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某水電站左岸山梁治理設(shè)計
摘要：文章介紹了某水電站左岸6#山梁壩頂公路以上部位的邊坡綜合治理設(shè)計，包括基本地形地質(zhì)條件分析、邊坡失穩(wěn)機制和模式研究、邊坡穩(wěn)定性評價、綜合治理設(shè)計原則和工程措施。
關(guān)鍵詞：水電站 左岸6#山梁 邊坡 綜合治理設(shè)計
1概述
XX水電站6#山梁位于壩址左岸F5斷層下游側(cè)地段。在該處山坡布置有高線(EL.1380m)、壩頂(EL.1245m)、中線(EL.1140m)和低線(EL.1000m)四層公路，河床及岸邊布置有水墊塘二道壩、下游圍堰和導(dǎo)流隧洞出口等水工建筑物，在壩頂公路和高線公路之間(靠瓦斜路溝側(cè))布置有左岸砂石加工系統(tǒng)。6#山梁的天然山坡及開挖邊坡的穩(wěn)定程度對上述工程運行期特別是施工期的安全影響重大。
2001年9月，在公路開挖爆破過程中引發(fā)一定范圍的巖體傾倒錯落塌滑，在高線公路無法明挖通過的同時，6#山梁塌滑巖體周邊仍余留部分危巖，威脅公路和導(dǎo)流洞出口施工及運行安全，并可能制約截流工期;2002年6月，云南瀾滄江水電開發(fā)有限責(zé)任公司邀請國內(nèi)知名邊坡專家到現(xiàn)場踏勘、考察和咨詢后，明確對6#山梁必須采取工程措施，確保開挖邊坡在施工期的穩(wěn)定，并提高山坡整體穩(wěn)定安全度。
2 地形地質(zhì)條件
6#山梁綜合治理的平面范圍見附圖所示。在Ⅲ級斷層F5與F23之間，大部分地段基巖裸露，僅局部山坳及沖溝中有第四系堆積物分布。山坡平均坡度約40°，局部地段分布有早期崩塌作用形成的陡壁。現(xiàn)公路開挖形成的邊坡形態(tài)多呈陡緩轉(zhuǎn)折的階梯狀。
出露地層主要為中深變質(zhì)巖系及第四系，巖層呈單斜構(gòu)造橫河分布，陡傾上游，主要巖性為黑云花崗片麻巖和角閃斜長片麻巖，它們雖均屬堅硬的塊狀巖石，但后者的抗風(fēng)化能力相對較弱。第四系堆積層主要為碎石質(zhì)砂粉土夾塊石及塊石層和開挖堆渣，高程1200m以上分布較薄，厚度約0.5m~5m。
巖層產(chǎn)狀為N70°~85°W,NEÐ65°~85°，主要結(jié)構(gòu)面走向近EW及近SN，傾角多陡立。根據(jù)結(jié)構(gòu)面的規(guī)模劃分，該地段主要分布有F5、F19、F23、F15四條Ⅲ級陡傾斷層和兩組Ⅳ級陡傾結(jié)構(gòu)面(小斷層f和擠壓面gm)。普通發(fā)育對邊坡穩(wěn)定程度關(guān)系較大的Ⅴ級結(jié)構(gòu)面(節(jié)理)主要發(fā)育三組：①近SN向陡傾節(jié)理組(順河向節(jié)理)，產(chǎn)狀為N0°~10°E，SE∠75°~90°，延伸一般2m~5m，最長可達10余米，間距20cm~50cm，在局部地段分布有寬5m~10m的節(jié)理密集帶;②NWW向節(jié)理組(橫河向節(jié)理)，產(chǎn)狀N65°~85°W，NE∠55°~80°，延伸一般1m~3m，間距30cm~50cm;③順坡向中緩傾角節(jié)理組，產(chǎn)狀為N20°W~N20°E，SW~NW∠30°~45°，該組節(jié)理在微風(fēng)化~新鮮巖體中相對不發(fā)育，延伸較短。
邊坡巖體以均勻風(fēng)化為主，風(fēng)化層厚度主要受巖性、構(gòu)造和地形控制。一般在地形凸出的山脊部位風(fēng)化厚度大，山坳、沖溝地段的風(fēng)化層相對較薄;在坡頂和角閃斜長片麻巖分布地段的地形較平緩部位，常出現(xiàn)較厚的全、強風(fēng)化層。
6#山梁地勢陡峻，卸荷作用強烈。卸荷現(xiàn)象主要表現(xiàn)為生成順坡向中緩傾角剪切裂隙和陡傾角拉張裂隙，岸坡常在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生崩塌等失穩(wěn)現(xiàn)象。
本地區(qū)地表水和地下水的最低排泄基準面為瀾滄江。地下水類型主要為裂隙潛水，由于補給來源豐富，地下水位埋藏較淺，岸坡地下水位線一般在弱風(fēng)化巖體的中、下部。
