卡基娃水电站厂房覆盖层边坡开挖支护处理设计

熊先涛,向雪梅

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概况及基本地质条件

卡基娃水电站位于四川省凉山州木里县境内，系木里河干流(上通坝～阿布地河段)水电规划“一库六级”的第二个梯级，是该河段梯级开发的“控制性水库”工程，上、下游分别与上通坝和沙湾水电站衔接。面板堆石坝最大坝高171m，水库总库容3.745亿m3，具有年调节能力。电站采用混合开发方式，装机容量4×110MW(不含生态小电站)，年发电量15.61亿kW·h。

卡基娃水电站为岸边式地面厂房，厂址位于木里河右岸坡地上。厂区覆盖层分布广泛，主要为残坡积物和冰水堆积物，局部出露的基岩为千枚化板岩和砂质板岩夹变质石英砂岩，岩层产状为N10°～30°W/NE∠35°～50°，斜坡为横向坡。厂房永久边坡最大高度120m，为覆盖层和基岩的复合边坡，其中覆盖层边坡高约60m。

前期勘探及现场开挖揭示沿基覆界限发育一遇水性状变差、力学参数偏低的软弱带，该软弱带厚10～30cm，为灰黄色含砾粘质土，粘粒含量高，上部干燥，下部潮湿，物理力学参数较低。

边坡地下水主要为覆盖层孔隙水和基岩裂隙水两种类型。覆盖层孔隙水主要分布于Ⅰ级阶地冲积的漂卵砾石层和Ⅱ级阶地冰水堆积的漂卵(碎)砾石层中，Ⅰ级阶地地下水位埋深8.2m左右，与河水位一致，Ⅱ级阶地地下水位埋深24.35～39.53m，高出河水位约11～14m。根据现场调查，开挖边坡中

部有一小型冲沟，局部见地下水外渗。该地下水枯期可见，且流量稳定，说明远端有稳定水源补给。开挖后，坡面多处出现渗水点，渗水基本呈股状流出。

该边坡稳定受软弱夹层和地下水的共同影响，稳定性较差。

2 控制标准及计算工况

本工程等别为二等，工程规模为大(2)型。引水及发电等永久性建筑为2级建筑物。根据(DL/T5353-2006)《水电水利工程边坡设计规范》，本工程边坡为2级，相应的安全系数见表1。

表1 厂房后边坡安全控制标准

计算工况：

拟复核四种工况条件下边坡的稳定安全系数：

(1)正常工况：此工况为持久工况，为各种作用的基本组合；

(2)降雨工况：考虑工程区降雨量及入渗条件，孔压系数取0.1；

(3)施工期：考虑边坡逐级开挖和支护的不同组合；

(4)地震工况：50年超越概率10%的地震动峰值加速度149cm/sec2。

计算方法：简化Bishop法。

3 土体物理力学参数取值及滑动模式分析

根据实际开挖揭示情况，结合试验数据和工程经验，地质专业提供的覆盖层参数建议见表2：

为了搜索最不利滑面，计算选取了滑弧沿软弱滑带(滑动模式1)和沿覆盖层内的圆弧滑动两种模式(滑动模式2)。

考虑到开挖前自然边坡是稳定的，用地质建议参数对自然边坡稳定性进行复核，选取覆盖层较深

的控制典型剖面1-1(位于中部冲沟部位)和3-3(位于上游侧)进行分析。(最不利滑弧见图1～4)。

表2 厂房后边坡土体物理力学指标建议值

各工况下自然边坡在不同滑动模式下的计算成果见表3。

表3 自然边坡稳定安全系数

图1 3-3剖面通过软弱带的临界滑弧 图2 3-3剖面覆盖层内的临界滑弧

图3 1-1剖面通过软弱带的临界滑弧 图4 1-1剖面覆盖层内的临界滑弧

从以上计算结果可以看出：

(1)正常工况下，边坡安全系数较高，处于稳定状态；降雨和地震工况下边坡极限稳定状态与现场基本相符，说明地质建议参数基本合适。

(2)各工况下滑动模式1的安全系数均低于滑动模式2，且滑弧穿过软弱带，说明软弱滑带对边坡稳定影响大，边坡沿基覆界限的软弱滑带滑动的可能性较大。

(3)降雨工况下滑动模式1的最小安全系数分别为0.977和1.002，低于其余工况，说明边坡稳定受降雨影响显著，且处于临界状态，按此参数进行加固设计基本合理，且是偏于安全的。

