中厚層～厚層狀灰巖區高陡順向邊坡施工技術

王洪源，廖盛彥

(中國人民武裝警察部隊水電第一總隊，廣西南寧 530021)

1 工程概況

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣孔玉鄉，是大渡河干流水電規劃“三庫22級”中的第9級電站。壩址控制流域面積約54036 km2，多年平均流量774 m3/s。水庫正常蓄水位高程1842 m，電站裝機容量1700 MW，單獨運行年發電量69.964億kW·h。

該工程初期導流采用斷流圍堰擋水、隧洞導流的導流方式。2條導流洞斷面尺寸均為13 m×15 m(城門洞型，寬×高)，同高程布置在左岸，進口高程1698 m，出口高程1693 m。導流洞進口位于色龍河壩，距色龍溝溝口約350 m。1#導流洞與2#泄洪洞結合布置(1#導流洞后期改建為2#泄洪洞)，出口布置在下游圍堰和泥洛堆積體之間，2#導流洞為避免大量開挖泥洛堆積體，將出口布置在泥洛堆積體中部(船頭小學對岸)基巖出露處。1#導流洞長1552.771 m(其中與2#泄洪洞結合段長624.771 m)，平均縱坡為3.2305‰，2#導流洞長1979.238 m，平均縱坡為2.5326‰。導流洞進水口采用岸塔式，塔頂高程1745 m，塔體尺寸為25 m×25 m×51 m(長×寬×高)，閘室分為2孔，單孔尺寸為6.5 m×15 m(寬×高)。1#、2#導流洞堵頭段長度均為45 m，其樁號分別為(導1)0+883～0+928、(導2)0+950～0+995。

導流洞進口段軸線與河道主流方向的夾角約為55°，進口明渠為喇叭形，由1#、2#導流洞共用，閘室前設20 m 長扭曲墻式漸變段。明渠底寬45～55 m，沿水流方向長約150 m，渠底縱坡為1%。漸變段采用1 m 厚鋼筋混凝土襯砌，覆蓋層渠底和邊坡采用1～2 m 厚鋼筋石籠保護。

進口邊坡開口線高程約為1870 m，最大開挖高度近200 m。覆蓋層開挖坡比為1∶1.5，基巖開挖坡比高程1723 m 馬道以下為垂直邊坡(閘室四周)或扭曲面(閘室與明渠連接段)，高程1723 m 馬道以上為1∶0.3，每20 m 設一級馬道，馬道寬2 m。

導流洞進口邊坡地層巖性以泥盆系下統(D11)第11層的中厚層～厚層狀白云質灰巖、變質灰巖為主，夾絹云母鈣質石英片巖，巖層產狀N40°～45°E/NW∠50°～52°，巖質致密，較堅硬，風化較弱，淺表部卸荷強烈。邊坡高程1835～1860 m 分布崩坡積塊碎石土層(col +dlQ4)，塊碎石土層厚約5～15 m，崩坡積堆積體現狀總體穩定，但可能會因導流洞工程開挖引起堆積體變形破壞，現已對該堆積體進行了部分清除和護坡處理。

開挖揭示邊坡巖體中以層面裂隙為主，層面產狀為N40°～45°E/NW∠50°～52°，層面走向與邊坡走向呈小角度相交，為典型的順向坡，層面多數為硬接觸～巖塊巖屑型，少數為順層擠壓構造帶，為巖屑型。另外，邊坡巖體中存在三組裂隙:①SN/E∠45°，②N15°～30°W/NE∠65°，③N30°～60°E/SE∠15°～30°;其中①、②兩組長大，與邊坡呈大角度相交，③組裂隙發育少，短小。