3 邊坡失穩(wěn)機理與模式分析
6#山梁巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)主要發(fā)生在山坡淺表部位的強風(fēng)化、強卸荷巖體中，并常見以下幾種類型：
a. 滑移型塌滑：常發(fā)生在順坡中緩傾角剪切裂隙較發(fā)育且連通率較高的邊坡表層。通常是以順坡裂隙為底滑面，順河向卸荷拉張裂隙(或節(jié)理)為后緣拉裂面，橫河向節(jié)理為側(cè)向切割面。該類塌滑一般規(guī)模較小，但它可向周邊逐漸擴展，向深部逐漸剝離。
b. 錯落型崩塌：常出現(xiàn)在由花崗片麻巖構(gòu)成的陡坡地段，其失穩(wěn)機理是：邊坡巖體在卸荷過程中順河延伸的拉張裂隙逐漸構(gòu)通，陡坡下部巖體被壓碎并出現(xiàn)剪切破裂面(常追蹤順坡節(jié)理)，在某些觸發(fā)因素作用下即發(fā)生崩塌。6#山梁在高線公路開挖過程中發(fā)生的較大范圍的崩塌屬此類型。
c. 傾倒型崩塌：此類崩塌常發(fā)生在兩種巖層交界面或有Ⅱ、Ⅲ級斷層等軟弱巖帶分布的逆層坡地段。其失穩(wěn)機理是：山坡下部分布有相對易風(fēng)化的巖層或軟弱巖帶，它們在風(fēng)化卸荷過程中逐漸被壓縮，使其上部的相對較堅硬的巖體發(fā)生傾倒、折斷，當(dāng)下部巖體被壓碎出現(xiàn)剪切破壞時即發(fā)生崩塌。
4 平面穩(wěn)定分析
4.1 巖體物理力學(xué)參數(shù)
由于地勘資料的缺乏和不足，本次計算依據(jù)前期地質(zhì)、試驗資料和開挖暴露面所揭示的地質(zhì)條件，并對山坳塌方體進行地質(zhì)參數(shù)反演分析(反演成果見表一注)，綜合以上因素,擬定邊坡平面穩(wěn)定計算的物理力學(xué)參數(shù)見表一。
表一 邊坡平面穩(wěn)定巖土力學(xué)參數(shù)計算采用值(峰值強度)
4.2 穩(wěn)定計算方法
切取典型剖面，按平面剛體極限平面問題考慮，不考慮動力效應(yīng)對巖土參數(shù)取值的影響。計算采用陳祖煜教授編制的EMU程序進行。
4.3 平面穩(wěn)定計算邊界條件與控制標(biāo)準
(1)邊坡滑動方向與計算剖面選取
根據(jù)地質(zhì)條件分析，為簡化計算，6#山梁邊坡失穩(wěn)的邊界條件如下：
a. 沿強風(fēng)化、強卸荷帶順坡中緩傾角結(jié)構(gòu)面的剪切滑移破壞;
b. 向河床、溝谷等臨空面方向的傾倒崩塌破壞;
c. 中緩傾角節(jié)理與陡傾結(jié)構(gòu)面相互切割、組合，構(gòu)成對邊坡不利的楔體破壞模式。
考慮到XX工程樞紐區(qū)中緩傾角節(jié)理及卸荷裂隙發(fā)育的主要產(chǎn)狀為近SN向，基本垂直的兩組陡傾結(jié)構(gòu)面也以近SN向相對發(fā)育，計算剖面為一近EW向和其它三個接近天然地形最陡方向剖面。
(2)地下靜水壓力取值
6#山梁地區(qū)天然地下水位基本上處于強風(fēng)化、強卸荷帶以下部位，計算分析中采用暴雨條件下的地下靜水壓取值標(biāo)準采用：取1/5滑塊高度。
(3)地震慣性力
地震工況下地震慣性力按擬靜力法計算，僅考慮水平向地震作用。取100年超越概率10%水平峰值加速度a水平=0.169g，地震效應(yīng)折減系數(shù)ζ=0.25,動態(tài)分布系數(shù)ai=1.875，相應(yīng)的水平地震力綜合系數(shù)取值為Kh=0.08。
(4)計算工況及安全系數(shù)控制標(biāo)準
6#山梁綜合治理措施考慮一次到位實施，避免二次上山不考慮分期進行，因而計算分析考慮正常運行、地震和泄洪工況，其中壩頂公路以下邊坡將結(jié)合導(dǎo)流洞出口開挖、泄洪霧化保護等，下一步作綜合治理研究，故本次計算無泄洪工況。本區(qū)域距工程主體拱壩尚有一定距離，壩頂公路以上邊坡又接近天然邊坡，安全等級按低于主體工程邊坡考慮，取為二級邊坡，各工況對應(yīng)的平面穩(wěn)定安全系數(shù)控制標(biāo)準見表二。
表二 邊坡平面穩(wěn)定計算最小安全系數(shù)控制標(biāo)準
