金安橋水電站樞紐建筑物邊坡工程設計

馬 俊，李雙寶，鄧良軍

（中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，云南 昆明 650051）

1 工程地質條件

金安橋水電站樞紐區河谷為 “V”字形，兩岸地形陡峻。出露地層為二疊系上統玄武巖組上段（P2β3），巖性有致密玄武巖、杏仁狀玄武巖、火山角礫熔巖夾5層凝灰巖夾層。區域地質構造處于揚子準地臺西部邊緣的麗江臺緣褶皺帶內，地處青藏高原東南側滇西北新構造運動強烈活動部位。根據國家地震局地質研究所對場地地震安全性評價成果，工程區地震基本烈度達Ⅷ度，100年超越概率2%水平地震動峰值加速度為0.399 g。河谷為縱向谷，左岸為順向坡，右岸為逆向坡。樞紐區建筑物布置緊湊，各部位邊坡開挖互相影響，開挖邊坡所處區域地質條件復雜。左岸樞紐區還分布有B1、B2和B20三個大型崩塌堆積體，其方量較大，覆蓋層厚，組成性質復雜，樞紐區邊坡設計有較大難度。

2 邊坡設計原則

根據地質條件和工程建筑物布置，邊坡總體設計原則如下：

（1）根據建筑物等級，分部位確定邊坡安全等級的控制標準。地震動參數采用專題評審標準，并考慮施工爆破震動效應的影響；針對薄弱的凝灰巖夾層、凝灰巖接觸帶和崩塌堆積體，進行巖土物理力學參數反演分析；對坡外水位驟降和崩塌堆積體暴雨孔隙水壓力進行敏感性研究復核。結合計算分析成果，安全標準基本采用地質建議指標的中、高限值。

（2）地質勘查工作結論表明，金安橋邊坡失穩主要模式是以凝灰巖夾層和綠泥石石英錯動面等薄弱部位為潛在滑動面的整體滑移型失穩，以堆積體底界接觸帶為潛在滑動面的整體蠕動推移變形破壞、巖體及堆積體松散結構內部形成的圓弧形淺表層牽引式崩塌破壞。根據破壞模式，初擬邊坡的開挖支護比例，以安全為前提，結合經濟合理性比較，最終確定邊坡開挖和支護設計方案。采取動態追蹤設計理念，對監測和施工方案提出要求，掌握施工現場的地質狀況、施工情況和監測數據信息，動態調整設計方案，以適用于工程實際。

（3）根據重力壩和壩后廠房的布置，壩肩邊坡采取開挖和支護并重的形式進行處理。對薄弱地質缺陷部位有針對性地采取加強支護的形式。結合左岸壩頂和纜機平臺交通，對壩軸線下游的B2、B20崩塌堆積體采取強開挖、少支護的處理方式，在開挖至堆積體自穩的前提下對坡面和后緣陡巖面進行支護處理。根據溢洪道消力池布置特點，對右岸交通及消力池邊坡采取陡開挖強支護的處理方式。對左岸壩前庫岸邊坡B1堆積體采取加強觀測暫不支護的處理方式。

（4）對上限解法和下限解法的計算結果進行對比分析，然后采用了瑞典條分法、畢肖普 （Bishop）法、 詹布 （Janbu） 法， 摩根斯坦－普萊斯（Morgenstern-Price）法、潘家錚法、薩爾瑪（Sarma）法比較驗算，以目前廣泛應用的能量法上限解 （EMU）軟件作為主要計算分析程序，結合有限元靜力、動力分析，最終計算得到邊坡安全系數，作為邊坡設計參考。

3 邊坡處理措施

根據地質勘查資料及計算分析成果，參考其他同類工程的設計經驗，結合邊坡的自身特點，對金安橋水電站邊坡分別進行以下處理。

3.1 左岸壩前庫岸邊坡

左岸壩前庫岸邊坡為B1崩塌堆積體。穩定分析計算成果表明，堆積體整體滑動的可能性不大，但存在沿淺表層滑動失穩的可能，堆積體中央厚度較大區域沿凝灰巖夾層整體滑動的安全系數未達到控制安全標準。動力有限元計算成果表明，上游側1 570 m高程以上邊坡地形外凸部位在地震工況時穩定性也較差。鑒于該崩塌堆積體距離主體建筑物較遠，失事后造成的損失可控，故采取加強監測、動態追蹤的方案，增加地勘測量工作量，獲取詳細的地質和水文資料。對資料進一步分析后，優化了開挖支護方案，重點追蹤蓄水水位變幅區的變形觀測，僅保留地表截排水措施。

