銅場水庫進場道路高陡邊坡現狀及處理設計

董秀斌

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

銅場水庫水利樞紐工程位于新疆阿克蘇地區庫車縣境內，庫車河中游河段尾部，壩址南距庫車縣城約25 km[1]。工程防洪保護庫車縣城鎮及城東工業區，保護和灌溉農田2472 hm2。位于干流出口處的銅場水庫工程，是庫車河的防洪控制性工程。銅場水庫在汛期調節洪水、儲蓄水源，在枯水期開閘放水，是庫車河流域最重要的水源補給點，保障流域居民和企業的日常飲用。然而，銅場水庫工程區位于南天山地震帶東段，屬強震活動區。壩址區曾經受過多次強震的影響，大壩左壩肩壩頂巖層傾向岸里，基巖裸露，坡面局部散落有崩坡積物，結構松散具有架空現象。永久進場道路基本位于峽谷段內，兩岸山體高陡，與路面高差200～250 m，水庫運行過程中，遇降雨、大風天氣及地震等情況引起近壩岸坡及進場道路岸坡泥石流及山體局部塌方發生，造成高陡邊坡山體塌方以及永久進場道路被堵塞。截至2019年1月，大壩左岸壩肩及進場道路邊坡山體塌方10余次，因此，治理銅場水庫進場道路的“高陡邊坡”已經迫在眉睫。

1 進場道路高陡邊坡現狀

1.1 邊坡巖石特性

進場道路山體坡高約240 m，自泄洪(導流)洞洞口至下游壩坡腳長約450 m，基巖巖性為第三系中—上新統(N1-2 k3)中厚層砂巖與泥質粉細砂巖、泥巖互層，岸坡走向40°，與巖層走向斜交交角60°，傾向下游偏向岸內，總體穩定性較好。高程1440 m以上總體坡度70°，1440 m以下坡度40°。在邊坡高程1330 m以上的巖石，一是基巖裸露，局部基巖存在裂隙，平行岸坡的張性結構面形成卸荷崩塌；二是局部基巖直立，砂巖的抗風化能力較強，粉砂質泥巖易被風化剝蝕，突出的砂巖形成直立岸坡或倒坡，且基巖風化裂隙發育，節理與巖層面及邊坡組合形成菱形小塊體，易產生掉塊；三是左壩肩局部坡面及沖洪溝分布有呈條帶狀的崩坡積物及全風化巖體，結構松散具有架空現象，碎塊石很容易產生塌落，崩坡積物厚0.5～6.0 m，部分被小沖溝剝蝕，基巖裸露。

1.2 設施老化及極端天氣

銅場水庫樞紐于2011年主體工程完工，已經蓄水試運行近8年。但存在問題，一是進場道路邊坡左岸灌漿平硐、表孔泄洪洞、泄洪(導流)洞進口上部高程1334～1350 m、長240 m左右的大部分邊坡噴錨支護銹蝕、風蝕、雨水侵蝕、鹽類侵蝕破壞，部分邊坡噴錨支護被落石砸壞，已經失去邊坡防護作用。二是進場道路邊坡高陡，坡面散布崩坡積物，局部小洪溝，遇強降水、大風天氣及地震情況，近壩岸坡有泥石流及山體局部塌方發生，危及左岸泄洪(導流)洞、表孔泄洪洞進口、閘房防護設施的安全，造成壩頂左岸部分設施和下游壩坡不同程度的損壞以及進場道路被永久堵塞。2016年8月25日銅場水庫庫區連續出現強降雨天氣，部分山體塌方，進場道路發生山體落石，道路完全封堵，無法進入壩區，如圖1所示。落石近150 m3，險情發生以后，管理站和施工隊伍經過兩天時間，清理完成進場道路路面落石。

圖1 進場道路發生山體落石，造成道路封堵(2016年8月25日降雨)

2 邊坡處理原則及等級劃分

公路右岸有較多的崩坡積物，局部有小的洪溝，寬1～2 m，右岸山體高陡，與路面高差200～250 m，受降雨、大風天氣影響，進場道路山體邊坡多次發生泥石流、落石、塌方。根據現場調查，強降雨后路面淤積物平均厚度達0.5～1.0 m，給銅場水庫運行管理帶來嚴重影響。因此，根據《水利水電工程邊坡設計規范》(SL 386—2007)[2]，確定進場道路高陡邊坡危害程度屬不嚴重，級別為4級。

邊坡處理的方法應滿足以下要求：(1)考慮工程投資及后期工程運行對進場道路右岸高陡邊坡進行安全防護處理，采取永久和臨時支護相結合的處理措施，一定程度上提高大壩運行及管理人員的安全系數。當遇到極端工況(如強降雨、大風、地震工況)時，運行管理人員應加強對高陡邊坡的視頻監控，禁止進入場區巡視。(2)邊坡治理工程應全面分析當地的巖土及地基地質條件、水文及氣候因素、現場施工情況等，統籌邊坡治理全局，根據進場道路的高陡邊坡的實際情況，采取合理的工程措施，同時把生態建設也納入工程治理中。

