水库施工高边坡安全防护结构的探究

惠 康 梁 峰

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概 述

阿尔塔什水利枢纽位于新疆喀什地区莎车县境内的叶尔羌河上，为大(1)型Ⅰ等工程，该工程是以生态、灌溉、防洪、发电为开发目标的控制性水利枢纽工程。水库总库容22.45亿m3，正常蓄水位1820m，死水位1770m，最大坝高164.8m，电站装机容量755MW。

1号深孔泄洪冲沙隧洞出口及生态厂房均布置在坝后右岸，后边坡高度30m处布置有一条永久交通道路3-1号道路。该道路位于坝址下游右岸，起点位于右岸交通道路，经2号深孔出口、生态厂房后边坡连接大坝坝后之字道路第一级转弯平台，施工期承担坝体填筑物料运输的交通任务，运行期承担永久上坝交通及生态厂房进场交通功能。按主要运输车辆为汽车-60级自卸汽车估算，高峰期行车密度大于25辆/h，道路设计采用《水利水电工程施工组织设计规范》(SL 303—2017)场内二级道路标准，路基断面组成为：1.0m路肩+2×4.5m路面+1.0m路肩，横断面采用直线型路拱，路拱横坡度2.0%，路肩横坡3.0%；路面结构均采用厚度30cm水泥混凝土路面+20cm级配砾石基层。

1号深孔泄洪冲沙隧洞出口及生态厂房开挖与3-1号道路开挖采用结合形式，沿线斜切右岸3号冲沟左侧高边坡下部，沿线基岩裸露，结构面为层面及卸荷裂隙，但由于边坡开挖以来的长期卸荷作用，坡表岩体局部稳定性较差，在重力及外水的作用下易产生局部滑塌。开挖边坡以上自然边坡高约200～300m，坡度45°～60°，大部分基岩裸露，为沟梁相间地形，坡面及冲沟内广泛分布松石、危石，粒径小于1.5m。

整体边坡开挖完成后，边坡整体稳定，上部局部产生卸荷变形，易产生小量塌滑；加之开挖边坡以上自然边坡危石在自然力作用下形成的滚石，对过往车辆及人员安全构成极大危害，施工期经现场实际运行使用反应，经雨水冲蚀后，边坡易发生掉块。为探究该处高边坡的安全性，确保1号深孔泄洪冲沙隧洞出口及消力池段、生产厂房的安全性，分别拟定了边坡支护+主、被动防护网结合方案，以及3-1号道路沿线设置柔性钢架棚洞的方案，经现场实施运行对比分析[1-4]，总结出两个方案的优劣，为后续水利工程高边坡处理提供理论依据及实施参考依据。

2 高边坡防护设计方案探究

1号深孔泄洪冲沙隧洞出口及生态厂房与3-1号道路之间边坡已采用贴坡混凝土浇筑的形式进行加固处理，3-1号道路以下部分边坡整体稳定，且无掉块、落石等。道路上坡边坡斜切右岸3号冲沟左侧高边坡下部，沿线基岩裸露，为中石炭统卡拉乌衣组(C2k2)灰岩、石英砂岩、泥晶灰岩，岩层产状350°SW∠50°～70°，走向与开挖边坡交角多在40°左右，主要结构面为层面及卸荷裂隙，开挖边坡整体稳定，但由于边坡开挖以来的长期卸荷作用，坡表岩体局部稳定性较差，在重力及外水的作用下易产生局部滑塌。3-1号道路开挖边坡以上自然边坡高约200～300m，坡度45°～60°，大部分基岩裸露，为沟梁相间地形，坡面及冲沟内广泛分布松石、危石，粒径小于1.5m，分布范围为开挖边坡以上1950m高程左右。

道路中段处于边坡转弯段附近，开挖边坡高约40m，边坡坡度约70°～85°，岩层走向与坡面交角相对较小，易沿层面产生卸荷松弛，局部稳定性较差；工程施工期间已产生过3次小量塌滑，该段边坡是沿线开挖边坡稳定性相对较差地段。

开挖边坡以上自然边坡危石在自然力作用下形成的滚石，对过往车辆及人员安全构成极大危害，为此分别拟定了两种方案并在施工期加以实施。

3 边坡支护+主、被动防护网方案

为确保设计开挖范围内边坡稳定，在3-1号道路上部设计开挖范围内，全断面增设挂网喷护及锚杆结合的边坡处理措施；道路中段处于边坡转弯段附近，设计开挖范围外侧30m范围内，增设锚筋桩群的设计，用以加固开挖范围外侧，针对边坡稳定性较差段进行加固处理。