4.4平面穩(wěn)定分析計算成果
根據(jù)初步推測的地質(zhì)剖面與初擬地質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)進行了初步分析計算，各剖面相應(yīng)位置滑塊平面穩(wěn)定計算安全系數(shù)及所需錨固力計算成果見表三。
5 邊坡穩(wěn)定性評價
從表三可以看出，目前現(xiàn)狀條件下導(dǎo)流出口壩頂公路以上邊坡的穩(wěn)定程度以2剖面最差，1剖面次之，3剖面稍好，4剖面處于整體穩(wěn)定狀態(tài);控制性強風(fēng)化、強卸荷滑動層的厚度一般不超過20m。
從高程分布來看，高線便道以上塌方體陡壁部位因坡度因素控制，3剖面滑塊的安全系數(shù)最低，干邊坡狀態(tài)為1.03，正常狀態(tài)為0.93，基本處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，與目前現(xiàn)狀估計是吻合的;4剖面塌方體陡壁部位在剖面方向上處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。剖面顯示，本區(qū)(
�、�-2亞區(qū))塌方體陡壁邊坡與后部天然山坡相連，不宜開挖也缺乏壓坡條件，是預(yù)應(yīng)力錨固鎖口處理的重點區(qū)域。高線便道至壩頂公路間邊坡穩(wěn)定性好于塌方體陡壁部位，3、4剖面整體穩(wěn)定，但剖面顯示，該區(qū)(Ⅱ-3亞區(qū))淺表層為松散堆積物，邊坡局部存在圓弧破壞和塌滑破壞，若清除山坳內(nèi)的松散堆積物，將增大其兩側(cè)山坡的側(cè)向臨空程度，故在坡腳(壩頂公路)處設(shè)樁板墻擋護更能確保邊坡穩(wěn)定。1、2剖面干邊坡安全系數(shù)在1.05～1.14之間，正常狀態(tài)為0.97～1.06之間，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，需采用工程措施提高其穩(wěn)定程度。剖面顯示，本區(qū)(Ⅰ-1亞區(qū)、Ⅱ-1亞區(qū)、Ⅱ-2亞區(qū))坡形有相對凸出現(xiàn)象，并存在薄層浮渣和全風(fēng)化巖體分布，強卸荷巖體在坡形凸出部位一般不超過10m，具備清坡條件。
6 綜合治理設(shè)計原則和工程措施
6.1 綜合治理設(shè)計原則
由于6#山梁地段山坡陡峻，地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，巖體風(fēng)化、卸荷深度較大，天然山坡的穩(wěn)定性較差。因樞紐總體布置的需要不可避免地要對6#山梁的岸坡進行一些工程開挖，根據(jù)各工程開挖的具體情況并本著安全、經(jīng)濟、合理的原則，確定6#山梁壩頂公路以上邊坡設(shè)計思路如下：
(1)工程布置盡可能地避免明挖，公路用隧洞通過，盡量減少對山坡的擾動。
(2)以排水措施作為提高山坡總體安全度的基本手段，采取清坡、減載、支擋、錨固、護坡相結(jié)合的綜合措施進行全面治理。
(3)對邊坡上已出現(xiàn)的不穩(wěn)定體，采取預(yù)應(yīng)力錨索加固。
(4)對于開口線以外的浮石、危石，可用主動和被動網(wǎng)防護。
(5)加強安全監(jiān)測，并根據(jù)施工過程中揭示的地質(zhì)條件，及時調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計。
6.2工程措施
根據(jù)地形、地質(zhì)條件和工程布置、邊坡穩(wěn)定條件和計算結(jié)果等情況，將6#山梁地段的邊坡分為三個區(qū)(Ⅰ區(qū)：高線便道以上邊坡;Ⅱ區(qū)：高線便道至壩頂公路間邊坡;Ⅲ區(qū)：壩頂公路以下邊坡。)和若干亞區(qū)，具體見附圖。其中壩頂公路以下邊坡(Ⅲ區(qū))將結(jié)合導(dǎo)流洞出口開挖、泄洪霧化保護等，下一步作綜合治理研究。
6.2.1 排水
6#山梁采用以地下排水為主，地表排水為鋪的綜合排水措施，盡可能降低邊坡巖體中的地下水位，減少滲水壓力，以改善邊坡穩(wěn)定條件，提高邊坡穩(wěn)定性。
