水電工程邊坡加固與治理的方法

朱國平

(葛洲壩集團第二工程有限公司,四川成都 610091)

工程的建設和運行離不開安全,而邊坡穩定問題是水利水電工程中經常遇到影響安全的最大的問題。邊坡的穩定性直接決定著工程修建的可行性,影響著工程的建設投資和安全運行。邊坡的地質構造往往較復雜,影響滑坡的因素也很多,因此,在邊坡的加固及與滑坡災害作斗爭的過程中,我國的水電工作者不斷總結經驗教訓,總結出了一整套水電工程邊坡設計、觀測和施工新技術。

根據經驗,邊坡加固與治理的方法主要有:混凝土擋墻、混凝土框架和噴混凝土護坡、混凝土沉井、混凝土抗滑樁、錨固洞、邊坡減載以及排水措施、錨固技術的應用等主要方式。

1 混凝土抗滑結構的應用

(1)混凝土抗滑樁的應用。

抗滑樁由于能有效而經濟地治理滑坡,尤其是在滑動面傾角較緩時其效果更好,因此,在邊坡治理工程中得到了廣泛應用。在四川省洪雅縣瓦屋山水電站右岸高程 1 083 m以上邊坡的治理中取得了很好的效果。當時右岸高程 1 083 m以上邊坡出現了大面積的滑動,整個山體靠公路內側面有明顯的錯動。經觀測,滑動有繼續發展的趨勢,如果不進行治理,可誘發面積約 1萬 m2、厚度約 10～20 m、總滑動量約 15萬 m3的大型滑坡體。經過業主、設計、監理、施工單位現場察看最后確定采取抗滑樁等一整套治理措施。實際施工后證明:在該處設計一排抗滑樁對邊坡的治理取得了有效的效果,確保了大壩主要對外交通要道的安全。

(2)混凝土沉井。

混凝土沉井是鋼筋混凝土結構,主要由井筒(井壁)、隔墻和刃腳等組成。在滑坡工程中既起抗滑樁的作用,有時也具備擋土墻的作用。沉井結構設計根據沉井的受力狀態、基坑的施工條件和沉井場地布置等因素決定,沉井結構平面呈“田”字形,井壁和橫隔墻的厚度主要由需滿足的下沉重量而定。井筒一般為重度較大和剛度較高的鋼筋混凝土結構,可根據需要制成方型、圓型或橢圓型斷面。一個沉井通常由多節井筒組成,每一節井筒上下敞開,接頭處鋼筋混凝土井筒的壁厚應根據其所承受的土壓力、水壓力、下沉時的摩阻力等通過計算確定,通常厚度為 0.4～1.2 m。隔墻即井筒內的間隔墻,其作用是減少井筒跨度,改善受力條件,增強筒體剛度。隔墻厚度一般為0.5 m。刃腳指底節井筒下端的鋼制尖角,其作用是保護底節井筒及便于沉井切入土層中。刃腳踏面寬度一般為 200～300 m m,內側傾角為 40°～60°。

沉井下沉至設計高程后,根據其工程要求需進一步完善,如進行封底、填心等。

在實際工程中,按需要可以采用單個沉井布置,也可以是多個沉井(沉井群)的布置形式。

沉井施工包括平整場地、沉井制作、沉井下沉、填心4個階段。下沉采用人工開挖方式,由人力除渣,簡易設備運輸,下沉過程中需控制防偏問題,做到及時糾正。合理的開挖順序是:先開挖中間,后開挖四邊;先開挖短邊,后開挖長邊。沉井就位后清洗基面,設置錨桿,再澆筑混凝土封底,最后用毛石混凝土填心。沉井工程建成至今,已經受了多年的運行考驗,在由葛洲壩集團公司承接的向家壩水電站工程中得到了很好的應用。

向家壩水電站工程分兩期施工,在一期土石圍堰內側布置了由 10個 23 m×l 7 m的沉井組成的沉井群,頂部高程 270 m。1#～10#沉井沿一期土石圍堰成“L”型依次錯開布置,相鄰井間距 2 m。單個沉井內分 6格,井格凈空平面尺寸為 5.2 m×5.6 m(含 40 c m×40 c m的倒角),外墻厚 2 m,隔墻厚 1.6 m,沉井設計下沉最淺 43 m,最深達 57.2 m。沉井結構由下到上依次為:底節高 7 m(其中底部 1 m為鋼刃腳結構),刃腳踏面寬 30 c m,刃腳斜面高 2 m;中隔墻離刃腳踏面高 1～3 m;底節高 7 m處設10 c m×10 c m的斜向倒角,其上 2～5節設計按 9 m一節段配筋,其它節為 H-43 m。沉井壁混凝土設計標號:大部分沉井底節混凝土為 C 35W6(其中 8#、9#為 C 4O W6),其余節均為 C 25W6。井內填芯混凝土標號為 C 1O W6。

(3)混凝土擋墻。

混凝土擋墻是治坡工程中最常用的一種方法,它能有效地從局部改變滑坡體的受力平衡,阻止滑坡體變形的延展。

在瓦屋山水電站工程左岸泄洪洞進口處采用混凝土擋墻對洞口底腳處進行護坡處理取得了很好的效果。施工中對巖石結構面同時進行了錨索施工,保證了左岸泄洪洞進口的安全。

(4)混凝土框架和噴混凝土護坡。

混凝土框架對滑坡體表層坡體起到了保護作用并增強了坡體的整體性,防止了地表水滲入和坡體的風化。框架護坡具有結構物輕,材料用量省,施工方便,適用面廣,便于排水以及可與其他措施結合使用的特點。某二級水電站下山包滑坡治理采用混凝土護面框架,框架分兩種型式。滑面附近框架其節點設長錨桿穿過滑面,為一設置在彈性基礎上節點受集中力的框架系統;距滑面較遠的坡面框架節點設短錨桿,與強風化坡面在一定范圍內形成整體。下山包滑坡北段強風化坡面框架采用 50 c m×50 c m、節點中心 2 m的方形框架,節點處設置兩種類型錨桿:在 550～560 m高程間的坡面,滑面以上節點垂直于坡面設置φ 36及 φ 32、長 12 m砂漿錨桿,在 565 ～580 m高程間的坡面則設垂直于坡面的 φ 28、長 6 m的砂漿錨桿,相應地框架配筋為 8φ 20和 4φ 20。框架要求在坡面挖 30 c m深,50 c m寬的槽,部分嵌入坡面內,表層填土并摻入耕植土,形成草本植被的永久護坡。在巖性較好的部位可采用錨桿和噴混凝土保護坡面。