據SLPD1平硐揭示，導流洞進口邊坡坡體內部共發育一條Ⅱ級結構面斷層(Fs-1)、5條Ⅲ級小斷層和9條擠壓破碎帶。斷層Fs-1發育在SLPD1平洞樁號0+46.5～0+47.5，產狀N25°E/NW∠65°，帶寬1～1.2 m，兩盤影響帶寬各1 m，主要由破碎巖、碎粒巖、碎粉巖組成，中部見長度連續5～10 cm 的碎粉巖帶，干燥。

邊坡開挖揭示，在2#導流洞邊坡高程1723 m 附近出露一條順層擠壓破碎帶(gdj-1)，產狀為N30°E/NW∠50°，寬約3～5 cm，主要為片狀巖、碎粒巖，干燥，為巖屑型。

進口部位巖體強卸荷水平深4 m，弱卸荷水平深51 m，弱風化上段水平深4 m，弱風化下段水平深81 m。導流洞進口軸線方向上巖體強卸荷水平深0～2 m，弱卸荷水平深45～62 m，弱風化上段水平深0～2 m，弱風化下段水平深85 m。邊坡巖體開挖后，主要由強卸荷、弱上風化上段巖體組成，為Ⅳ類巖體。

2 邊坡穩定條件分析

2.1 邊坡結構

邊坡走向為N35°E，巖層走向為N40°～45°E，巖層與邊坡呈小角度相交，巖層傾向坡外，且傾角(50°～52°)小于設計開挖坡度角(73°)，為典型的順向坡結構。隨著邊坡的開挖，順坡向斷層、層內擠壓帶臨空出露，破壞了邊坡巖體的整體性。

2.2 控制邊坡穩定的邊界條件分析

根據邊坡巖體結構、次級斷層、層內擠壓帶組合分析，巖層面、層內擠壓帶、斷層Fs-1是控制邊坡穩定的主導控制性結構面。在上述各組合模式中，由于斷層Fs-1、fs-2以巖屑夾泥型為主，強度低，巖層面多為巖塊巖屑型，少數巖層面為順層擠壓帶，為巖屑型，這些結構面其抗剪斷強度不高，在邊坡開挖后，各組合模式形成的塊體經設計計算其穩定性系數較低，在沒有支護措施的情況下有失穩的可能。經計算，以斷層Fs-1為后緣滑移拉裂面，以擠壓帶(gs-6、gdj-1)為底滑面的模式安全系數最低，是控制整個邊坡穩定的組合模式，應加強邊坡處理措施。

1#導流洞進口邊坡工程地質剖面如圖1所示。斷層Fs-1在高程1763 m、高程1743 m 處水平埋深分別為21 m、19 m。2#導流洞進口邊坡斷層Fs-1在高程1763 m、高程1743 m 處水平埋深分別為30 m、28 m，其地質構造同1#洞進口邊坡。

圖1 1#導流洞進口邊坡工程地質剖面圖(潛在不利組合模式)

2.3 實施中的邊坡穩定情況

(1)邊坡為順坡不利結構，穩定條件較差;Fs-1順坡斷層、層內擠壓破碎帶、中陡傾角巖層面的不利組合是控制邊坡穩定的控制性邊界;順坡切腳開挖是導致邊坡穩定性降低的主要原因。

(2)邊坡變形受層面或順層擠壓帶與陡傾角斷層的不利組合控制，施工過程中易發生平面蠕滑變形。

(3)結合工程開挖及變形監測資料分析，該邊坡隨著下挖坡高增大，加之切腳開挖，巖層與邊坡相交處臨空面增多，坡腳失去支撐性巖體，導致邊坡穩定性降低。2009年11月底，當邊坡挖至高程1743 m、2010年9～11月進行閘室開挖期間曾發生了兩次較為明顯的變形過程，尤以第一次為甚，與開挖爆破密切相關。第一次大變形產生后，對該邊坡采取了加固處理等一系列工程措施，確保了邊坡的穩定和施工的安全。

