我國水利水電工程高邊坡的加固與治理
摘要：
關鍵詞：
邊坡穩(wěn)定問題是水利水電工程中經常遇到的問題。邊坡的穩(wěn)定性直接決定著工程修建的可行性，影響著工程的建設投資和安全運行。
我國曾有幾十個水利水電工程在施工中發(fā)生過邊坡失穩(wěn)問題，如天生橋二級水電站廠區(qū)高邊坡、漫灣水電站左岸壩肩高邊坡、安康水電站壩區(qū)兩岸高邊坡、龍羊峽水電站下游虎山坡邊坡等等。為治理這些邊坡不但耗去了大量的資金，還拖延了工期，成為我國水利水電工程施工中一個比較嚴峻的問題，有的邊坡工程甚至已經成為制約工程進度和成敗的關鍵。我國正在建設和即將建設的一批大型骨干水電站，如三峽、龍灘、李家峽、小灣、拉西瓦、錦屏等工程都存在著嚴重的高邊坡穩(wěn)定問題。其中三峽工程庫區(qū)中存在10幾處近億立方米的滑坡體，拉西瓦水電站下游左岸存在著高達700m的巨型潛在不穩(wěn)定山體，龍灘水電站左岸存在總方量1000萬m3傾倒蠕變體等。這些工程的規(guī)模和所包含的技術難度都是空前的。因此，加快水利水電邊坡工程的科研步伐，開發(fā)出一套現(xiàn)代化的邊坡工程勘測、設計、施工、監(jiān)測技術，已經成為水利水電科研攻關的重大課題。
高邊坡的地質構造往往比較復雜，影響滑坡的因素也很多，因此，我國廣大水電科技人員在與滑坡災害作斗爭的過程中，不斷總結經驗教訓，積極開展科技攻關，總結出了一整套水電高邊坡工程勘測、設計和施工新技術，成功地治理了天生橋二級、漫灣、李家峽、三峽、小浪底等工程的高邊坡問題。本文僅就水利水電工程巖質高邊坡的加固與整治措施作一簡要介紹。
1、混凝土抗滑結構的應用
1.1混凝土抗滑樁
我國在50年代曾在少量工程中試用混凝土抗滑樁技術。從60年代開始，該項技術得到了推廣，并從理論上得到了完善和提高。到80年代，高邊坡中的抗滑樁應用技術已達到了一定的水平。
抗滑樁由于能有效而經濟地治理滑坡，尤其是滑動面傾角較緩時，其效果更好，因此在邊坡治理工程中得到了廣泛采用。如：天生橋二級水電站于1986年10月確定廠房下山包壩址后，11月開始在廠房西坡進行大規(guī)模的開挖，加上開挖爆破和施工生活用水的影響，誘發(fā)了面積約4萬m2、厚度約25～40m、總滑動量約140萬m3的大型滑坡體。初期滑動速度平均每日2mm，到次年2月底每日位移達9mm.如繼續(xù)開挖而不采取任何工程處理措施，預計雨季到來時將會發(fā)生大規(guī)模的滑坡，為此，采取了抗滑樁等一整套治理措施。
抗滑樁分成兩排布置在廠房滑坡體上，在584m高程上設置1排，在597 m高程平臺上設置1排，樁中心距6m，樁深為25～39m，其中心深入基巖的錨固深度為總深度的1／4，斷面尺寸為3m×4m，設置15kg／m輕型鋼軌作為受力筋，回填200號混凝土，每根抗滑樁的抗剪強度為12840kN，17根全部建成后，可以承受滑坡體總滑動推力218280kN.第一批抗滑樁從1987年3月上旬開工，5月下旬開始澆筑，6月1日結束。第二批抗滑樁施工是在1987～1988年枯水期內完成的。
抗滑樁開挖深度達3～4m后，在井壁噴30～40cm厚的混凝土。對巖體較好的井壁采用打錨桿、噴錨掛網的方法進行支護，噴混凝土厚度10～15cm.對局部塌方部位增設鋼支撐。抗滑樁開挖到設計要求深度后，進行鋼筋綁扎和鋼軌吊裝。
