处理的最初思路是设置抗剪洞或抗剪竖井对夹层、F34断层进行置换，以提高底滑面的综合抗剪指标，另外，可采取预应力锚固的方法，利用锚索减少下滑力，增加滑面正应力，从而提高安全系数。在此基础上布置了四个处理方案。

方案一：(1)在右坝肩下游边坡布置230束300t级预应力锚索穿过1#、5#夹泥层或F34断层；(2)在895m隧洞布置28束300t级预应力锚索穿过1#、5#夹泥层或F34断层；(3)沿1#、5#夹泥层各布置两条抗剪洞，以提高底滑面的综合抗剪指标。抗剪洞断面为2m×2m，沿5#夹泥层的抗剪洞长78.0m，沿5#夹泥层的抗剪洞长65.0m。

方案二：(1)在右坝肩下游边坡布置230束300t级预应力锚索穿过1#、5#夹泥层或F34断层；(2)在895m隧洞布置28束300t级预应力锚索穿过1#、5#夹泥层或F34断层；(3)沿F34断层布置四条抗剪竖井，以提高侧滑面的综合抗剪指标。抗剪竖井断面为2m×2m，平均长42.5m。

方案三：(1)在右坝肩下游边坡布置178束300t级预应力锚索穿过1#、5#夹泥层或F34断层；(2)在895m隧洞布置28束300t级预应力锚索穿过1#、5#夹泥层或F34断层；(3)沿F34断层布置四条抗剪竖井，以提高侧滑面的综合抗剪指标。抗剪竖井断面为2m×2m，平均长42.5m；(4)沿1#、5#夹泥层各布置两条抗剪洞，以提高底滑面的综合抗剪指标。抗剪洞断面为2m×2m，沿5#夹泥层的抗剪洞长78.0m，沿5#夹泥层的抗剪洞长65.0m。

方案四：(1)沿1#、5#夹泥层各布置三条抗剪洞，以提高底滑面的综合抗剪指标。抗剪洞分顺夹层走向及倾向布置。5#夹泥层上顺夹层走向的抗剪洞一条，断面为4m×4.5m，长75m，顺夹层倾向的抗剪洞两条，断面为2m×2m，各长78m；(2)1#夹泥层上顺夹层走向的抗剪洞一条，断面为4m×4.5m，长65m，顺夹层倾向的抗剪洞两条，断面为2m×2m，各长65m；(3)在885m、860m高程各布置一条排水洞，断面为4m×4.5m，长度分别为75m、100.6m；(4)在引水隧洞布置两排共10束300t级预应力锚索穿过1#、5#夹泥层；(5)顺夹层走向的抗剪洞及排水洞内布置73束300t级预应力锚索，右岸下游边坡布置64束300t级预应力锚索穿过1#、5#夹泥层或F34断层。

稳定复核的成果表明，采用方案一时右坝肩稳定安全系数较低，在洞挖后，以1#夹泥层为底滑面的滑动棱体稳定安全系数在正常工况下略低于规范要求3.5，三个洞挖方案中最低达3.490，但其范围在5%以内，认为基本满足要求；方案三的安全系数最高，处理方案二、四居中。总体上，四个处理方案均能使右坝肩在运行期的稳定安全系数满足规范要求，技术上四个处理方案均可行，设计单位拟推荐方案四作为右坝肩加固处理的实施方案。

2)推荐方案存在的问题

从施工以及对坝肩的影响方面来看，由于设置抗剪洞和排水洞带来一系列问题：

①洞室开挖较多，对坝肩岩体有扰动，对坝肩地质岩体带来损伤，对高拱坝的安全不利；

②在高水头下进行洞室开挖，洞室易产生渗漏水，对坝肩稳定和施工安全不利，需降低库水位减小作用水头，但由于施工时间较长，若降低库水位至955m，水位降低后一方面耗水率增加，另一方面减少库水量约2.64亿m3，会使电站经济运行效益降低，并增加防洪度汛难度。

3)推荐方案的解决思路

①右坝肩抗滑稳定安全系数在不计上游脱开面拉力情况下达不到规范要求的3.5，而起控制作用的主要是5#软弱夹层；

②出露于河床坝基的5#夹层，由于前期勘测1#夹层过程中，对5#夹层没有具体的描述和力学参数值，仅为参照1#夹层试验成果抗剪强度的取值；

③ 通过2005年东风扩机工程在F34断层下盘较远的厂房处出露5#软弱夹层，地质指标较原计算值有所提高。

根据上述因素，为切实摸清F34断层上盘坝肩处5#夹层的抗剪指标，需重新在坝肩右岸845m平台开挖平洞，揭露5#夹层以获取抗剪指标，根据其力学参数重新复核右坝肩的安全稳定系数，根据安全系数对设计方案进行优化调整，尽量避免开挖平硐。

