超高土石坝块石料场边坡支护勘察设计

杨 国 华，冯 文 新，胡 金 山

(1.河南地矿职业学院，河南 郑州 450000；2.中国电建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

超高土石坝一般坝高大于200 m[1]，坝体庞大，其对块石料需求量大。同时由于大坝填筑进度较快，对支护进度要求高，很容易因支护不及时影响料场出料进度，从而影响大坝填筑。本文以深厚覆盖层上最高坝长河坝水电站为例，详细阐述了该电站块石料场勘察支护设计。

长河坝水电站为大渡河干流水电规划“三库22级”的第10级电站，电站总装机2 600 MW，总库容10.75亿m3。该电站为2017年12月全部建成。其大坝为砾石土心墙堆石坝，最大坝高240 m，坝基还下伏50～70 m覆盖层，为深厚覆盖层上世界上最高坝。

长河坝块石料场包括两个块石料场，大坝上下游各一个，分别为响水沟块石料场和江嘴块石料场。由于坝体填筑方量超大，达3 417万m3，两料场边坡均超过300 m，料场边坡稳定问题较一般工程突出[2]。同时该电站连续21个月最高月填筑强度超过100万m3/月[3]，填筑强度很高，对边坡支护进度要求也高。

在前期料场勘察时查明了料源质量及储量。在招标及技术实施阶段，重点进行了料场边坡勘察，查明了料场边坡地质条件(包括强卸荷松动岩体及主要断层分布情况)，分析了主要变形破坏模式和稳定性，提出了料场开挖及支护的建议。开采坡比根据地质条件而确定，随着开挖揭示而进行动态调整。同时，根据不利结构面组合形成的块体稳定性问题进行动态调整开挖及支护设计，在条件许可时将断层带挖除等。提出随着大坝填筑高程的上升，料源富余系数越来越高，在料场中下部可将开挖坡比放缓，既保证边坡稳定，又保证大坝填筑顺利进行，大大节约了支护工程量[2]。

2 块石料场

2.1 响水沟块石料场

该料场位于坝区上游右岸响水沟沟口，距坝址3.5 km，地形形态为一山包，三面临空，地形坡度一般40°～50°。料场后缘为一宽约60～90 m的垭口(见图1)，前缘为高度100～200 m基岩陡壁，坡度70°～80°。

图1 响水沟料场开采前全貌图

料场绝大部分基岩裸露，出露一套晋宁期—澄江期的侵入岩，以花岗岩(γ2(4))为主，岩质致密坚硬。料场无区域性断裂通过，地质构造以次级小断层、挤压破碎带、节理裂隙(或裂隙密集带)、岩脉(辉绿岩脉、石英岩脉)为特征。岩体中主要发育的构造裂隙有4组，一组顺坡中倾坡外，一组顺坡中倾坡内，一组与坡面斜交，另一组与坡面正交。岩体中发育一规模较大的断层，F1：N35°W/SW∠65°～70°，顺坡陡倾坡内，延伸长大，带宽25～40 cm，主要由碎粉岩、碎粒岩组成，该断层穿过料场后缘，形成垭口。

料场三面临空，岸坡陡竣，基岩裸露，地表植被发育较差，岩体卸荷强烈，强卸荷水平深度多达46 m以上，料场后缘边坡强卸荷表部可见松动岩带(见图2)。响水沟典型剖面见图3。

图2 响水沟料场后缘松动岩体图

图3 响水沟料场典型断面图

2.2 江嘴块石料场

该料场位于坝区下游左岸磨子沟沟口左侧，距坝址6 km。地形形态总体上为山包，地形上二面临空，下游发育一浅冲沟，地形坡度一般40°～60°，料场后缘坡度30～35°，而后为基岩陡壁(见图4)。料场大部分基岩裸露，浅表有约0.5 m～1.5 m的根植土层。出露岩体为一套晋宁期—澄江期的侵入岩，以石英闪长岩(δ02(3))为主，岩质致密坚硬。岩体中主要发育的构造裂隙有4组，两组顺坡中陡倾、陡倾坡外，一组与边坡斜交，一组与坡面大角度相交倾下游。岩体中发育三条规模较大的断层，其中对边坡稳定性影响较大的为F3断面，顺坡陡倾，N35°E/NW∠65°～70°，带宽40～60 cm，由碎粉岩及少量碎粒岩组成(见图5)。

料场多临空，岸坡陡竣，岩体表部卸荷强烈，强卸荷水平深度多达35 m以上，岩体浅表部有5～10 m厚的松动岩带，下游冲沟沟壁全为松动岩带。

图4 江嘴料场全貌及下游冲沟图

3 边坡支护勘察设计及动态调整

3.1 两料场天然条件下边坡均基本稳定

响水沟料场表部岩体变形均较弱，控制性结构面为第①组顺坡中陡倾裂隙，但由于其延伸长度有限，未见长大的顺坡断层等其他结构面，料场自然边坡总体基本稳定。江嘴料场由于长大顺坡断层及顺坡裂隙倾角大于坡角，顺坡裂隙其延伸长度有限，边坡天然状态下未见大的变形破坏，整体基本稳定。