(4)在按照專家咨詢意見以及設計要求對邊坡進行加固處理后，通過施工中采取一定的施工技術手段進行控制，雖然在進行下部開挖時仍出現了變形，但在開挖結束后，邊坡變形趨于收斂，變形得以抑制，邊坡整體已處于基本穩定狀態，實現了安全施工，同時也滿足了工程的進度要求。

3 順向邊坡施工關鍵技術

3.1 小梯段微差爆破

3.1.1 主爆孔爆破的參數選擇

石方開挖之初根據爆破試驗結果選擇了合理的爆破參數。開挖過程中，根據爆破效果、地質情況變化、邊坡觀測成果及時調整了爆破參數。實施過程中優選的梯段爆破參數如下:

鉆孔直徑:90 mm

鉆孔間距:3 m

鉆孔排距:2 m

梯段高度:5 m

鉆孔深度:5～5.5 m

鉆孔角度:垂直

超鉆深度:0.5 m

裝藥結構:不偶合連續裝藥

堵塞長度:2 m

藥卷直徑:70 mm

單孔藥量:14～16 kg

炸藥單耗:0.4～0.45 kg/m3

3.1.2 爆破網絡及藥量控制

為控制單響藥量，起爆網絡采用孔內延期排間微差起爆，孔內采用非電毫秒雷管延期，最大單響藥量150 kg。為控制總藥量，一次爆破分區面積按200 m2、方量按1000 m3進行控制。實施過程中，盡管進口地質條件較差，且兩導流洞間距較小(間距20 m)，但進口大洞徑漸變段及閘室開挖過程中均未出現大的巖體垮塌現象，說明選取的爆破參數是合適的。

3.2 高邊坡預裂爆破

3.2.1 深孔預裂爆破的參數選擇

不耦合系數的選取:當藥卷直徑為d，孔徑為D 時，不耦合系數n=D/d。試驗表明:當n ＞1時，會降低孔壁所受的壓力。選取合適的n 值是預裂爆破的一個關鍵。水工建設經驗數據:n=2～4。根據現有設備的實際情況及炸藥品種，結合以往的施工經驗，藥卷采用φ321#巖石乳化藥卷，孔徑為90 mm，不耦合系數為2.8。試驗表明:孔徑為90 mm 時，n=2.8能取得良好的爆破效果。

孔距的選取:水工建設的經驗數據:a=(7～12)D。經試驗并結合鉆孔費用、預裂質量等因素確定孔徑為90 mm 的孔距為90 cm。線裝藥密度的選取:在選取n 值、a 值后，選擇恰當的△線尤為重要。根據巖石物理力學特性并參考已建工程的經驗數據，試驗采用的預裂爆破線裝藥密度為275～300 g/m，底部1 m 范圍內加大裝藥量為800～1000 g。按“試選參數”進行試驗，并對其結果實施宏觀觀測、微觀檢測，不斷調整，直至符合實際情況。預裂孔試驗參數詳見表1。

表1 猴子巖水電站導流洞進口預裂爆破初設參數表

3.2.2 深孔預裂爆破的實施

按設計確定的爆破參數每次試爆后，對其爆破后的外觀效果進行了檢查，檢查的主要內容有:預裂表面縫寬、開挖輪廓面殘留炮孔痕跡的分布和保存率、不平整度、炮孔壁是否有大量的爆破裂隙、保留巖體的破壞程度等。經檢查，預裂爆破效果較好，半孔率均在80%以上，爆破試驗段的半孔率為90%，取得了良好的經濟和社會效益。最終確定的中厚層～厚層狀灰巖區高陡順向邊坡經試驗取得的爆破參數如表2所示。

3.3 邊坡支護

表2 爆破參數設計表

3.3.1 支護設計

進口邊坡采用系統錨噴支護，支護參數如下:噴C25混凝土10 cm，掛φ6.5、15 cm×15 cm 的鋼筋網;系統錨桿φ32，L=9 m，間排距3 m，系統錨桿φ25，L=4.5 m，間排距3 m，兩種錨桿均呈梅花形交錯布置;每級馬道布置3排200 t(或150 t)預應力錨索，長45～55 m，間排距6 m，梅花形布置;排水孔為φ50，深5 m，間排距3 m。