混凝土澆筑采用水下混凝土的配合比，由拌和樓拌和，混凝土罐車運輸直接入倉，每小時澆筑厚度控制在1.5 m內，特別是在滑動面上下4m部位，還需下井進行機械振搗。在澆到離井口5～7m時，要求分層振搗。每個井口設兩個溜斗，溜管長度為10～14m，管徑25cm.抗滑樁的建成，對樁后坡體起到了有效的阻滑作用。
天生橋二級水電站廠房高邊坡采用打抗滑樁、減載、預應力錨桿、錨索、排水、護坡等綜合治理措施后，坡體的監(jiān)測成果表明：下山包滑坡體一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，而且有一定的安全儲備。
安康水電站壩址區(qū)兩岸邊坡屬于穩(wěn)定性極差的易滑地層，由于對兩岸進行了大規(guī)模的開挖施工，所形成的開挖邊坡最大高度達200余m，單坡段一般高度在30～40m.大量的開挖造成邊坡巖體的應力釋放，斷面暴露，再加上雨水的侵入，破壞了邊坡的穩(wěn)定，致使邊坡開挖過程中發(fā)生十幾處大小不等的工程滑坡，嚴重地影響了工程的施工，成為電站建設中的重大技術難題。
采用抗滑樁是穩(wěn)定安康溢洪道邊坡的主要手段，在263m高程平臺上共設置了9根直徑1m的鋼筋混凝土抗滑樁，每根樁都貫穿幾個棱體，最深的達35m，樁頂嵌入溢洪道渠底板內。為了不干擾平臺外側基坑的施工，樁身用大孔徑鉆機鉆成，孔壁完整，進度較快，兩個月就全部完成。這9根抗滑樁按兩種工作狀態(tài)考慮：在溢洪道未形成時，抗滑樁按彈性基礎上的懸臂梁考慮，不考慮樁外側滑面上部巖體的抗力；在溢洪道建成后抗滑樁樁頂嵌入溢洪道底板，此時按滑坡的下滑力考慮。
抗滑樁混凝土標號為R28250號，鋼筋為φ40Ⅱ級鋼。抗滑樁于1982年1月施工，3月完成后，基坑繼續(xù)下挖，邊坡上各棱體的基腳相繼暴露。同年11月，在Fb75與F22斷層構成的棱體下面坡根爆破開挖后，發(fā)現(xiàn)在263m高程平臺上沿Fb75、F22斷層及7號抗滑樁外側近南北向出現(xiàn)小裂縫，且裂縫不斷擴大，21天后7號抗滑樁外側的Fb75～F22棱體下滑，依靠7號抗滑樁的支擋，樁內側山體得以保存。
1.2混凝土沉井
沉井是一種混凝土框架結構，施工中一般可分成數(shù)節(jié)進行。在滑坡工程中既起抗滑樁的作用，有時也具備擋土墻的作用。
天生橋二級水電站首部樞紐左壩肩下游邊坡，在二期工程壩基開挖澆筑過程中，曾于1986年6月和1988年2月兩次出現(xiàn)沿覆蓋層和部分巖基的順層滑動。滑坡體長80m，寬45m，高差35m，最大深度9m，方量約2萬m3.為了避免1988年汛后左導墻和護坦基礎開挖過程中滑體再度復活，確保基坑的安全施工，對左岸邊坡的整體進行穩(wěn)定分析后，決定在坡腳實施沉井抗滑為主和坡面保護、排水為輔的綜合治理措施。
沉井結構設計根據(jù)沉井的受力狀態(tài)、基坑的施工條件和沉井的場地布置等因素決定，沉井結構平面呈“田”字形，井壁和橫隔墻的厚度主要由滿足下沉重量而定。井壁上部厚80cm，下部厚90cm；橫隔墻厚度為50cm，隔墻底高于刃腳踏面1.5m，便于操作人員在井底自由通行。沉井深11m，分成4、3、4m高的3節(jié)。
沉井施工包括平整場地、沉井制作、沉井下沉、填心4個階段。