(5)錨固洞的應用。

在四川金平水電站大壩岸坡處理工程中,為了保證大壩壩肩以上山體邊坡的穩定,采用斷面為 2 m×2.2 m的錨固洞 2個,以形成較大的抗剪力,錨固洞延伸至山體總長度達 120 m。在 2008年 8月 11日施工 1#錨固洞開挖進尺 K 0+61～K 0+64.4樁號處底板出現彈簧土軟基,洞壁及洞頂出現大量坍塌;在施工 2#錨固洞 K 0+64樁號處洞頂出現一道沿洞軸線成 10°左右、傾角較大的夾層層面,洞頂出現自然坍塌現象。洞室左側出現塊體較大的破碎帶,巖石自然坍塌嚴重,項目部堅持以小進尺、強支護的安全措施保證了施工的安全。在開挖完成后隨即進行鋼筋混凝土的澆筑施工。由于錨固洞具有一定的傾斜度,防止了混凝土與洞壁結合不實的可能性,同時,采取洞樁組合結構的受力剎遠較傳統懸臂結構合理,提供了較大的抗力。經過時間的檢驗,采用錨固洞穩固山體邊坡起到了很好的效果。

2 減載、排水等措施的應用

(1)減載 、壓坡 。

在有條件的情況下,減載壓坡應是優先考慮的加固措施。如某二級水電站廠房高邊坡穩定分析結果表明,滑坡體后緣受傾向 S E的陡傾巖層影響,將向 S E(24°～71°)方向滑動。該方向與滑坡前緣滑移方向有近 20°～60°的夾角,將部分下滑力傳至滑坡體前緣及治坡建筑物上,對滑坡整體穩定不利,因此,若能有效控制后坡滑移,就能減緩整體滑坡。在滑坡體后緣覆蓋層最厚的部位,在保證施工道路布置的前提下,盡量在后緣減載。第一次減載 14萬余 m3,至 610 m高程。第一次減載后,滑動速度明顯降低;緊接著再減載12萬余 m3,至 600 m高程。兩次減載共 26萬余m3,滑坡抗滑穩定安全系數提高約 10%。瓦屋山水電站庫區左岸岸坡距大壩約 400 m,有一石灰巖高懸陡坡構成的小黃崖不穩定巖體。滑坡下部軟弱的頁巖被庫水淹沒,地表上部見有多條陡傾角孔縫狀張開裂隙,最大的水平延伸長度達 200 m,縱深切割 190 m。歷時 4年多時間的變形觀測結果表明,裂隙頂部最大累計沉陷量達171.1 m m,最大累計水平位移量達 56 m m,估計可能滑動的體積約 50～100萬 m3。為保證大壩的安全,對山崖不穩定巖體先后進行了兩次有控制的洞室大爆破,共爆破石方 20.8萬 m3。從處理后的變形資料可以看出,已達到了削頭、壓腳、提高巖體穩定性的目的。

(2)排水 、截水 。

地表水滲入滑坡體內,既增加了滑坡體的重量及滑動力,又降低了滑動面上巖層的內摩擦力,對滑坡體的穩定不利。對滑坡體以外山坡上的地表水采取層層修建攔水溝、排水溝的方法排水。對于坡體范圍內的地表水,開裂的地方用黃土封堵,低洼積水的地方用廢碴填平,順地表水集中的地方設排水溝排走地表水。如某二級水電站廠房邊坡工程治理中總共修建攔水溝、排水溝長度近10 k m。地下水的排除采取在滑坡體的后緣開挖總長 384 m的兩條排水洞(距滑動面以下 5～10 m),并相聯通,形成一個 U形環,在排水洞內再設排水孔,把滑動體內的地下水引入排水洞。

3 錨固技術的應用

采用預應力錨索進行邊坡加固,具有不破壞巖體,施工靈活,速度快,干擾小,受力可靠且為主動受力等優點,加之坡面巖體抗壓強度高,因此,在這些工程的邊坡治理中都得到了大量應用。在某水電站邊坡工程中,采用了 1 000 k N級錨索1 371根、1 600 k N級錨索 20根、3 000 k N級錨索859根、6 000 k N級錨索 21根,均為膠結式內錨頭的預應力錨索,采取后張法施工。預應力錨索由錨索體、內錨頭、外錨頭三部分組成。內錨頭用純水泥漿或砂漿作膠結材料,其長度:1 000 k N級為 5～6 m,3 000 k N級為 8～10 m,6 000 k N級為 10～13 m;外錨頭為鋼筋混凝土結構,將其與基巖接觸面的壓應力控制在 20 M P a以內。

4 結 語

總而言之,隨著我國科學技術的發展,越來越多的新材料、新工藝、新技術應用到工程邊坡的加固與治理中,如新近出來的邊坡主動和被動防護網等施工新方法將為我國的邊坡加固和治理提供更多的方法,將進一步確保工程的施工安全和建筑物的安全運行。