錦屏一級水電站大壩左岸高邊坡安全開挖技術

喬介平，殷本林

(1.雅礱江流域水電開發有限公司，四川成都610051;2中國水利水電第七工程局有限公司第二分局，四川成都 611730)

1 概述

錦屏一級水電站大壩左岸復雜的地質條件給邊坡開挖帶來了前所未有的難度和挑戰，其地質條件之復雜、錨固工程規模之大、復雜程度之高為國內外水電工程所罕見。錦屏一級水電站大壩左岸邊坡巖體受地質構造作用影響強烈，巖體內斷層、層間擠壓錯動帶、節理裂隙發育，左壩肩及抗力體范圍內發育有f5、f8、f42-9斷層及煌斑巖脈、深部裂縫。如何保證邊坡開挖施工期的安全穩定問題是工程面臨的最大難題之一。

從分析施工期影響邊坡穩定因素入手，制定了邊坡穩定控制對策，創新地采取了結構面斷層置換錨固、控制性分級開挖支護和分級預警等動態施工技術，有效地解決了復雜地質條件下高陡邊坡開挖安全穩定問題。所取得的技術成果和經驗，可為國內類似高拱壩施工提供借鑒和指導。

2 工程基本情況

錦屏一級水電站拱壩壩高305 m，為世界第一高拱壩，壩址區為典型的深切河谷，左岸壩肩自然邊坡坡高超過1000 m，開挖后壩肩從2120 m高程至1580 m 高程形成540 m 的高邊坡，開挖方量達550萬m3。左岸開挖邊坡的巖性主要為大理巖，該邊坡斷層、裂縫發育，地質條件復雜，是目前水電工程開挖高度最高、規模最大、穩定條件最差的邊坡之一。大壩左岸邊坡開挖設計情況見圖1。

圖1 錦屏一級水電站左岸邊坡開挖設計圖

2.1 地貌與巖性特征

左岸壩肩及高程1885 m 以上的邊坡為典型的反向坡，巖層走向與谷坡走向基本一致，傾向坡里。高程1800 m 以上由砂板巖組成;高程1800 m 以下由大理巖組成。在微地貌上，高程1750 m以上梁溝相間，Ⅱ、Ⅴ勘探線為相對突出的山梁，其間為槽谷狀地形。

2.2 主要結構面工程地質特征

左岸壩肩及高程1885 m 以上邊坡巖體中發育的斷層有f5、f8、f42-9等，這些結構面延伸長度大，具有一定寬度的破碎帶和影響帶，帶內物質力學性質差，往往構成控制邊坡變形和滑動破壞的邊界。左岸邊坡開挖揭露的主要結構面見圖2。對錦屏一級水電站大壩左岸高邊坡影響最大的主要斷層和結構面有:

(1)f5斷層:貫穿分布于左壩肩巖體內，在砂板巖中破碎帶寬度一般為4～8 m;在大理巖中，破碎帶一般寬1～3 m，沿斷面局部有2～3 cm 的斷層泥。

(2)f8斷層:位于f5斷層外側，基本平行f5斷層延伸，由構造角礫巖、糜棱巖、斷層泥組成。在砂板巖中，f5、f8斷層之間形成了寬10～20 m的破碎帶和影響帶，構成了控制左岸壩肩邊坡巖體變形拉裂和可能失穩破壞的重要切割邊界。

(3)f42-9斷層:產狀近EW S∠40°～60°，該方向斷層集中發育在砂板巖中，成組出現，其中f42-9斷層規模相對較大，破碎帶寬度一般為20～40 cm，局部可達100 cm，主要由散體結構的巖屑、角礫及泥質物質組成。該組斷層傾向上游偏坡外，構成了控制坡體變形失穩的主要地質邊界。

(4)煌斑巖脈(X):一般寬約2～3 m，產狀N60°～80°E SE∠70°～80°。在構造改變過程中與圍巖接觸面多發育成小斷層，因此，陡傾坡外的煌斑巖脈構成了控制邊坡變形穩定的重要地質邊界。

圖2 左岸邊坡開挖揭露的主要結構面示意圖

3 對影響工程安全穩定的關鍵因素進行分析

(1)通過地質評價并采用多種方法進行分析論證后認為:左岸壩肩天然邊坡是基本穩定的;

(2)對左岸邊坡整體穩定性起控制作用的主要結構面為f5、f8、f42-9斷層、X 煌斑巖脈及深部裂縫等特定結構面。上述結構面空間組合可形成多種滑移模式，其中拱肩槽開挖后出露的f42-9斷層是控制左岸拱肩槽開挖邊坡整體穩定性的關鍵因素。