下沉采用人工開挖方式，由人力除渣，簡易設備運輸，下沉過程中需控制防偏問題，做到及時糾正。合理的開挖順序是：先開挖中間，后開挖四邊；先開挖短邊，后開挖長邊。沉井就位后清洗基面，設置φ25錨桿（錨桿間距為2m，深3.5m），再澆筑150號混凝土封底，最后用100號毛石混凝土填心。
沉井工程建成至今，已經受了多年的運行考驗。目前，首部邊坡是穩(wěn)定的，沉井在邊坡穩(wěn)定中的作用是明顯的。
1.3混凝土框架和噴混凝土護坡
混凝土框架對滑坡體表層坡體起保護作用并增強坡體的整體性，防止地表水滲入和坡體的風化。框架護坡具有結構物輕，材料用量省，施工方便，適用面廣，便于排水，以及可與其他措施結合使用的特點。
天生橋二級水電站下山包滑坡治理采用混凝土護面框架，框架分兩種型式。滑面附近框架，其節(jié)點設長錨桿穿過滑面，為一設置在彈性基礎上節(jié)點受集中力的框架系統(tǒng)；距滑面較遠的坡面框架，節(jié)點設短錨桿，與強風化坡面在一定范圍內形成整體。
下山包滑坡北段強風化坡面框架采用50×50cm、節(jié)點中心2m的方形框架，節(jié)點處設置兩種類型錨桿：在550～560m高程間坡面，滑面以上節(jié)點垂直于坡面設置φ36及φ32、長12m砂漿錨桿，在565～580m高程間坡面則設垂直于坡面的φ28、長6m的砂漿錨桿，相應地框架配筋為8φ20和4φ20.框架要求在坡面挖30cm深，50cm寬的槽，部分嵌入坡面內，表層填土并摻入耕植上，形成草本植被的永久護坡。
在巖性較好的部位可采用錨桿和噴混凝土保護坡面。
1.4混凝土擋墻
混凝土擋墻是治坡工程中最常用的一種方法，它能有效地從局部改變滑坡體的受力平衡，阻止滑坡體變形的延展。
在1986年6月，天生橋二級水電站工程下山包廠址未定之前，由于連降大雨（其降雨量達91.2mm），550m高程夾泥層上面的巖體滑動10余cm，584m高程平臺上出現(xiàn)3條裂縫，其中最長一條55m長，2.2cm寬，下錯2cm.為此采取了在550m高程澆筑50余m長的混凝土擋墻和打錨桿等措施。
天生橋二級水電站廠房高邊坡坡頂設置了混凝土擋土墻，以防止古滑坡體的復活，部分坡面采用漿砌塊石護面加固，坡腳680m高程設置混凝土防護墻。
在漫灣水電站邊坡工程中也采取了澆混凝土擋墻及漿砌石擋墻、混凝土防掏槽等措施，綜合治理邊坡工程。
1.5錨固洞
在漫灣水電站邊坡工程中，采用各種不同斷面的錨固洞64個，形成較大的抗剪力。在左岸邊坡滑坡以前，已完成2 m×2m斷面小錨固洞18個，每個洞可承受剪力9000kN.此外，還利用地質探洞回填等增加一部分剪力。由于錨固洞具有一定的傾斜度，防止了混凝土與洞壁結合不實的可能性，同時采取洞樁組合結構的受力條件遠較傳統(tǒng)懸臂結構合理，可望提供較大的抗力。
2、錨固技術的應用
采用預應力錨索進行邊坡加固，具有不破壞巖體，施工靈活，速度快，干擾小，受力可靠，且為主動受力等優(yōu)點，加上坡面巖體抗壓強度高，因此，在天生橋二級、漫灣、銅街子、三峽、李家峽等工程的邊坡治理中都得到大量應用。
在漫灣水電站邊坡工程中，采用了1000kN級錨索1371根、1600kN級錨索20根、3000kN級錨索859根、6000kN級錨索21根，均為膠結式內錨頭的預應力錨索，采取后張法施工。預應力錨索由錨索體、內錨頭、外錨頭三部分組成。內錨頭用純水泥漿或砂漿作膠結材料，其長度1 000 kN級為5～6m，3000kN級為8～10m，6000kN級為10～13m；外錨頭為鋼筋混凝土結構，與基巖接觸面的壓應力控制在2.0 MPa以內。