(1)地下排水系統(tǒng)
在1310m高程設(shè)置一層地下排水洞，且利用高線公路隧洞在1380m高程增設(shè)一條排水支洞。排水洞內(nèi)均鉆設(shè)排水孔。
排水孔在松散體、斷層破碎帶或土層等特殊部位用反濾透水管作特殊處理，透水管選用HMY-95K塑料盲溝管，外包土工布200g/m2，其長度應(yīng)貫穿破碎帶，端部用土工布封扎。
(2)地表排水
為減少降雨和泄洪雨霧的入滲量，充分發(fā)揮地下排水系統(tǒng)的疏排效果，加強了邊坡表層的排水系統(tǒng)。
6.2.2 邊坡加固支護措施
根據(jù)以上計算成果和分析判斷，6#山梁壩頂公路以上部位邊坡采用清坡、減載、支擋、錨固、護坡相結(jié)合的綜合措施進行全面治理。
(1)Ⅰ-1亞區(qū)
a.盡量清除邊坡表部附近部位呈干砌塊石狀的和山坡表層顯著變形錯位的強卸荷巖體，理順坡形。
b.Ⅰ-1區(qū)清坡前，先在清坡開口線以上設(shè)置兩排1000kN級預(yù)應(yīng)力錨索鎖口;清坡后，在清坡范圍開口線以下設(shè)置三排1000kN級預(yù)應(yīng)力錨索;其它部位根據(jù)需要設(shè)置隨機預(yù)應(yīng)力錨索。
c. 6#山梁上游側(cè)現(xiàn)高線隧洞出口的洞臉擋墻考慮有一定高度并在其上設(shè)置防護網(wǎng)，以攔擋滾石和F5溝內(nèi)可能發(fā)生的局部塌方體。
(2)Ⅰ-2亞區(qū)
目前，6#山梁下游側(cè)邊坡塌方段范圍EL.1450m以下已布設(shè)有1000kN級預(yù)應(yīng)力錨索;根據(jù)計算分析判斷，對EL.1450m以上陡壁部位增加1000kN級系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索。
(3)Ⅱ-1亞區(qū)和Ⅱ-2亞區(qū)
a.清除坡面浮渣、覆蓋層、破碎分離巖體、孤石、危石、變形錯位的表層強卸荷巖體及淺表層全風(fēng)化巖體。
b.Ⅱ-1區(qū)清坡后在EL.1380m附近設(shè)置兩排1000kN級預(yù)應(yīng)力錨索;其它部位根據(jù)需要設(shè)置隨機預(yù)應(yīng)力錨索。
c.Ⅱ-2區(qū)“爬石”(三個特定的分離巖體)部位先設(shè)置隨機預(yù)應(yīng)力錨索將其錨固，再跳槽清除其下側(cè)的破碎巖體，并及時回填混凝土壓腳，最后在回填混凝土部位設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索;Ⅱ-2區(qū)清坡后在EL.1330m附近設(shè)置兩排1000kN級預(yù)應(yīng)力錨索。
�、�-1亞區(qū)和Ⅱ-2亞區(qū)在壩頂公路邊坡開口線上下均設(shè)置兩排1800kN級預(yù)應(yīng)力錨索。
為保證清坡工作安全順利進行，以上清坡各區(qū)在壩頂公路、高線便道路面上均設(shè)置兩排3Φ32錨筋樁。
(5)Ⅱ-3亞區(qū)
a.清除坡面浮渣。
b.在壩頂公路部位的山坳段設(shè)置長約100m 的錨拉樁板式擋墻,錨拉樁板式擋墻段頂部考慮設(shè)置防護網(wǎng)。
以上清坡及塌方表面除Ⅱ-3亞區(qū)外均布置系統(tǒng)錨桿并噴混凝土護面,強風(fēng)化、強卸荷帶及坡、堆積體坡表均掛機編活絡(luò)網(wǎng)。
綜合治理設(shè)計布置如附圖所示。
7 結(jié)語
由于缺乏足夠的地勘資料，為滿足施工進度需要，按反演分析估計強度參數(shù)指標(biāo)，通過平面穩(wěn)定計算及分析判斷，作為治理設(shè)計依據(jù)，先提出初步設(shè)計處理方案。根據(jù)設(shè)計方案施工準備工作完成，目前已進入具體實施階段。基于巖土工程的復(fù)雜性，認識難于與實際完全相符，根據(jù)地勘工作和施工過程中揭示的地質(zhì)條件，將及時作設(shè)計優(yōu)化調(diào)整，并完善對Ⅲ區(qū)的處理設(shè)計方案。
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