巴塘水電站引水系統邊坡動態設計與施工

庹 曉 軍， 古 小 夢

(華電金沙江上游水電開發有限公司巴塘分公司，四川 成都 610041)

1 概 述

巴塘水電站引水發電系統位于象鼻山“鼻尖”端部，三面臨空，邊坡高度超過200m。巴塘水電站樞紐區位于雄松蘇洼龍及巴塘斷裂夾持的三角形地帶，斷裂構造發育，地震烈度高，基本烈度為Ⅷ度；河谷兩岸邊坡巖體風化、卸荷強烈，尤其是金沙江左岸與巴楚河形成的條形山脊部位兩側巖體普遍存在傾倒變形現象，巖體完整性差。

引水發電系統邊坡面臨著地質條件復雜，開挖支護上下交叉干擾大，錨索成孔難，工期緊等難題。建設單位根據跟蹤實際調查揭露的地質條件進行動態設計，采取分層錯臺開挖支護工藝、錨索跟管固壁造孔等技術措施，分析研究解決了進度慢、干擾大、成孔難等問題，快速進行邊坡支護，使工程的順利推進得到保障。

2 邊坡動態設計

2.1 引水發電系統基本地質條件

2.1.1 引水系統邊坡

開挖將產生側向人工高邊坡，高度最高217 m，位于引水明渠部位，由于引水系統開挖邊坡規模大，開挖邊坡產狀將其分為：

(1)引渠進口邊坡，產狀NW300°SW∠63°；

(2)進水口段邊坡，產狀NW344°SW∠63°；

(3)壓力鋼管段邊坡，產狀NW305°SW∠63°；

(4)廠房及安裝邊坡，產狀NW274°SW∠63°。引水系統區邊坡分段平面見圖1。

圖1 引水系統區邊坡分段平面

2.1.2 優勢結構面

廠房區邊坡除發育有f4、f5、f11、f12、f13等斷層外，巖體中節理裂隙較發育。其優勢結構面有4組，分別為：

(1)NE30°～83°NW∠70°～90°；

(2)NE20°～90°SE∠62°～90°；

(3)NW270°～NE90°NE(NW)∠0°～35°，；

(4)NW345°～NE30°SW(NW)∠45°～85°。

2.1.3 結構面組合情況

從開挖邊坡與各組結構面組合情況看，邊坡不存在整體穩定或深層抗滑穩定問題，但淺層松弛，局部塊體垮塌仍有可能發生。邊坡中第一臺階底部的f36規模較大，性狀較差，會產生壓縮變形，導致上部坡體拉裂變形，對邊坡變形穩定不利。

2.2 系統支護設計

巴塘水電站工程規模為二等大(Ⅱ)型工程，擋水建筑物、泄水建筑物及引水發電建筑物等主要建筑物為Ⅱ級，次要建筑物為Ⅲ級。依據電力行業標準DL/T5353—2006《水電水利工程邊坡設計規范》，引水發電系統邊坡為A類樞紐工程區邊坡，邊坡設計級別為Ⅱ級。

壩址區兩岸地形陡峻，受邊坡風化、卸荷等地質條件的影響，邊坡表層巖體破碎，多呈碎裂-散體結構，壩址右岸有雄松-蘇洼龍斷裂帶經過，左岸有f11斷層(雄松-蘇洼龍斷裂的分支)通過，因此，邊坡支護措施需重點研究。其中左岸引水系統邊坡高超過200 m，巖體破碎，邊坡開挖、支護難度較大，尤其是錨索、錨筋樁、錨桿等施工是本工程的一個難點。

引水系統邊坡巖體風化、卸荷及傾倒變形強烈，邊坡中上部強風化、卸荷、變形巖體切腳開挖后自穩條件較差，易發生滑移破壞。因此，擬定的邊坡系統支護措施為全坡面進行掛網噴護。永久巖坡采用掛網噴混凝土(噴混凝土C20，厚15 cm，掛網Ф6.5@20 cm×20 cm)及錨桿(Ф25/Ф28，長4.5 m/6 m，間排距2 m×2 m)聯合支護，弱風化部位馬道下部設兩排鎖口錨桿(Ф28，長9 m，間排距2 m×2 m)，強風化部位馬道設兩排鎖口錨筋樁(3Ф28，長9 m，間排距3 m×3 m)，局部采用系統錨索(1 000 kN級，長35 m/45 m)+網格梁進行支護。全坡面布置Ф100排水孔，間排距3 m×3 m，孔深5 m。