為提高錨索受力的均勻性，漫灣工程施工單位設計了一種小型千斤頂，采用“分組單根張拉”的方法，如3000kN錨索19根鋼絞線，每組拉3根，7次張拉完；6000kN錨索37根，10次張拉完，既簡化操作程序，又提高錨索受力均勻性。錨索在補償張拉時可以用大千斤頂整體張拉（如3000kN錨索），也可繼續(xù)用分組單根張拉方法（如6000kN錨索），都不會影響錨索受力的均勻性。
在小浪底工程中大規(guī)模采用的無粘結錨索具有明顯的優(yōu)點，其大部分鋼絞線都得到防腐油劑和護套的雙重保護，并且可以重復張拉。由于在施工時內錨頭和鋼鉸線周圍的水泥漿材是一次灌入的，漿材凝固后再張拉，因此減少了一道工序，提高了工效，但其價格相對較高。
在高邊坡施工過程中為保證開挖與錨固同步施工，必須縮短錨索施工時間，及早對巖體施加預應力，以達到加快工程進度，確保邊坡穩(wěn)定的目的。為此，結合八五科技攻關，在李家峽水電站高邊坡開挖過程中，成功將1000kN級預應力錨索快速錨固技術應用于工程中。室內和現(xiàn)場試驗表明，采用N-1注漿體和Y-1型混凝土配合比可以滿足1000kN級預應力錨索各項設計技術指標，而施加預應力的時間由常規(guī)的14～28d縮短到3～5d.該項成果對及時加固高邊坡蠕變和松弛的巖體具有重要的現(xiàn)實意義，充分體現(xiàn)了“快速、經濟、安全”的原則。
三峽永久船閘主體段高邊坡工程規(guī)模之大、技術難度之高均為國內外邊坡工程所罕見，其加固過程中，采取了噴混凝土、掛網錨桿、系統(tǒng)錨桿、打排水孔、設置排水洞、采用3000kN級預應力錨索等綜合治理措施，其中，3000kN對穿錨束1924束，在國內尚屬首例。系統(tǒng)設計3000kN級預應力對穿錨束1 229束，孔深22.1～56.4m，主要分布在南北坡直立墻和中隔墩閘首及上下相鄰段。南北坡直立墻布置兩排，水平排距10～20m，孔距3～5m，第一排距墻頂8～10m，第二排距底板高20m左右，均于兩側山體排水洞對穿。中隔墩閘首布置3排，排距10m，孔距3.5～6.4m，第一排距墻頂10m.此外，動態(tài)設計3000kN級預應力對穿錨束695束，孔深16～66m，主要布置在中隔墩閘室和豎井部位。對穿錨束分為無粘結和有粘結兩種型式，其結構主要由錨束束體和內外錨頭組成。由于錨索采取對拉錨索的形式，將內錨頭放在山體內的排水廊道中，因此，內錨頭不再是灌漿錨固端，而是置于廊道內的墩頭錨或雙向施加張拉的預應力錨。這類加固方式將排水和錨固結合起來，減少了約占錨索長度1／3～1／4的內錨固段，是一種理想的加固形式。
預應力錨桿也是常見的一種加固形式，如天生橋二級水電站廠房高邊坡工程中實施了減載、排水、抗滑樁等技術后，滑坡位移速度雖有明顯減小，可未能完全停止。為了確保雨季在滑坡體前方的施工安全，穩(wěn)定抗滑樁到滑坡體前緣的約20～40m長，10余萬m3的滑坡體，決定在565m高程馬道上設置300 kN預應力錨桿。錨桿分兩排，孔距2m、孔徑90mm，孔與水平成60°夾角，用36的鋼筋，共實施了152根預應力錨桿，保證了工程的安全。