(3)對施工期的穩定性分析結果表明:左岸邊坡在高程2110 m 至1885 m 的開挖階段，為邊坡減載的過程，邊坡穩定性有一定提高。在高程1885 m 至以下的開挖階段，由于潛在滑體前沿剪出口的阻滑區巖體被挖除，開挖邊坡的穩定性明顯降低。最終經采用綜合加固措施，即錨索+錨固洞+抗剪洞+隨機錨桿的加固處理，提高了邊坡的穩定性，達到了設計要求。

(4)左岸高程1960 m 以上邊坡為傾倒變形巖體。受傾倒變形巖體的影響，該區域已經形成了由陡傾拉裂面構成的后緣面，穩定控制模式為剪斷傾倒破壞巖體的滑動破壞。

(5)根據邊坡開挖施工動態反饋分析成果得知，當邊坡開挖至高程1885 m 時，高程1885 m平臺巖體在開挖卸載作用下向臨空面卸荷回彈，高程1885 m 上部巖體沿已有的斷層、巖脈以及多條深部裂縫產生松弛或張開并產生往下的剪切滑移變形。由于開挖邊坡高度較高，巖體開挖卸荷作用較強烈，卸荷范圍較大，需重點對f42-9斷層的加固方案和時機進行重點研究。

(6)潛在失穩塊體組合多，潛在滑出面密集，分布平面和高程范圍大，在空間上具有很強的復雜性。從開挖過程穩定性分析成果可以看出，錦屏一級水電站大壩左岸邊坡開挖過程中潛在失穩的塊體主要分布在高程1750 m 以上，以潛在滑出面密集，基本覆蓋了高程1750 m 以上的整個邊坡。

(7)隨著開挖的不斷進行，潛在失穩塊體不斷變化，呈現出隨開挖時間的動態變化。隨著開挖和支護措施的不斷進行，最危險局部塊體逐漸變化，從最初的最危險塊體f8+層面到開挖至高程1885 m 時的f5+層面，最后到開挖支護完成時的f5+f8+層面組合危險塊體。可以說，局部塊體穩定性問題在不斷地變化，因此，要特別注意對可能出現的邊坡局部穩定性問題進行及時處理。

(8)降雨對邊坡穩定的影響比較明顯。在降雨入滲的作用下，邊坡內部的孔隙水壓力增大，同時斷層結構面抗剪強度降低，造成局部塊體的穩定性顯著下降。特別是在暴雨工況下，邊坡的安全系數下降非常迅速。

4 對邊坡開挖穩定控制采取的施工對策

從錦屏一級水電站左岸邊坡的工程地質條件、可能變形的失穩模式和施工期穩定性分析成果可以看出:左岸高邊坡的穩定性問題復雜，潛在失穩塊體分布多且影響范圍廣，隨著開挖施工的進行，潛在失穩塊體不斷變化。

(1)通過勘探及施工開挖揭露以及穩定分析成果得知:左岸壩肩邊坡的可能失穩模式主要是由煌斑巖脈、f42-9斷層、SL44-1深部裂隙等邊界組成的控制性“大塊體”整體滑動問題;f42-9、SL44-1上盤巖體內與其平行的其它結構面形成相對較小的塊體的局部滑動問題以及由隨機裂隙組成的“小塊體”滑動問題。根據巖體失穩的不同特征和分析成果，在f42-9斷層上設置了抗剪洞以增加抗滑力，以系統錨桿和錨索為主對局部結構面組合的小型塊體進行加固。

(2)為了保證開挖開口線以上的邊坡穩定和開口線以下邊坡的施工安全，先安排進行開口線以外的邊坡處理和加固施工，采取清除危石、挖前錨噴、漿砌石擋護、鋼欄、柔性防護網(如鋼絲網)等處理措施。

(3)針對錦屏一級水電站左岸邊坡工程的地質條件、邊坡穩定性及加固措施要求，借鑒和吸取國內外類似工程的成功施工經驗，形成了一套本工程切實可行的各類邊坡開挖支護的施工程序和相應的施工措施。

對于高邊坡的開挖支護施工，嚴格控制開挖爆破，加強支護措施，尤其是對邊坡開口線下部的3～4層臺階的開挖支護施工。

對于大壩壩肩及纜機平臺邊坡的開挖及支護，施工單位采用“隨機支護→錨索→系統錨噴支護”的施工順序，各層的開挖支護應遵循:首先，將每層工作面出現的危石及時清除干凈，并配置性能好、效率高的鉆錨設備，對不穩定巖體采用蹬渣作業進行隨機支護;其次，在每層梯段出渣完成后，優先安排工作面錨索施工，施工預案可以考慮滯后開挖面一個梯段;最后進行系統支護，預案可考慮滯后開挖面兩個梯段。

(4)鑒于爆破能量、結構的響應程度對爆破的振動標準都會產生影響，且爆破振動在一定的高程范圍存在放大效應，因此，有必要開展現場爆破試驗，制定合理的爆破振動控制標準和爆破振動控制措施。