2.3 動態開挖支護設計

引水發電系統邊坡原支護方案主要基于招標階段的地質資料，進行全坡面掛網噴護，并根據巖體類別采取針對性的支護方案，Ⅳ級巖體為預應力錨索+錨筋樁+框格梁，Ⅲ級巖體為預應力錨索+錨筋樁。

由于引水發電系統邊坡地質條件復雜，僅僅依靠前期的地勘資料，難以反應邊坡的實際變形破壞趨勢，為使治理方案更加具有針對性，在引水發電系統邊坡開挖施工過程中，緊密結合地質、設計、施工、監測四個方面，采用了多專業協同的動態設計[1]。隨著邊坡施工開挖的進行，設計工程師密切跟蹤邊坡施工現場條件變化，及時掌握邊坡實際開挖揭露地質情況，以及邊坡施工期安全監測系統[2]反饋信息，適時對當前開挖邊坡的穩定狀態進行復核分析，并據此對邊坡支護設計參數進行修正，同時，對下一級邊坡開挖的穩定性進行預測[3]。

根據實際揭露的地質情況，調整覆蓋層和強風化巖體區域開挖坡比，分別由1∶0.75調整至1∶1.5和1∶0.8，同時在裂隙較發育的Ⅲ級巖體區域增加框格梁，以發揮預應力錨索的協同支護作用，對于局部變形較大或巖體破碎區域，采用了錨拉板支護措施。通過動態支護設計，相比于原設計方案，邊坡安全性進一步提升，使施工及運行期邊坡的安全得到了保障。此外，對于巖石條件較好的進水口段邊坡，經過動態計算分析，取消掉部分預應力錨索及框格梁，也使邊坡的支護措施更加經濟合理。

3 快速支護施工

3.1 施工程序

引水發電系統邊坡開挖后最大高度約200 m，引水發電系統邊坡各類錨桿總計16 800根，錨筋樁4 042束，預應力錨索2 419束，噴護混凝土16 050 m3。各種支護工程量大，施工強度高，各工序之間相互制約、相互干擾大。為確保施工進度和邊坡穩定，開挖施工安排時要從施工總體出發，兼顧支護施工，使整個工程項目施工均衡合理地進行，因此，開挖與支護施工布置是一個重點。

為使引水發電系統邊坡開挖支護有序開展，根據本工程的特點、施工道路及現場條件，結合施工總進度計劃，邊坡開挖及支護工程施工順序，按“自上而下、分區、分層開挖”的原則進行邊坡開挖支護施工，邊坡開挖采用預裂爆破，分層高度一般為3 m，水平建基面以上預留2～3.0 m保護層。

3.2 優化施工方案及工藝

全面支護施工以前，開展錨索施工工藝試驗，選定合適的施工機具和施工工藝，確定優質快速的錨索鉆孔成孔方法[2]，確保施工質量和工程進度。

3.2.1 現場進行技術分析和動態設計

(1)根據現場開挖揭示的地質情況，復核邊坡失穩模式以及斷裂破碎帶的影響，復核錨索的深度及噸位，復核順層邊坡穩定性及支護方案；

(2)根據現場錨索張拉時錨墩沉降變形情況，復核調整錨墩尺寸，針對具體地基條件，設計相應的錨墩結構型式避免沉降變形。

3.2.2 調整施工思路和工序

左岸邊坡巖體破碎，裂隙發育，施工進展緩慢，工期緊，任務重，而錨索支護又是邊坡施工的控制性環節。為解決面臨的問題，建設單位在前期錨索生產性試驗的基礎上，及時調整施工思路和工序，進一步完善跟管造孔、預灌漿固壁造孔以及錨固段預注漿等工藝試驗[4]，并進行工效和成本對比分析，優化錨索施工方案，形成優質快速的錨索鉆孔成孔方法。

3.2.3 左岸邊坡無粘結預應力錨索工藝性試驗成果[5]

(1)工藝性試驗選取了Z-2651-5號、Z-2651-6號、Z-2651-32號、Z-2651-34號、Z-2633-40號5束錨索，試驗了三種造孔施工工藝：采用跟管到孔底，然后再拔管至孔底10 m位置處進行預注漿；采用跟管鉆進至孔底10～12 m位置處，然后固壁循環進尺至設計孔深；全孔固壁循環進尺至設計深度，進行預注漿。