3、減載、排水等措施的應用
3.1減載、壓坡
在有條件的情況下，減載壓坡應是優(yōu)先考慮的加固措施。如天生橋二級水電站廠房高邊坡穩(wěn)定分析結果表明，滑坡體后緣受傾向SE的陡傾巖層影響，將向S（24°～71°）E方向滑動。該方向與滑坡前緣滑移方向有近20°～60°的夾角，將部分下滑力傳至滑坡體前緣及治坡建筑物上，對滑坡整體的穩(wěn)定不利，因此能有效控制后坡滑移也就能減緩整體滑坡。
在滑坡體后緣覆蓋層最厚的部位，在保證施工道路布置的前提下，盡量在后緣減載。第一次減載14萬余m3，至610m高程，第一次減載后，滑動速度明顯降低。緊接著再減載12萬余m3，至600m高程。兩次減載共26萬余m3，滑坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)提高約10%.烏江渡水電站庫區(qū)左岸岸坡距大壩約400m，有一石灰?guī)r高懸陡坡構成的小黃崖不穩(wěn)定巖體。滑坡下部軟弱的頁巖被庫水淹沒，地表上部見有多條陡傾角孔縫狀張開裂隙，最大的水平延伸長度達200m，縱深切割190m.4年多的變形觀測結果表明，裂隙頂部最大累計沉陷量達171.1mm，最大累計水平位移量達56.0mm，估計可能滑動的體積約50～100萬m3.為保證大壩的安全，對小黃崖不穩(wěn)定巖體先后進行了兩次有控制的洞室大爆破，共爆破石方20.8萬m3.從處理后的變形資料可以看出，已達到了削頭、壓腳、提高巖體穩(wěn)定性的目的。
3.2排水、截水
地表水滲入滑坡體內，既增加滑坡體的重量，增加滑動力，又降低了滑動面上巖層的內摩擦力，對滑坡體的穩(wěn)定是不利的。對于滑坡體以外的山坡上的地表水，采取層層修建攔水溝、排水溝的方法排水。在坡體范圍內的地表水，對開裂的地方用黃土封堵，低洼積水地方用廢碴填平，順地表水集中的地方設排水溝排走地表水。如天生橋二級水電站廠房邊坡工程治理中總共修建攔水溝、排水溝近10km.地下水的排除采取在滑坡體的后緣開挖總長384m的兩條排水洞（距滑動面以下5～10m），并相聯(lián)通，形成一個∪形環(huán)，在排水洞內再設排水孔，把滑動體內地下水引入排水洞。
漫灣水電站邊坡工程深層排水采用在坡面打深15～20m的排水孔，每6m×6m設一孔，利用施工支洞和專設排水洞排水，并在洞內向上、向坡外方向打輻射形排水孔，深15 m.三峽船閘高邊坡穩(wěn)定分析結果表明，地下水是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素。三維滲流分析成果表明：船閘高邊坡形成之后，在坡面噴混凝土防滲條件下遇連續(xù)降雨，若無排水設施，邊坡山體地下水均在較高位置出逸；當設置排水洞后，地下水位較無排水情況有所降低，但不明顯；當在排水洞中設置排水孔幕之后，地下水位有較大幅度降低，南北坡地下水出逸點已接近閘室底板高程，排水效果顯著。為此，三峽船閘高邊坡采用地表截、防、排水與地下排水相結合的綜合排水方案，以地下排水為主，地表截、防排水為輔，有機結合，通過截、防、導、排，盡可能降低邊坡巖體地下水位，減小滲水壓力，改善邊坡穩(wěn)定條件，提高邊坡穩(wěn)定性。
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