3.3.2 支護施工

邊坡采用分層開挖、分層支護的方法，每5 m臺階邊坡開挖完成后，經監理驗收合格后即開始一般淺層噴錨支護，邊坡搭設5 m 高雙排腳手架。支護完成后拆除排架，進行下層5 m 高臺階開挖。在每一級馬道開挖完成后，重新搭設每級馬道的錨索施工排架(排架垂直高度約20 m)，進行深層的錨索支護施工。待深層錨索支護完成后進行下層邊坡開挖。

3.3.3 破碎巖層錨索施工技術

(1)錨索施工工藝流程。

錨孔定位編號——鉆機就位——造孔——遇破碎巖層——超前固結灌漿——待凝——重復鉆進至原孔深——造孔——遇破碎巖層——超前固結灌漿——待凝——重復鉆至原孔深——造孔——往復循環直至原孔深——達設計深度——清孔——錨索體制作——下錨——注漿——錨墩澆筑(待凝)——張拉——超張拉——封錨。

(2)錨索灌漿中采用的主要技術措施。

由于破碎地層經常為帶狀，故在破碎地層中進行錨索施工時，經常會出現造孔竄風、灌漿竄漿的現象。若在同一破碎帶內多孔道已安裝錨索并開始灌漿，竄漿如至錨固段則會堵塞內錨段灌漿管。既使未堵塞灌漿管，也會因有二次灌漿，錨固段水泥結石的強度將受到很大影響;孔內灌漿如竄至張拉段，則使預應力錨索錨固段增長而張拉段變短，都將使錨索降低或失去其應有的錨固力。

針對造孔竄風采取的技術處理措施:由于進口邊坡高陡，邊坡支護所采用的材料為兩臺小型纜車運輸。為加快進度，針對孔內竄風采用了3SNS 螺旋注漿泵灌注水灰比為0.4∶1的水泥漿進行孔內裂隙封閉，灌漿材料均設在無需二次轉運材料的臨時施工場地內，利用灌漿泵的壓力進行高邊坡錨索孔內灌漿。

針對灌漿竄漿采取的處理措施:對于無粘結錨索亦采用分段灌漿的方式，在錨固段設置止漿包，以保證錨固段的可靠性;對張拉段，采用PVC花管(每2～5 m 開一豁口，成梅花形布置)作為進漿管，根據現場實際采用間歇灌漿;對難以進行堵漏的錨索孔且不能改變漿液性質時，從改變灌漿工藝方面入手，采用分時段間隔灌漿:即在破碎地層先灌漿，待灌到一定時間或一定水泥量時停止，漿液初凝后將孔內裂隙閉合一部分，然后再灌注，依次重復，直到把孔內裂隙全部堵塞，并保證漿液灌滿。具體做法:在灌漿管底部按一定間隔割開幾個小豁口并用膠布纏住，纏膠布處受到一定壓力能壓破。第一次灌漿時，漿液從灌漿管底端流出，待漿液初凝時灌漿管底端被漿液堵塞，再次灌漿時，灌漿壓力將壓破灌漿管上纏膠布的豁口薄弱處，漿液從豁口處流出。依此類推，直到把空隙堵住，把孔灌滿。這樣灌漿僅需使用一根灌漿管，最終即可將孔灌滿且節約灌漿量。但是，灌漿時的控制須嚴格，灌漿時間也因此延長。

大耗灰量孔段的處理措施:由于在風化卸荷帶及塊碎裂結構的巖石內進行固結灌漿，其可灌性極強，因此，在灌漿過程中，應根據孔內漿液升壓情況決定采用限流或濃漿或間歇灌漿。當灌入水泥1.5～2 t 不起壓時，應立即采用濃漿、限流的辦法進行處理，限流量一般控制在60 L/min 左右;當灌入水泥4～5 t 仍不起壓時，則采用間歇灌漿的方式進行處理，間歇時間一般為30 min。