图5 江嘴料场F3断层图

3.2 工程边坡开挖及支护均采用动态设计

3.2.1 开采坡比随开挖揭示而动态调整

前已述及，由于超高土石坝块石需求量大，且开挖进度快，边坡支护不容易及时，因此在储量满足规范要求的情况下尽量放缓开采坡比，减少支护工程量。强卸荷带及断层带内开采坡比均缓于1∶0.75，弱卸荷岩体1∶0.5，微风化及新鲜岩体1∶0.3。两侧岩体风化卸荷较强烈，相应的坡比也缓于中间岩体。

岩体开采坡比也随结构面发育情况而动态调整。如响水沟料场中下部发育一顺坡小断层，按原设计坡比将要切穿它，施工时确保储量充足情况下将坡比放缓(见图6)，使它不在边坡出露，确保了边坡稳定。

图6 响水沟料场中下部顺坡小断层图

3.2.2 料场开采坡比随大坝填筑进度而动态调整

众所周知，为确保料源充足，现行《水电水利工程天然建筑材料勘察规程》(DL/T5388-2007)对料源储量进行了有关规定，如它规定各种天然建筑材料详查储量应达到设计需要量的1.5～2.0 倍，并应满足施工可开采储量的要求[4]。即规程规定了一定富余量。随着大坝填筑进行，料源富余量也一直在动态变化。料场剩余地质储量与大坝剩余设计需求量之比值(K)可以下面公式表示，即K=(A-X+B)/(A-X)，式中A为大坝总设计需求量，B为富余量，X为大坝填筑量。据该公式可知，随着大坝填筑量(X)上升，料场剩余地质储量与大坝剩余设计需求量之比值越来越大，即料场富余系数越来越大，可将料场中下部开挖坡比放缓，减少支护工程量，甚至可以不支护。

响水沟料场中下部即1 580～1 670 m高程开挖坡比由原来1∶0.3～1∶0.5调整为1∶0.75～1.20，取消此高程内所有边坡支护，原设计为普通砂浆锚杆Ф28，L=6 m和Ф32、L=9 m、间排距2×2 m，交替布置、矩形布置；挂网(φ6.5@15×15 cm)、喷护(C25混凝土、厚度12 cm)支护，随机锚索支护，吨位T=1 000/2 000 kN，L=40/50 m。共节约锚杆2 500根，喷混凝土2 100 m3，锚索30束。

江嘴料场中下部即高程1670 ～1715m开挖坡比由原来1∶0.3～1∶0.5调 整 为1∶0.75～

1.0，取消此高程内所有边坡支护，原设计为垂直于坡面梅花形 交 替 布 置C28，L=6 m及C25，

L=4.5 m普通砂浆锚杆、间排距均为2.0 m；挂网钢筋采用Ф6.5@15 cm×15 cm；喷C25混凝土，厚度12 cm，随机锚索支护，吨位T=1 000/2 000 kN，L=40/50 m；共节约锚杆1 560根，喷混凝土1 400 m3，锚索20束。

长河坝水电站两个块石料场中下部均放缓了开挖坡比，既确保了边坡稳定，保障了大坝填筑顺利进行，又大大节省了支护工程量及支护时间。此经验值得正在施工的超高土石坝借鉴。

3.2.3 清除及绕避强卸荷带内松动岩带

强卸荷松动岩带岩体破碎[5]，工程性状极差，易产生滑塌等工程地质问题，危及料场开采安全及施工进度。一般情况下，料场边坡不可能像工程边坡那样采取非常强的支护措施，只能因地制宜，具体情况具体分析。

如响水沟料场后缘松动岩带，因后缘较高，挖除较困难，采取锚索+框格梁措施代价太大且施工工期长，本电站基于该料场后缘为一垭口特点，在确保料源储量满足规范要求下，在边坡顶部设置一宽40 m的平台，前缘设置挡护结构，不再对松动岩带进行直接处理(见图7)。实施过程中，松动岩带岩体虽不断垮塌，但均顺垭口进入冲沟内，未进入料场开采取区内，确保了施工安全，处理效果良好。

图7 响水沟料场开口线上松动岩带及开采平台

江嘴料场下游冲沟沟壁松动岩体采取了避让方法。在确保料源储量情况下，调整开采布置，将下游侧开采方向往上游调整，形成折线型开挖(见图8)，从而将该冲沟避开。施工过程中该冲沟虽不断垮塌，但均顺冲沟而下，进入不了开采区域，不影响施工安全。顶部地形较缓，对强卸荷松动岩带，开挖坡比缓于1∶1以下时再进行挖除处理。

图8 江嘴料场开采后全貌图

4 结 语

事实证明，随着大坝填筑量上升，料场富余系数就越大，因此，可将料场中下部开挖坡比放缓，减少支护工程量，甚至可以不支护。针对工程地质性状极差的强卸荷带内松动岩带，需因地制宜采取清除及绕避办法。

以上成果实施以后，确保了施工安全，很大程度上节约了工程量，同时又保障了大坝顺利填筑，使大坝填筑提前6个月，取得了良好的经济效益及社会效益，可为今后类似工程提供经验借鉴。

鉴于长河坝工程的成功经验，今后可多总结类似工程经验，以期修改现有规程规范中对料场储量的规定，可适当降低料场富余度。同时，针对有些电站块石料场开采完全不考虑地质条件盲目采用固定坡比这一普遍现象，建议料场开采应与现场地质条件相适应，并尽可能采用稳定坡比或较缓开挖坡比，并动态调整，以减少支护工程量。