由于设计开挖范围以外，自然边坡高度较高，且广泛分布松石、危石等，为对该类型掉块进行处理，根据地形情况，分别在3-1号道路沿线横切的五条沟梁相间的地形凹点范围，架设被动防护网；利用地形的天然坡度，确保部分松动的石块在滑落过程中，首先汇入凹处的冲沟内，既而通过开挖边坡与自然边坡交界处的被动防护网拦挡，起到防护功能。

为处理沿线地形凸点的松石、危石等，对于地质条件较差段，铺设主动防护网，用以加固边坡和限制落石范围。该方案采用边坡支护+主、被动防护网的防护形式[5-6]，在工程施工期短时间起到了较好的作用，确保了高边坡以下部分建筑物施工及交通通行的安全；但随着被动防护网拦挡石块的增多，被动防护网在安装2年后均被石块砸毁，由于防护网设置高度较高，清理较困难，致使堆积的石块逐步压垮了被动防护网。

工程进入施工末期阶段，高边坡落石、掉块的问题并未完全解决。为此，提出在建筑物后边坡3-1号道路平台一定范围内设置柔性钢架棚洞的设计思路，为落石提供缓冲平台并确保通道内的通行安全。

4 柔性钢架棚洞方案

柔性钢架棚洞的设计思路是在道路上首先设置钢架棚，其次在钢架棚上增加防护网，通过钢架棚洞与柔性防护网的结合[7-8]，确保道路行车安全，柔性防护网为边坡掉块提供了缓冲带，从而有效确保了道路以下建筑物的安全。

柔性钢架棚洞平面以1号深孔泄洪冲沙隧洞出口及生态厂房后边坡平台段，以及3-1号道路中心线为基准布置，棚洞轴线与道路轴线相同，钢架基座设置于道路两侧路肩，确保道路可以安全行车。柔性钢架棚洞设计主要结构部件采用钢拱架+钢丝绳+环形网+双绞六边形格栅网+支座。

为确保结构在地震作用下的稳定性，特设计柔性钢架棚洞为轻型结构，对地震作用不敏感，确保在地震时的稳定性。为起到安全防护及安全通行的功能，实施过程中通过混凝土基础高度保证钢架底座稳定，保证棚架内部的净空，满足安全通行的条件。

钢棚架作为骨架，结构设计采用类似于隧道的设计理念[9-10]，通过焊接型钢实现功能，为提高整体性，采用连接钢筋、连接钢板等措施，将混凝土基座与钢架棚连接成为整体，组合为整体受力结构。经阿尔塔什水利枢纽工程实施验证，该项设计有效解决了由于落石、掉块问题导致的交通中断问题，起到了棚架防护网的缓冲作用，确保了1号深孔泄洪冲沙隧洞出口及生态厂房的安全，落渣位于道路周边，便于随时清理。棚架柔性防护网为可拆卸拼装结构，便于后期维修及更换，运行效果及防护效果显著(见图1)。

图1 柔性钢架棚洞三维结构设计

5 结 语

水利工程高边坡防护技术一般根据边坡岩性采用挂网喷护锚杆的处理措施，或采用主动防护网、被动防护网等，该类方式边坡处理范围有限，边坡较高时施工难度大，后期不易检修维护，投资较高。本文以阿尔塔什水利枢纽工程高边坡处理及实施情况为研究对象，提出了柔性钢架棚洞防护方案，解决了超百米高边坡难以进行边坡防护处理的问题，以及主、 被动防护网施工难度大，防护范围受限的难题；通过棚洞行车通道的防护解决了高边坡下部行车通道的安全问题。

本设计将钢架棚洞与柔性网相结合，引入了新型设计思路，可对边坡落石产生缓冲，检修维护较便利，运行成本较低。该傍山道路高边坡安全防护柔性钢架棚防护网结构，在对道路进行防护时，对掉落的碎石起到了缓冲效果，提高了安全性。本文研究成果为后续水利工程高边坡防护及高边坡下行车通道的防护，提供了理论依据及实践经验，后续设计中可参照本项目设计及实施经验进行高边坡防护设计。