3.4 安全監測

3.4.1 監測布置

(1)變形監測。

①為監測邊坡開挖施工期間巖體的深層變形，監測設計圖布置了Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ3個多點位移計監測斷面，其中:Ⅰ-Ⅰ斷面位于邊坡上游側、Ⅱ-Ⅱ斷面對應2#導流洞進口軸線、Ⅲ-Ⅲ斷面對應1#導流洞進口軸線，3個監測斷面按不同高程共布置多點位移計11套。其中Ⅰ-Ⅰ斷面5套，Ⅱ-Ⅱ斷面3套，Ⅲ-Ⅲ斷面3套。

②為掌握邊坡開挖期間表面的變形情況，在邊坡頂部開口線附近區域1833～1846 m 高程布置了6個外部變形觀測點;在邊坡1763 m 高程馬道布置了3個外部變形觀測點。

(2)應力監測。

①按3個監測斷面布置的原則，在多點位移計部位同時布置了錨桿應力計組，以掌握邊坡各施工時段系統錨桿的支護強度及受力情況。

②在錨索支護區域，選取13束有代表性錨索安裝錨索測力計，用以掌握不同錨固區域的錨索力變化情況，以判斷邊坡錨固強度是否滿足邊坡穩定要求。

(3)臨時監測。

①考慮到1#、2#導流洞進口區域地質條件差，變形明顯，在1#、2#導流洞進口洞臉1724 m高程及中隔墩平臺區域臨時增設了外部變形觀測點3個，用以了解該區域后期開挖變形情況。

②在出現主要裂縫的部位，敷設砂漿條帶，了解裂縫后期發展情況。

3.4.2 監測措施的實施

(1)監測數據采集工作嚴格按規定的監測項目、測次和時間進行，并保證做到“4無”(即無缺測、無漏測、無不符合精度監測、無違時監測)。在出現異常數據時以及現場發生異常事故時根據實際情況適當調整監測測次，以保證監測資料的精度和連續性。

(2)根據施工進度和工程情況，不定期開展巡視檢查工作，以滿足工程要求。

①日常巡視檢查:應有專門記錄，發現問題及時上報監理人員，必要時附照片或簡圖。其檢查頻率為:施工期每周一次(與觀測同步進行);首次蓄水期每天一次;運行期至工程移交前每月兩次以上。

②年度巡視檢查:安排在每年汛期、汛后及高水位、低氣溫時進行，檢查結束向監理人員提交簡要報告，內容包括發現的問題和擬采取的措施。

③若遇特殊情況，如大暴雨、大洪水、汛期、地下水位長期持續較高、庫水位驟降、強地震以及建筑物出現異常或損壞等情況應進行特別巡視檢查。

(3)原始監測資料的整理和初步分析。

①隨時進行各監測物理量的計(換)算，填寫記錄表格，繪制監測物理量過程線圖或監測物理量與某些原因量的相關圖，檢查和判斷測值的變化趨勢。

②每次巡視檢查后，隨即對原始記錄(含影像資料)進行整理。巡視檢查的各種記錄、影像和報告等均按時間先后次序整理編排。

③根據所繪制圖表和有關資料及時作出初步分析，分析各監測物理量的變化規律和趨勢，判斷有無異常值。如有異常，需及時分析原因，先檢查計算有無錯誤和監測儀器有無故障，經多方比較判斷，若發現確有不正常現象或確認的異常值，立即口頭上報監理人，并在24 h 內提交書面報告。