综上，地质建议的参数基本合适，控制滑动模式为沿基覆分界处的软弱滑带滑动，最终设计采用的计算参数见表4：

表4 厂房后边坡覆盖层土体力学参数计算采用值

4 开挖方案设计

方案1：覆盖层边坡按1∶1开挖，基岩边坡：1∶1～1∶0.75(Ⅳ类)和1∶0.5 (Ⅲ类)。每20m设一级马道，马道宽度2m。开挖后永久边坡最大高度120m，覆盖层边坡最大高度60m。

方案2：覆盖层边坡按地质建议1∶1.25开挖，其余同方案1。开挖后永久边坡最大高度130m，覆盖层边坡最大高度70m。

分别对上述两方案进行综合比较：

(1)方案1开挖量及边坡高度较方案2小，开挖边坡高度可减小10m，但方案1所需的支护量较大，同样的支护措施下，3-3剖面的安全系数见表5。

表5 3-3剖面相同支护条件下的安全系数比较

由上表可见，方案1安全系数远低于方案2，若采用方案1，虽开挖量可减少，但支护工程量将显著增加。

(2)地质建议稳定坡比为1∶1.25，考虑到本工程边坡地下水丰富，如按1∶1开挖，施工期边坡稳定难以保证。

故方案2较优，即覆盖层边坡按1∶1.25坡比开挖。

5 加固设计

本工程加固的主要目的是提高边坡稳定性，保证边坡在施工期和运行期整体稳定，考虑到坡体上

无重要永久建筑物，加固后允许边坡存在一定的蠕变。加固设计原则是方案安全可靠，技术经济合理，施工难度较小。

边坡的基本地质条件和稳定分析表明，降雨工况下边坡安全系数低，水的作用是影响边坡稳定的主要因素。本工程边坡地下水的主要来源为覆盖层孔隙水、基岩裂隙水和天然降雨入渗等，因此，边坡加固首要考虑截、防、排水工程措施，以尽量减少坡外来水入渗及天然降雨入渗等，分为地表排水和深层排水。

地表排水：沿开口线设排水沟一道；坡面设PVC排水花管(缠反滤土工布)，间排距2m；在马道(2 656m)设排水沟排除开挖坡面内渗水。

深层排水：对于局部渗水严重部位采用水平深排水孔加强，深排水孔采用φ110PVC管和盲管结合，外包反滤土工布，排水孔伸入基岩长度不低于2m。深层排水布置边坡中部凹槽渗水严重部位。

本工程覆盖层土体较为松散，厚度达到20～30m，从计算分析及工程区部分道路边坡失稳实例看，(部分覆盖层边坡在受轻微扰动后引起变形，进而造成边坡整体失稳)坡体自稳能力差。大量工程实例表明，抗滑桩支挡是治理中浅层覆盖层滑坡的有效手段，且作用机理明确，效果明显。若采用抗滑桩支护，桩长度将达到30～40m，且造孔过程中的施工用水及振动对边坡影响较大，存在极大的施工难度和安全风险。相比较而言，框格梁+锚索施工具有方便、快捷和周期短的特点，在边坡治理中应用广泛。因此综合比较后拟采用框格梁+锚索+喷混凝土支护方案，锚索采用P=1 200kN，L=40～50m，间排距4m×5m。