(5)加強邊坡工程施工期的安全監測工作，同時，應重視施工期工作面的巡視檢查(特別是在雨季施工)，尤其是對左岸壩肩f42-9的安全監測工作，以便及早發現邊坡開挖施工中的安全隱患并及時進行加固處理。開展施工期的爆破振動跟蹤監測工作，及時反饋信息，優化調整爆破設計。

5 復雜地質條件下的邊坡開挖動態施工技術

5.1 結構面（斷層）置換錨固

(1)主要結構面f42-9斷層的置換錨固。

f42-9斷層的加固措施為抗剪洞置換加固。順f42-9走向布置抗剪洞，對f42-9斷層進行置換處理，增加結構面的抗剪作用。抗剪洞布置在高程1883 m、1860 m 及1834 m 三個高程，均采用9 m×10 m 的斷面。抗剪洞及鍵槽周圍設置一定深度的固結灌漿(圖3)。

圖3 1883 m 高程f42-9斷層抗剪洞平面布置示意圖

(2)主要結構面f5斷層的置換錨固。

左岸墊座后坡的f5斷層位于永久邊坡相交面，對其采取開挖、支護、混凝土回填和灌漿方式進行處理，處理高程范圍為1885～1850 m，處理寬度3～10 m，深5～8 m 墊座后坡f5斷層置換情況見圖4。

(3)主要結構面f2斷層的置換錨固。

大壩左岸建基面f2斷層及擠壓帶處理范圍位于左岸拱肩槽。處理方式采用開挖刻槽、混凝土置換，處理高程范圍為1647～1686.37 m，開挖刻槽寬度為13.5～16 m。

(4)結構面(斷層)處理效果。

結合邊坡開挖過程中斷層處理的實際進展情況，在邊坡開挖至1885 m 高程時，對左岸邊坡的整體穩定性及時進行了數值模擬分析，對主要邊坡穩定性進行了復核，對所完成的主要結構面(斷層)置換錨固后邊坡下挖過程中的穩定性狀況進行了反饋分析。

經計算，對結構面(斷層)采取置換錨固處理后，大壩左岸邊坡塊體的穩定性計算結果見表1。

表1 斷層置換和加固后邊坡塊體穩定性計算結果表

5.2 控制性分級開挖支護

5.2.1 開挖及支護程序

(1)邊坡開挖支護的總體程序。

場地清理→邊坡開挖→坡面清理→地質編錄→坡面錨噴支護→坡面排水孔。開挖邊坡的支護在分層開挖中逐層進行。

(2)開挖分層高度控制。

大壩左岸邊坡高程1885～1730 m 區間每層開挖高度為7.5 m，高程1730 m 以下邊坡開挖每層開挖高度為10～15 m。

圖4 左岸墊座后坡f5斷層置換平面位置圖

表2 左岸邊坡開挖錨索支護與開挖高程對應關系表

(3)支護與開挖面高差控制。

邊坡高程1885～1730 m 區間的系統支護(除錨索)與開挖工作面高差不大于7.5 m，預應力錨索與開挖工作面高差不大于15 m，高程1730 m 以下邊坡系統支護(除錨索)與開挖工作面高差不大于15 m，預應力錨索與開挖工作面高差不大于30 m。

(4)邊坡開挖坡與洞的施工程序。

在大壩左岸邊坡開挖中，優先采用先洞后坡的施工程序。開挖中遇到出露洞室時，優先對洞室進行開挖、支護、襯砌及回填灌漿。

5.2.2 控制性分級開挖支護動態過程

針對邊坡開挖施工的實際情況，在現場施工過程中，將大面的錨索支護與開挖面的高差大體控制在30 m 左右。

我們對左岸邊坡開挖和支護過程進行了統計，按照9個開挖程序統計的大面錨索支護與開挖高程的對應關系如表2所示。各施工區開挖與大面錨索支護的相對高差平均值分別為25 m、32 m 和29 m，平均高差約29 m;在各施工區開挖過程中，錨索大面支護一般滯后15～30 m，極少數局部區域超過30 m。

5.2.3 控制性分級開挖支護效果

(1)邊坡大面錨索支護與開挖面維持30 m左右高差;從多角度、多途徑開展工作，總結并得出了適合錦屏一級水電站左岸邊坡復雜地質條件下深孔、大噸位預應力錨索快速施工工藝和方法，進而保證了支護及時跟進。

(2)根據開挖邊坡可能的滑移破壞模式進行了動態分析，組織優勢資源，開展了有針對性的重點支護加固。例如，針對某一高程范圍局部塊體楔形體破壞的2級破壞模式，根據分級支護措施要求，采取液壓錨固鉆機在施工平臺上逐層進行錨索孔造孔作業，并組織輕型錨固鉆機對楔形體分布區域進行重點的錨索支護作業，該高程范圍其他區域的錨索支護可以略為放緩，以保證邊坡的局部穩定和正常下挖。

