环境敏感区边坡无爆破切割开挖及支护稳定性评价

何少云，赵修龙，谭支超，张 帅

(1.国网新源浙江缙云抽水蓄能有限公司，浙江 丽水 323000；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

随着我国经济以及科学技术的迅猛发展，作为储能手段之一的抽水蓄能电站修建技术也愈发成熟，该方面的技术具有电力系统最可靠、寿命周期最长、容量最大以及经济效益高的优点[1]。抽水蓄能电站的修建开挖改变了该地原有的地应力以及边坡荷载状况，极易引发滑坡、崩塌等地质灾害。在区域相应的工程地质条件下采取合理的开挖支护方式对于整个工程的安全稳定、经济效益以及周边的生态环境都具有重要的意义。

边坡的开挖支护问题在抽水蓄能电站的修建中是最为常见的，很多学者对施工过程中出现的边坡稳定性问题进行了详细的研究和分析。胡英国等[2]对不同开挖方式下岩石边坡的损伤演化过程进行了比较，发现开挖方式对保留岩体的损伤范围有重要的影响。李习[3]研究了绳锯切割工艺对施工区域环境较为复杂路基的适用性，发现路基边坡开挖成型效果较好，不仅避免了开挖过程中边坡挂渣的现象，还较好的保护了施工区域的自然环境。冯学敏等[4]结合小湾工程卸荷松弛分析的成功实践经验，明确了岩石边坡开挖后实际拉应变的计算方法，为工程建设提供了有益的指导。黎桂林[5]依托某水利工程的高边坡处理，在边坡开挖和支护方面进行了详细的介绍，并且对施工的关键环节和安全监测也进行了分析。杨建华等[6]研究了爆破开挖扰动下锚固节理岩质边坡的位移突变特征及其能量机理，发现爆炸荷载导致节理岩质边坡的位移突变主要包括节理张开位移和岩体回弹位移两部分。程贵海[7]、高利军等[8]研究了光面爆破在边坡开挖方面的应用，而张士磊[9]以及夏钢源[10]等研究了预裂爆破在边坡开挖方面的应用。

1 工程概述

缙云抽水蓄能电站位于浙江省丽水市缙云县境内，地处浙江中南部，靠近温州、台州、丽水负荷中心，电站为日调节纯抽水蓄能电站，装机容量1800MW。厂房内安装6台单机容量300MW可逆式水泵水轮机-发电电动机组，多年平均发电量18亿kW·h。枢纽主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及地面开关站等建筑物组成。

电站地面开关站位于下水库库尾佛堂坑左侧沟边的岸坡上，场地尺寸为120 m×40 m，场地较为紧凑，布置有GIS楼、继保楼、屋顶出线架、柴油发电机房及门卫房等，由于电站装机容量为1800 MW，根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》(DL 5180—2003)规定，工程等别为Ⅰ等，工程规模为大(1)型，地面开关站作为电站的主要建筑物，其级别为1级，根据《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T 5353—2006)规定，影响1级水工建筑物安全的边坡为1级边坡，因而地面开关站边坡级别为1级。

2 钻爆法与无爆破切割开挖支护设计对比分析

2.1 钻爆法开挖支护设计

缙云抽水蓄能电站地面开关站边坡最大开挖高度约40 m，边坡以岩质边坡为主，构造不发育，断层、节理与边坡交角大，倾角陡，对边坡稳定影响小，开挖边坡总体稳定，局部存在节理间不利组合，稳定性较差。采用钻爆法进行开挖支护设计时，其边坡分3级开挖，每20 m高设一级马道，马道宽3 m，开挖坡比分别为1∶0.3(第1级)、1∶0.5(第2、3级)，开挖边坡采用传统的系统喷锚处理，并布置系统排水孔，随机布置预应力锚杆、锚筋束以加强支护，挂网喷C30混凝土厚10 cm，系统锚杆采用普通砂浆锚杆C25，L=6 m@2×2 m，矩形布置，系统排水孔采用Φ50，L=5 m@4×4 m，开关站边坡顶部设置截水沟、挡渣墙及被动防护网，以拦截坡面来水，并防止开口线外松动石块滑入开关站场地。

2.2 无爆破切割开挖支护设计

为适应无爆破切割设备的施工工艺，在维持边坡原综合坡比、马道高程及宽度、坡脚位置不变的前提下，需将斜坡坡面改为台阶状，为适应坡面成型后为台阶状的特点，并保留边坡岩体本身的石材美感，将钻爆法采用的挂网喷混凝土+普通砂浆锚杆支护调整为普通砂浆锚杆支护+挂主动防护网APS-025，普通砂浆锚杆及排水孔参数与钻爆法方案一致。同时，台阶台口处为应力集中部位，易发生局部掉块，需沿台阶顶面外缘设一排插筋，并采用C30细石混凝土找平，坡向坡内10%，插筋参数C16@1 m，长度为0.3 m，入岩0.2 m，见图1。