3.2 重力壩壩基及壩肩開挖邊坡

左岸邊坡分布的陡傾結構面均比邊坡開挖面陡，塊體沿凝灰巖夾層整體滑動的可能性不大，邊坡發生傾倒破壞的可能性也不大，整體穩定性較好。靜、動力有限元分析表明，邊坡開挖完成后，開挖區附近及壩肩邊坡淺表層塑性區安全系數較低，甚至出現局部拉裂破壞區。邊坡開挖后暴露的綠泥石化巖體受開挖卸荷的影響，出現較大范圍的低應力區，相應抗滑穩定安全系數降低。因此，在邊坡開挖后應重視對綠泥石化巖帶的處理。

左岸壩肩邊坡除布置常規的噴混凝土錨桿支護措施外，還在纜機平臺外緣外荷載集中區布置了預應力錨索；在裂面綠泥石化巖體出露區域增掛了鋼筋網；在開口線局部卸荷強烈、較破碎坡面和凝灰巖夾層、綠泥石石英錯動面出露部位，采取預應力錨桿和錨筋樁交叉鎖口的方式進行處理。

右岸壩肩為逆層坡，計算結果顯示其整體穩定性較好，大面積開挖揭露的火山角礫巖整體性較好。因此，僅對坡面采取常規噴混凝土錨桿系統支護，對凝灰巖夾層和小斷層出露部位加強鎖口支護。

右岸沖溝無水，僅在開口線外布置坡外水截流設施。左岸壩肩分布有2條沖溝，汛期水量較大，除布置常規坡外截流設施外，還在坡頂陡崖以上平臺設計了沖溝擋水坎及集水坑，通過左岸高線排水隧洞將沖溝水引流至上游沖溝中排入金沙江。

3.3 尾水渠出口左岸邊坡

尾水渠出口左岸邊坡為B2崩塌堆積體。天然狀態下，在邊坡出露高程以上的松動體和堆積體存在沿凝灰巖夾層發生整體失穩的可能；堆積體下游側附近還存在局部滑動條件。結合左岸上壩公路、上纜機平臺支線公路、下部尾水平臺的布置，對堆積體進行開挖減載后，堆積體和松動體的穩定狀況得到很大改善，各工況下邊坡的安全系數均能滿足設計要求。

開挖減載方案除了挖除B2崩塌堆積體總體積的50%以外，開挖綜合坡比還緩于1∶1.5，能夠保證堆積體自身穩定。對開挖開口線、堆積體與基巖交界面、凝灰巖夾層出露部位均采用了混凝土錨拉板封閉，在穿越堆積體的公路的外沿布置鎖口錨筋樁，必要部位設擋墻保證公路結構的安全。此外，開挖的堆積體坡面多為散體泥夾石塊，為避免坡面局部的掉塊坍塌，在坡面布置混凝土網格梁附坡，網格梁間采用植草的方式固坡。

3.4 尾水及溢洪道下游左岸邊坡

尾水及溢洪道下游左岸邊坡為B20崩塌堆積體。天然狀態下穩定計算結果表明，該崩塌堆積體安全系數大多處于安全臨界值附近，且分布范圍較大。下游A區堆積體覆蓋較厚，上游B區堆積體后緣有卸荷陡傾巖石出露。因施工臨時道路開挖和下部低線公路切腳，A區產生向河中偏下游側以凝灰巖夾層為底界的蠕滑跡象，后緣出現拉裂縫。根據動態追蹤設計原則，結合上壩高、低線公路及臨時連接線的布置，對B20堆積體進行削坡減載的處理方案。著重挖除堆積體上部陡傾覆蓋物，保護下部壓腳，低線公路擋墻結構采用衡重式混凝土擋墻。堆積體開挖總量約占總體積的35%，開挖綜合坡緩于1∶1.5。通過現場設計調整，施工完成后邊坡穩定性明顯提高，監測成果顯示堆積體變形衰減明顯，趨于自穩。