4)推荐方案的优化

根据东风水电站右坝肩地形地质条件，于2006年7月将现场大剪试验布置于右坝肩与尾水洞之间的右岸845m平台开挖平硐内。根据获取的2组平硐5#夹层抗剪试验成果，显示夹层性状稳定，两组试验破坏面均沿夹层面呈塑性破坏。从计算结果可以看出，地质复核后右坝肩稳定安全系数有所提高，但仍小于规范控制标准，故仍需进行加固处理。考虑第一阶段处理方案抗剪洞和排水洞施工爆破对已有建筑物的影响及洞挖对坝肩地质岩体的损伤，所以在第二阶段取消抗剪洞和抗剪竖井，在方案四的基础上调整为全锚索支护方式，即锚索共布置18 排，以坐标(2972344.777，614476.263)为控制A点；A点为起始桩号0+000，每4m一排，每排锚索间距8.0m；预应力锚索为3000kN级，锚根段长度10.0m，使其穿过夹泥层或F34断层；其方位为 NE31.5°，倾角 10°，与滑动棱线斜交，使锚索力既能增加滑面的正压力，又能直接减小滑动力；3000KN级锚索共120束，孔深平均近70m，最深达92m。

四、施工重点

1 排架施工

在实施过程中，由于排架高度为100m，锚索施工只得由低高程向高高程逐层向上施工，一方面施工工效大为降低，另一方面整个100m高排架系统全靠底部基础支撑，随着排架不断上升和荷载加大，稳定性逐渐下降，施工风险逐渐增大。

为了加快施工进度，同时增强排架稳定性，经现场实际勘查，实施时利用右坝肩边坡中部EL900m高程平台将排架分成上、下独立支撑的排架系统。具体的调整方案如下：原宽度为4.5m的排架调整为3.6m，搭设工艺流程同原设计方案，不作调整；在EL900m高程平台搭建施工排架，顶部加设一台80T塔吊，同时在上下游两侧增加刚性栈桥，作为上部排架的减载层，使EL900m高程以上排架同下部排架完全分离，独成一体，减轻下部排架受力。排架调整后的施工好处：

①由于高度减小，可增强排架的整体稳定性，增加平台的承载能力，提高了边坡锚索施工的安全性；

②降低排架的垂直搭设高度，一方面减轻了排架的自重，另一方面宽度为4.5m的排架调整为3.6m，节省了近100吨脚手架管材；

③分层后形成两个独立作业面，无干扰，便于锚索施工，可加快施工进度，提高工效。

④安装80T塔吊后，可以解决钻机上下、水平迁移及穿索问题，减少排架上的施工人员，降低安全风险。

2 钻孔控制

由于锚索孔孔深平均达64.67m，最深达92m，设计孔径为Φ190mm，且10%要求取芯（需采用地质钻机），考虑到本工程的地质条件带有一定的不确定性，且必须穿越F34断层破碎带，为此，采用CD-2型地质岩芯钻机（仅用于取芯的锚索孔）及YG-80钻机进行锚索孔钻孔。

施工过程中通过优选施工钻具等手段保证孔径、孔斜和孔深等参数指标，从而确保了锚索孔的钻孔质量。由于钻孔深度较深，施工时最少需要二次变径才能满足终孔Ф190的孔径要求，故钻孔过程中研究选用不同型号的钻具，即开孔孔径最小需要Ф238，变径分别为Ф219mm和φ190mm，变径平均深度约为25m和50m。钻孔采用Φ190mm潜孔冲击器，钻头后部加长度2m的导向管（直径190mm）的钻具钻进，每6m设一个1.5m长管状扶正器，减少环间间隙，从而减小因钻具自重产生重力漂移而导致孔斜的情况。钻进过程中尽量采用较小的钻压，减少高压时使钻具弯曲从而导致孔斜发生的情况；每5m～10m进行一次孔斜测量，采用DUZ-D多点照相高精度测斜仪进行孔斜检测。在钻孔过程中，采取钢管、扣件紧固钻机底盘，与施工脚手架和岩体牢固连接；施工平台除按照原设计进行搭设外，还增加2根水平方向Φ20锚杆（L=3.0m），增加脚手架向外的抗倾倒能力，同时使钻机在正常运转过程中始终处于平稳状态。