(3)根據對破壞模式進行的動態分析，對不同區域出現的各類破壞模式在工程措施上要區別對待。在1885 m 高程以上，以2級破壞模式為主，采取了針對塊體失穩的錨索支護措施;而在1885 m 高程以下，以3～4級破壞模式為主，注重了噴錨支護的及時性，并且針對斷層出露部位，注意及時封閉和采取特殊的開挖方式;在邊坡開口線邊緣，危巖體傾倒滑塌破壞模式居多，此時，組織人員設備及時進行清除，以消除安全隱患。

在錦屏一級水電站左岸邊坡開挖施工過程中，施工單位結合認真細致的現場地質工作，建立了暢通、快速的信息反饋機制，制定了從整體到局部，再到重點的多層次邊坡分級支護方案，保證了邊坡施工期的整體和局部穩定，同時，邊坡開挖程序的優化也在很大程度上加快了施工進度。

5.3 分級預警動態控制

筆者根據多點位移計監測到的變形數據，對邊坡變形與開挖過程的關系進行了分析，并通過深部監測數據，選取PD42平硐內谷幅測點的累積變形數據，就開挖過程對邊坡變形的影響進行了分析。

谷幅監測PD42～PD21測線各測段變形過程曲線見圖5。PD42平硐0+78范圍內的谷幅測點變形主要反映了邊坡開挖后巖體產生橫河向的卸荷變形，與開挖過程線有較好的相關性。在2007年10月5日～12月31日期間，施工Ⅲ區的開挖基本處于停滯狀態，開挖方量很小，因此，谷幅測點PD42-2的變形很小，監測值為1.76 mm。2008年1月份以后，邊坡開挖強度加大。由于開挖的擾動，巖體產生了卸荷變形，測點變形繼續增加。

圖5 谷幅監測PD42～PD21測線各測段變形過程曲線

多點位移計、谷幅監測反映的邊坡淺表部和深部變形數據表明:(1)邊坡變形與開挖過程有著密切的聯系。當開挖強度較大時，邊坡變形量的增加明顯;而當開挖停滯時，特定區域內的邊坡變形會顯著減小。(2)支護措施的及時跟進對邊坡變形的控制作用也非常明顯。當開挖邊坡采取錨索等支護措施后，相應的上部多點位移計測點的變形數據增長幅度會放緩。

因此，當邊坡變形出現異常、變形速率明顯加快時，可以采取停止開挖、及時加強支護的措施。

根據錦屏一級水電站左岸邊坡實際開挖過程中出現的邊坡變形速率變化規律以及測值水平，在該工程中采取了如表3所示的警戒級別進行指標判定和預警，再將其實際運用于錦屏一級水電站邊坡開挖過程中，共計發出二級警戒8次，一級警戒10次。我們特別針對錦屏一級水電站邊坡特點，對潛在局部不穩定塊體和雨季開挖施工進行了重點分析和預警工作。

6 結語

表3 錦屏一級水電站左岸邊坡開挖施工建議警戒等級及判定指標表

通過對錦屏一級水電站左岸高邊坡施工過程中存在的安全穩定性問題進行分析，采用結構面(斷層)置換錨固、控制性分級開挖支護和分級預警等動態施工技術并確保了左岸邊坡安全穩定并得到了以下主要結論:

(1)左岸邊坡主要結構面(斷層)性狀差，產生破壞的后果極其嚴重。綜合考慮了施工期的邊坡穩定與左岸整體邊坡穩定性的關系，采取了布置抗剪洞、斷層置換等抗滑穩定措施，通過數據演算和監測，證明該方案有效地改善了左岸邊坡在施工期的安全穩定條件。

(2)根據開挖揭示的工程地質情況和邊坡可能的潛移破壞模式分析，制定了錦屏一級水電站大壩左岸邊坡開挖施工過程中的穩定性分級控制工程措施。在開挖過程中，對所涉及的可能失穩的部位，開展了有針對性的重點支護，實施了“整體、局部、重點部位”相協調的高邊坡“多層次分級、多形式組合”的支護方案，錦屏一級水電站大壩左岸邊坡開挖的實踐證明:采取控制性分級開挖支護，有效地解決了潛在失穩巖體造成的邊坡穩定影響。

(3)根據對錦屏一級水電站大壩左岸邊坡實際開挖過程中出現的邊坡變形速率的變化規律進行分析，采取了三級警戒等級劃分與指標判定和預警，并將其實際運用在左岸邊坡開挖支護過程中，共發出二級警戒8次，一級警戒10次，有效地提高了邊坡開挖失穩風險的防控水平，保證了左岸邊坡施工的安全穩定。

［1］胡厚田.邊坡地質災害的預測預報［M］.成都:西南交通大學出版社，2001.