工藝試驗情況分別見表1、注漿情況見表2：

表1 工藝試驗統計表

表2 注漿統計匯總表

(2)Z-2651-32號、Z-2651-34號采用跟管到孔底，然后再拔管至孔底10 m位置處進行預注漿，Z-2651-5號、Z-2651-6號采用跟管鉆進至孔底10 m位置處，然后固壁循環進尺至設計孔深。對比兩種成孔工藝，功效和經濟性無明顯差別，錨索施工時根據現場情況選擇其中一種成孔工藝。

(3)Z-2633-40號錨索采用全孔段固壁成孔，成孔耗時較長、耗漿量較大，成本高，錨索成孔不采用此工藝。

根據工藝試驗結果，經評審最終確定了錨索造孔采用跟管到孔底再拔管和跟管鉆進至一定深度固壁循環造孔兩種方法，造孔設備選用HM90A型履帶鉆機。分層分區錯臺開挖支護，利用開挖平臺作為支護作業平臺，減少了鉆機施工腳手架的搭設，加快了施工進度。

3.3 質量控制指標

3.3.1 淺層支護

邊坡淺層支護采用系統錨桿+錨筋樁+掛網噴射混凝土。

錨桿類型為普通砂漿錨桿，錨桿型號選用Ⅲ級螺紋鋼筋，錨桿水泥砂漿的強度等級不應低于30 MPa；錨筋樁采用3根Ф28錨筋焊接，錨筋樁長度12 m，相鄰錨筋每隔150 cm點焊連接。噴混凝土采用C20混凝土，厚度15～20 cm，主要采用干噴法施工，按照施工設計要求進行混凝土配置，噴射自上而下展開，噴射完成后等待終凝，終凝2 h后進行噴水養護，養護應不少于一周時間。掛網鋼筋保護層厚度不小于30 mm；鋼筋網搭接不少于200 mm。

3.3.2 深層支護

深層支護采用無粘結預應力錨索。

本工程采用無粘結預應力錨索，施工方法采用自上而下分級分層進行開挖，開挖與錨索施工進行流水作業，錨索采用HM-90A履帶式錨固鉆機進行施工。錨索為無粘結預應力錨索，錨固段長均為7 m，終孔孔徑不小于120 mm，錨索造孔下傾角度為15度，孔斜偏差不得大于2 %。

3.4 錨索施工質量控制

錨索錨固段注漿壓力均達到設計要求的閉漿壓力0.5 MPa和閉漿時間30 min。錨墩尺寸根據地基條件有針對性調整后，錨索在張拉過程中未發現錨墩明顯沉降，伸長值和錨索測力計數值均表明錨索施工質量滿足設計及規范要求。

4 邊坡監測

引水發電系統邊坡沿上下游方向間隔50 m左右共布置了6個監測斷面。監測手段主要采用表面變形測點來監測邊坡表面變形情況，用多點變位計來監測邊坡深部位移情況，錨索測力計、錨筋樁應力計和錨桿應力計等設備，為邊坡的動態設計和施工提供了很好的技術支撐。

左岸邊坡多點變位計(孔深為51 m)孔口累計位移變化量在1.91～32.73 mm之間，月孔口位移最大變形速率為0.15 mm/d，量級不大；錨索測力計(1 500 kN)累計變化量在1 475.0～1 649.0 kN之間，累計損失率在-1.58%～6.35%之間，未出現大的突變、增長等現象。目前邊坡整體處于穩定狀態。

5 結 語

巴塘水電站引水發電系統邊坡受到復雜地質條件等客觀因素的影響，增大了在工程建設過程中有效保證邊坡的開挖支護進度與質量難度。但是，在施工過程中，建設單位通過系統分析，適時調整了制約工程進度的邊坡支護方式與錨索支護施工方案，進一步完善錨索施工工藝試驗，選定了合適的施工機具和施工工藝，確定優質快速的錨索鉆孔成孔方法，及時解決了錨索成孔難、支護緩慢等問題。在保證施工安全質量進度的同時，使邊坡的支護方式更加具有針對性、適應性、合理性、經濟性。可為同類高邊坡工程設計與施工借鑒。