图1 无爆破切割开挖台阶台口处修补

综上所述，无爆破切割与钻爆法相比，在开挖方面，边坡综合坡比、马道高程及宽度、坡脚位置可不做调整，仅需将斜坡坡面改为台阶状；在支护方面，将钻爆法采用的挂网喷混凝土+普通砂浆锚杆支护调整为普通砂浆锚杆支护+挂主动防护网，普通砂浆锚杆及排水孔参数与钻爆法方案一致，在台阶台口处需做加强处理。

3 钻爆法与无爆破切割开挖计算对比分析

对边坡采用钻爆法与无爆破切割开挖进行三维建模数值计算分析，数值计算模型范围：300 m×210 m×220 m。计算模型底部按固定约束，模型侧面四边按法向约束，模型顶部自由约束。根据地质勘探成果，结合工程区不同岩性的岩体结构特征、岩石强度、岩体风化程度、卸荷特性、完整性指标和结构面性状等因素，对岩体进行了工程地质分类，并给出了各类岩体参数初始建议取值，如表1所示。

表1 岩体物理力学参数取值

3.1 钻爆法与无爆破切割开挖边坡变形响应特征对比分析

钻爆法开挖边坡变形响应特征结果见图2，由图可知，岩体以卸荷回弹变形为主，累计变形一般小于8 mm，开口线及马道附近岩体无明显卸荷松弛现象，显示了边坡良好的整体和局部稳定特征。无爆破切割开挖边坡变形响应特征结果见图3，由图可知，无爆破切割开挖与钻爆法开挖相比，边坡整体变形规律具有一致性，岩体以卸荷回弹变形为主，且由于切割开挖对岩体扰动更小，岩体累积变形量值也略低，一般不超过6 mm，但对于切割开挖的台阶部位，由于多面临空，当发育断层或长大节理时，容易组合形成楔形体，与爆破开挖相比，更容易发生卸荷掉块现象。整体上两种开挖方式边坡均以卸荷回弹变形为主，与钻爆法开挖相比，切割开挖引起的卸荷变形量值略小，但在台阶部位，由于多面临空，当发育断层或长大节理时，更容易组合形成楔形体，在开挖扰动作用下楔形体容易发生滑移破坏，需对台阶台口部位进行加强处理。

图2 爆破开挖方案边坡变形响应特征结果

图3 无爆破切割开挖方案边坡变形响应特征结果

3.2 钻爆法与无爆破切割开挖边坡稳定性对比分析

采用强度折减法对边坡稳定性进行分析评价，计算结果显示，钻爆法开挖方案下，当强度折减系数为1.9时，累积变形增量基本小于10 mm，处于稳定状态，当强度折减系数达到2.1时，边坡变形增量显著增长，且无法收敛，表明此时边坡已发生了失稳破坏，因此，综合判断此时边坡安全系数大于1.9。无爆破切割开挖方案下，当强度折减系数由1.7提高到1.9时，边坡变形增量由10 mm突增到100 mm 量值，此时边坡已处于不稳定状态，因此，综合判断无爆破切割开挖方案边坡安全系数大于1.7，由上可知，无爆破切割开挖边坡整体稳定安全系数略小于钻爆法，但是相差小，且均能满足规范要求。

3.3 无爆破切割开挖边坡变形监测数据分析

开关站边坡共布置5处表面变形观测点，对开关站边坡无爆破切割开挖过程中边坡变形进行了全程监测，监测成果见表2及图4，从监测结果可知，开关站边坡表面变形数值均较小，且趋于收敛，最大变形量小于6 mm，与3.1节数值计算成果得出的无爆破切割开挖引起的卸荷变形量小于6 mm 的结论基本一致。

表2 开关站边坡表面变形监测点位移值

图4 开关站边坡表面变形监测点位移过程线

4 结 语

(1)当地面开关站区域内存在诸多环境制约因素，传统的钻爆法开挖边坡会对周边环境产生较大影响，为最大限度降低环境敏感因素带来的不利影响，采用无爆破切割技术对地面开关站边坡进行开挖，切割开挖形成的边坡能够展现岩体本身的石材美感，切割出来的石材可二次利用。

(2)无爆破切割开挖支护与钻爆法相比，边坡综合坡比、马道高程及宽度、坡脚位置可不做调整，仅需将斜坡坡面改为台阶状，为保留边坡岩体本身的石材美感，可将挂网喷混凝土调整为挂主动防护网，普通砂浆锚杆及排水孔布置及参数与钻爆法一致，在台阶台口处需做加强处理。

(3)无爆破切割边坡变形响应特征与钻爆法相比，边坡岩体均以卸荷回弹变形为主，钻爆法开挖引起的边坡卸荷变形量小于8 mm，无爆破切割开挖引起的卸荷变形量小于6 mm，略小于钻爆法，相差不大。

(4)无爆破切割边坡稳定性与钻爆法相比，钻爆法边坡整体安全系数大于1.9，无爆破切割边坡整体安全系数大于1.7，无爆破切割边坡整体稳定性略低于钻爆法，相差不大，均能满足规范要求。

(5)对无爆破切割开挖边坡变形进行监测分析，从实测数据可知，开关站边坡表面变形数值均较小，且趋于收敛，最大变形量小于6 mm，与数值模拟计算结果基本一致。