3.5 加固措施

加固設計采用平面極限平衡下限解法計算。猴子巖水電站導流洞為3級臨時水工建筑物，根據《水電水利工程邊坡設計規范》(DL/T5353-2006)，導流洞進口邊坡為A 類(樞紐工程區邊坡)Ⅱ級邊坡。鑒于該邊坡距離大壩等樞紐永久建筑物較近，設計按B 類Ⅰ級邊坡對持久運行工況及偶然工況(地震、水位驟降等)進行復核，最終確定加固處理方案。

3.5.1 導流洞進口邊坡級別及抗滑穩定安全標準

猴子巖水電站導流洞為3級臨時水工建筑物，根據《水電水利工程邊坡設計規范》(DL5353-2006)，導流洞進口邊坡為A 類(樞紐工程區邊坡)Ⅱ級邊坡。邊坡最小抗滑穩定安全系數按該規范的相關規定取值，詳見表3。

表3 邊坡最小抗滑穩定安全系數表

3.5.2 邊坡加固處理方案

閘室向前平移5 m，1723 m 高程馬道增寬至7 m;1763 m 高程以下錨索加密為3 m×3 m，即每兩級馬道間布置6排，在1#、2#導流洞軸線兩側各15 m 范圍、高程1763～1723 m 邊坡錨索加密為3 m×3 m，即每兩級馬道間布置6排，將新增的162根錨索調整為3000 kN;1743 m 高程以下部分新增錨索錨墩間增設混凝土框格梁加強支護。在1#導流洞進口閘室下游側邊坡布置5排、共16根2000 kN 預應力錨索。

3.5.3 加固后邊坡監測情況

加固完成后，在2010年9～11月進行閘室開挖期間發生了一次較為明顯的變形過程，在爆破開挖完成、進水塔澆筑完成后進口邊坡監測觀測值逐漸趨穩，位移計測值已基本穩定，錨桿應力不大，大多在100 MPa 以內，錨索受力趨于平穩，進口邊坡處于穩定狀態。

4 結語

從猴子巖水電站導流洞進口邊坡開挖后揭示的地質條件看，該部位巖石為厚～薄層狀變質灰巖，順層擠壓破碎帶發育，層間粘結力弱，且巖體順坡傾角略小于設計開挖坡度，巖體為順坡向，巖體傾角為55°～70°，設計巖石開挖坡比為1∶0.3，傾角為73°，邊坡開挖后對上部巖石形成切腳現象，易產生順層滑移拉裂現象。由于邊坡不利的結構組合以及斷層的影響，施工期間，2009年11月底邊坡挖至高程1743 m、2010年9～11月閘室開挖期間曾發生兩次較為明顯的變形過程，尤以第一次為甚。同時，施工中受表層風化、巖體塊度以及軟弱結構面的影響，邊坡還產生了2次小規模的局部崩塌破壞。

雖然在導流洞進口邊坡施工過程中產生了一系列工程問題，但由于參建各方對邊坡工程安全問題的高度重視，能夠及時協商制定相應對策，商討確定邊坡綜合施工方案。通過施工中的嚴格實施，采取小梯段微差爆破、分層開挖、分層支護、邊坡預裂爆破、加密監測、及時支護等措施確保了工程安全和施工進度。工程實踐表明，順向邊坡開挖區的梯段開挖高度不宜過大(應控制在5 m 左右)，對于預裂爆破后的永久邊坡開挖出露應及時支護，對淺表層的支護應控制在7～10 d 方能夠在保證邊坡體型的同時有效控制順向邊坡的局部垮塌;深層支護應在下層馬道爆破開挖前完成。同時，實施中應高度重視邊坡的安全監測工作，在觀測儀器發生較大變化時，應及時對邊坡穩定性進行科學分析，加密監測，針對監測情況有針對性地采取相應的邊坡加固工程措施，避免發生邊坡垮塌等災難性事故。通過筆者的介紹，其目的是為中厚層～厚層狀灰巖區高陡順向邊坡施工提供參考，為同類工程的高邊坡施工提供依據，同時，促進順向高陡邊坡施工技術的發展。