3 锚索安装

1)穿索。

锚索束体编制完成应经相关人员共同验收无误后方可开展穿索工作，同时核对钢绞线的规格、数量及长度，各部件的绑扎位置、牢固状况，各种管路畅通完好情况等内容。锚索入孔时速度应均匀，不得过多地来回抽动锚索体，防止损坏锚索体或使其扭曲变形。

2)锚固段灌浆。

锚固段的灌浆应严格按照设计要求执行，采用有压循环灌浆法；在排气管上安装压力表，开始灌浆时打开排气管以便排出孔内空气、水和稀浆，待回浆变浓时逐渐关小排气阀控制灌浆压力；当吸浆量小于0.4L/min时，灌注30min再屏浆30min即可结束灌浆作业。

3)锚索张拉。

锚索张拉程序为：张拉准备→工作锚具安装→预紧→工具锚安装→分级张拉→锁定→验收。锚索张拉的控制要点：

①在张拉作业前，应对张拉设备（千斤顶、油管及压力表等）进行“油压值～张拉力”率定，确保张拉力的准确性。

②为便于卸下工作锚，工具夹片可涂上少量的润滑剂；工具锚上的孔号排列应与前端工作锚的孔号一致，严禁在千斤顶穿心孔中发生钢绞线的“交叉”现象。

③锚索张拉时，先用小千斤顶对单根钢绞线进行预紧，预紧时单根张拉力30kN，再将所有锚索一起分级张拉至3450kN然后回放至3000kN时进行锁定。张拉按拉力分级进行，并进行及时准确的记录。

④张拉过程中，升荷速率每分钟不宜超过设计应力的10%，当达到每一级控制力后稳压10min即可进行下一级张拉，超张拉回放至3000kN后，稳压20min进行锁定。锁定48h后，若锚索应力下降到2800kN以下时用大千斤顶进行补偿张拉至3000kN。

⑤张拉时应记录每一级荷载伸长值和稳压时的变形值，且与理论伸长值和规定的变形量进行比较，若实测伸长值大于计算伸长值10%或小于计算伸长值5%时，应查明原因并做相应的处理。

结语

1 对5#夹层地质参数重新鉴定，是加固处理方案优化的首要基础条件。通过对起控制作用的5#夹泥层抗剪参数资料的研究分析，对原方案进行调整，取消了抗剪平硐开挖，并消除了抗剪平硐开挖爆破对高拱坝的不利影响，同时取消了爆破期间需降低水库水位运行的要求，既减小了工程投资，又确保了电站运行的经济指标。

2 加固处理方式最终优化为边坡3000kN级预应力全锚索支护方式，实施后右坝肩边坡的稳定复核满足现行规范要求。

3 通过对锚索孔钻孔设备的钻具优选，以及对边坡施工排架的调整，使钻孔孔斜率得到了有效的控制，基本解决了在高排架上成孔难的质量问题，既增加了施工安全性，又节省了约100吨的脚手架管材。

4 为了检验预应力锚索安装后的衰减情况，安装锚索测力计共12台。根据施工期的监测成果，表明张拉后的锚索衰减值较小，满足规范要求。作者认为，没有把所属12台锚索测力计纳入运行期的永久性监测，因而无法捕捉到后期锚索的运行状态，是本工程的缺憾；建议后期结合现有的监测项目，密切关注右坝肩边坡的运行性态，为东风水电站大坝的安全运行保驾护航。

5 根据右坝肩边坡埋设的监测仪器（钻孔测斜孔、多点位移计等）数据，显示所属测值稳定，未见明显突变，表明目前东风水电站右坝肩边坡是稳定的，进一步说明右坝肩边坡实施全锚索的支护方式是可行的，值得同类工程借鉴。

[1]贵州乌江东风水电站右坝肩加固处理工程竣工验收设计自检报告[R].中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，2010.

[2]贵州乌江东风水电站右坝肩加固处理工程施工报告[R].中国水电基础局有限公司东风项目经理部，2009.

[3]深孔预应力锚索在东风水电站右坝肩边坡加固中的应用[J].贵州水力发电，2010.