3 進場道路邊坡處理設計分析

3.1 危巖清除

現狀道路邊坡堆積若干小型孤石、塊石，其穩定性差，且具備人工清除條件，清危石方總量約為4785 m3。進場道路部分段典型危石如圖2所示。

圖2 進場道路部分段典型危石

3.2 主動防護系統設計

主動防護系統常用于坡面崩塌、危巖、落石、風化剝落、溜坍、溜滑或塌落類地質災害加固防護，其明顯特征是采用系統錨桿固定，并根據柔性網的不同，分別通過支撐繩和縫合張拉(鋼絲繩網和鋼絲格柵)或預應力錨桿(TECCO-65格柵)來對柔性網部分實現預張[3]，從而對整個邊坡形成連續支撐，其預張拉作業使系統盡可能緊貼面并形成了抑制局部巖土體移動或在發生局部位移或破壞后將其裹縛(滯留)原位附近的預應力，從而實現其主動防護(加固)功能。

3.3 落石相關計算

落石的計算主要包括以下幾方面：一是滾落速度計算，應按最高坡段的坡度計算最大滾落速度；二是落石的騰躍計算，應先確定石塊運動軌跡，然后計算石塊運動軌跡與山坡面的最大偏離，從而確定攔截建筑物的高度和建筑物與山坡坡腳之間的最小距離，三是落石撞擊能量計算，由落石滾動的運動能與滾動能組成。因此，根據已知參數，假設落石體積0.5 m3，落石質量1350 kg，崩塌落石計算結果如表1所示。

表1 崩塌落石撞擊能量計算結果

由表1可知，危巖及危石崩落過程中，在坡面上進行彈跳、滾動，且由坡頂崩落于坡腳的最大速度V為18.74 m/s，最大沖擊動能E為284.3 kN·m，落石最大騰越高度2.11 m。

3.4 被動防護系統設計

被動邊坡防護網是一種安裝在山坡腳下的一種高強度抗沖擊力的鋼絲繩網，與傳統剛性結構的防護網不同，被動防護網能夠有效吸收和分散撞擊落石的滾動能，其柔性高，強度大，不易受多次沖擊而破壞。雖然被動邊坡防護網能在一定程度上對落石的進行有效攔截，但防護網也有可能發生局部變形或局部破壞。因此，由于本次設計項目現狀邊坡實際情況較復雜，下部土質邊坡由崩坡積物(多含塊石，降水期間會攜帶而下)組成，上部巖體隨著時間推移還在不斷風化，邊坡落石的不確定性因素較多，以及從邊坡現狀條件分析、道路運行安全、投資等方面綜合考慮，被動防護網預留一定的安全儲備，依據國鐵科法[2019]36號要求應根據工作區崩塌邊坡特征及防治目標，本次統一選用型號為RXI-075型的被動柔性防護網，其承受最大撞擊能達750 kJ。根據現場勘查，高陡邊坡上的巖石主要以滾落為主，到達坡腳的落石飛濺高度不超過3.0 m, 且不會出現較大的彈跳因此進場道路選擇防護網的高度為3.0 m，即可承受邊坡落石的沖擊。另外，防護網的設計還包括對防護網中鋼柱、柔性錨桿、基座、連接桿、支撐繩、減壓環等的選型計算，以保證被動防護網的強度和剛度不會被進場道路邊坡落石所破壞。

3.5 進場道路邊坡分段防護設計

進場道路全長3.47 km，不同路段進場道路的土質結構、邊坡的坡度、落石的結構分布及滾動能大小都不一樣，不能把進場道路全線都采用統一的邊坡防護形式，應該結合各路段邊坡特點，采用不同強度的防護網進行分段布置，最大化的提高防護網的利用效率，保證達到最優的技術和經濟效果。結合銅場水庫進場道路全線邊坡實際情況，分段設計邊坡防護處理方式，如表2所示。

表2 進場道路不通路段邊坡結構及對應防護形式

擋土墻沿線每隔8 m需設置排水通道，通道底寬0.3 m，深1.0 m，邊坡1∶0.5。針對現場調查的泥石流溝的寬度，間斷布置擋土墻，預留泥石流通道。

4 結 語

銅場水庫工程在調控流域水資源方面起到舉足輕重的作用，從根本上解決了天然來水和灌區流域用水之間的矛盾，有效地改善了當地的生態環境。進場道路作為進出庫車水庫的唯一道路，它的安全穩定和暢通運行，可保證國家重要交通路段和庫車水庫物資設備供給，也是促進當地居民經濟發展的重要方式，同時加快了當地農民的脫貧進程，符合新時代決戰決勝脫貧攻堅工作的要求。