此方案下各控制剖面安全系数见表6。

表6 加固后各控制剖面的安全系数

根据上表的计算结果，加固后1-1剖面和3-3剖面各工况下的安全系数均满足规范要求。

6 施工期稳定复核

选取1-1剖面对施工期稳定性进行复核。为有效的指导现场施工，对边坡在开挖过程中的各种支护顺序进行了模拟复核，计算结果见表7。

表7 开挖过程中各级边坡在不同支护情况下的安全系数

由上表可见，开挖边坡的整体稳定性与边坡的支护顺序情况密切相关，三级边坡全部开挖无支护时，安全系数为0.92，边坡不稳定；当边坡滞后两级支护时，边坡安全系数0.99，处于极限稳定状态；采用逐级开挖并支护的方案后，边坡稳定性显著提高。因此施工期及时支护是非常重要的，应严格控制边坡的开挖高度和支护跟进力度。

7 现场局部问题处理

7.1 边坡局部变形及裂缝处理

现场实际施工基本按照逐级开挖并支护的方案进行，施工期间边坡整体基本稳定，仅在进行2 676m高程以下中部边坡开挖时，承包商为了抢工期，在2 676m高程以上尚余部分锚索未施工的情况下即进行下挖，导致中部边坡开口线及2 676m马道上出现裂缝，边坡局部失稳。上述情况发生后，现场立即停止开挖，并加速施工未完成锚索，并将裂缝及时封闭。在剩余锚索施工完成以后继续下挖的过程中，边坡裂缝未进一步扩展，边坡稳定得到保证。

7.2 边坡局部排水及破坏处理

在开挖边坡中部凹槽部位时地下水异常丰富，现场见多处地下水渗漏点，多呈股状流出，开挖成形后的边坡受渗流破坏严重，局部出现垮塌。锚板施工后局部基础脱空，锚索受力条件恶化。针对以上情况采取的主要措施如下：

(1)加快排水孔施工、加密深排水孔。深排水孔尽量布置在低高程处，以便尽早引出地下水，降低地下水水位；排水孔孔口采用软管将渗水引排至坡外，严禁水流经坡面漫流。

(2)加强坡面防护，局部坡面增设反滤料，以降低渗流破坏。

(3)锚板脱空处铺设一层反滤料后采用混凝土填实，以使锚板受力均匀、可靠。

从现场实施效果看，边坡排水效果明显，支护后多数水平深排水孔均见清水流出，内观监测表明，处理后的锚索受力稳定。

8 结 语

(1)厂区覆盖层边坡土体为崩坡积含孤块碎砾石土，结构松散，稳定性差；边坡基覆分界处的软弱夹层，物理力学参数低，对边坡稳定性影响大。采用地质建议参数并经反演分析后，可作为设计计算依据，能满足边坡稳定的要求。

(2)边坡土体内的圆弧滑动安全系数较大，对边坡的稳定性不起控制作用；而沿基覆分界处的软弱夹层的滑弧安全系数较低，为边坡的主要滑动模式，从计算和现场反馈来看，边坡主滑模式为沿基覆分界处的软弱带滑动。

(3)开挖边坡未支护时安全系数较低，应进行加固处理。采用锚索+框格梁加固后，各工况下的安全系数均满足规范要求；从后期监测成果分析，边坡加固效果明显。

(4)采取合理的开挖和支护顺序对边坡稳定起重要作用。从计算和现场实际施工反馈情况来看，采用逐级开挖并支护的方案可有效保证边坡施工期的稳定，反之易造成施工期边坡变形，增加处理难度及投资。

(5)加强边坡排水对边坡稳定有着重要作用。应根据现场实际情况确定合理的排水措施，针对集中渗水部位采取的深排水孔方案效果明显，对边坡稳定发挥了重要作用。

边坡开挖支护完成后已经历两个汛期的检验。从布置的外部变形观测墩和锚索测力计来看，锚索受力变化均逐渐减小，外部变形观测墩总变形量和日变形量均较小，变形基本收敛，边坡处于稳定状态，说明支护效果明显。