開挖后，堆積體頂部形成一個陡峭基巖面，且開口線以外還存在一定厚度的強風化陡崖。穩定分析認為，該巖面和陡崖需進行系統的預應力錨索加固。為防止施工期爆破震動引起零星掉塊，陡崖面增設了一道主動貼坡防護網和兩道被動防沖防護網。堆積體開挖面面積非常大，結合經濟環保考慮，坡面鋪設機編活絡網，采用含養料回填土植草的支護方式。這樣既保證了坡面的美觀及環保要求，又有效地避免坡面掉塊塌方的發生。

B20崩塌堆積體與B2崩塌堆積體地表排水措施相同。考慮到暴雨滯留在堆積體底界的孔隙水壓力對堆積體整體穩定非常不利，因此在兩個堆積體底界接觸帶以下的火山角礫巖層中布置了3條貫通的排水洞，排水洞頂距離堆積體底界15～30 m，洞頂設置排水孔，排水孔要求打穿堆積體底界，將堆積體底界的滯留孔隙水經排水洞引流至堆積體外排出。

3.5 溢洪道右岸開挖邊坡

由于邊坡處巖體質量較好，經剛體極限平衡法、靜 （動）力有限元分析，邊坡沿弱風化上部及以上巖體內滑動的安全穩定系數較高，邊坡發生整體破壞的可能不大。設計開挖坡比較陡，對邊坡采用常規噴混凝土錨桿支護，鑒于下部反傾凝灰巖出露部位卸荷后出現掉塊傾倒破壞，現場增加部分預應力錨索。結合右岸上壩公路排水溝截留坡外水，對坡面反傾薄弱面增設反濾排水孔。

4 經驗和總結

（1）引入動態追蹤設計理念。金安橋水電站的邊坡設計借鑒小灣水電站的邊坡設計經驗，在動態追蹤設計方面有了進步和擴展。在施工現場投入了大量的設計力量，根據施工揭示的實際地質資料，結合全過程監測成果分析，對邊坡實行先總體規劃，再分區布置，最后局部優化調整的設計思路。在保證工程質量和安全的前提下，保障了施工進度。整個工程的邊坡設計達到安全可靠、經濟合理、便于施工的高標準。

（2）重視邊坡的截水、防水、排水系統設計。防滲和排水是改善和提高邊坡穩定性的有效措施。金安橋水電站邊坡設計遵循這一設計思路，為降低邊坡地下水位，減少滲水壓力，改善邊坡穩定條件，采用了以地下排水為主，地表截、防、排水為輔的綜合措施，形成了一套行之有效的邊坡防、排水設計系統。

（3）建立了一套完整的邊坡監測系統，并重視監測反饋數據的分析研究，為邊坡的動態設計建立了完備的數據基礎。金安橋水電站在整個施工過程中都加入了大量的監測設計，對收集整理的監測數據進行細致的研究分析，邊坡設計據此進行合理調整和優化，做到了設計與實踐緊密聯系，設計層次主次分明，重點部位重點支護，條件改善部位優化到位，最大限度地達到了設計的經濟合理性。

（4）對地質薄弱部位加強支護措施。金安橋水電站邊坡巖體呈現分層次出露特征，巖性變化較明顯，加之樞紐區Ⅱ、Ⅲ級結構面分布較廣，切割復雜，若采取單一大范圍的支護形式則不符合實際情況。根據現場揭露巖性，在火山角礫巖和玄武巖部位僅實施常規錨固，但在出露凝灰巖夾層、綠簾石石英錯動面、結構面切割復雜部位和開挖開口線部位采取交叉鎖口長錨桿、鋼筋網、擋墻、混凝土塞等相應加固措施，更加安全合理。

（5）思路開拓創新，引入新技術成果。對大面積堆積體開挖面，引進了適宜干熱河谷氣候條件下生長的植草護坡技術。通過反復實驗研究，結合自身條件，得到了合理可行的草籽配合比，采用了當地適用的肥料和土壤配比。新技術大幅提高了施工進度，節省了建筑材料，并且實現了 “以綠還綠”的環保設計構想。在邊坡的其他設計技術方面也采用了國內先進技術和材料，力求達到邊坡設計與時俱進。