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我國(guó)水利水電工程高邊坡的加固與治理
我國(guó)水利水電工程高邊坡的加固與治理 摘要:我國(guó)廣大水電建設(shè)者在與滑坡災(zāi)害作斗爭(zhēng)的過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),開展科技攻關(guān),總結(jié)出了一整套水電高邊坡工程勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工新技術(shù)。通過混凝土抗滑樁、混凝土沉井、預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿、以及減載、排水等加固、治理邊坡的方式和措施的應(yīng)用,成功地建成了天生橋二級(jí)、三峽、李家峽等復(fù)雜的高邊坡工程。
關(guān)鍵詞:高邊坡;抗滑結(jié)構(gòu);錨固;減載;排水;治理;水利水電工程
邊坡穩(wěn)定問題是水利水電工程中經(jīng)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(shè)投資和安全運(yùn)行。
我國(guó)曾有幾十個(gè)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(jí)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(guó)水利水電工程施工中一個(gè)比較嚴(yán)峻的問題,有的邊坡工程甚至已經(jīng)成為制約工程進(jìn)度和成敗的關(guān)鍵。我國(guó)正在建設(shè)和即將建設(shè)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(yán)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(dá)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(shù)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(cè)、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)技術(shù),已經(jīng)成為水利水電科研攻關(guān)的重大課題。
高邊坡的地質(zhì)構(gòu)造往往比較復(fù)雜,影響滑坡的因素也很多,因此,我國(guó)廣大水電科技人員在與滑坡災(zāi)害作斗爭(zhēng)的過程中,不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),積極開展科技攻關(guān),總結(jié)出了一整套水電高邊坡工程勘測(cè)、設(shè)計(jì)和施工新技術(shù),成功地治理了天生橋二級(jí)、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(zhì)高邊坡的加固與整治措施作一簡(jiǎn)要介紹。
1、混凝土抗滑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用
1.1混凝土抗滑樁
我國(guó)在50年代曾在少量工程中試用混凝土抗滑樁技術(shù)。從60年代開始,該項(xiàng)技術(shù)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(yīng)用技術(shù)已達(dá)到了一定的水平。
抗滑樁由于能有效而經(jīng)濟(jì)地治理滑坡,尤其是滑動(dòng)面傾角較緩時(shí),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(jí)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(jìn)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(dòng)量約140萬m3的大型滑坡體。初期滑動(dòng)速度平均每日2mm,到次年2月底每日位移達(dá)9mm.如繼續(xù)開挖而不采取任何工程處理措施,預(yù)計(jì)雨季到來時(shí)將會(huì)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(shè)置1排,在597 m高程平臺(tái)上設(shè)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(shè)置15kg/m輕型鋼軌作為受力筋,回填200號(hào)混凝土,每根抗滑樁的抗剪強(qiáng)度為12840kN,17根全部建成后,可以承受滑坡體總滑動(dòng)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(jié)束。第二批抗滑樁施工是在1987~1988年枯水期內(nèi)完成的。
抗滑樁開挖深度達(dá)3~4m后,在井壁噴30~40cm厚的混凝土。對(duì)巖體較好的井壁采用打錨桿、噴錨掛網(wǎng)的方法進(jìn)行支護(hù),噴混凝土厚度10~15cm.對(duì)局部塌方部位增設(shè)鋼支撐�？够瑯堕_挖到設(shè)計(jì)要求深度后,進(jìn)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(yùn)輸直接入倉(cāng),每小時(shí)澆筑厚度控制在1.5 m內(nèi),特別是在滑動(dòng)面上下4m部位,還需下井進(jìn)行機(jī)械振搗。在澆到離井口5~7m時(shí),要求分層振搗。每個(gè)井口設(shè)兩個(gè)溜斗,溜管長(zhǎng)度為10~14m,管徑25cm.抗滑樁的建成,對(duì)樁后坡體起到了有效的阻滑作用。
天生橋二級(jí)水電站廠房高邊坡采用打抗滑樁、減載、預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索、排水、護(hù)坡等綜合治理措施后,坡體的監(jiān)測(cè)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(chǔ)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(duì)兩岸進(jìn)行了大規(guī)模的開挖施工,所形成的開挖邊坡最大高度達(dá)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(yīng)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(yán)重地影響了工程的施工,成為電站建設(shè)中的重大技術(shù)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(tái)上共設(shè)置了9根直徑1m的鋼筋混凝土抗滑樁,每根樁都貫穿幾個(gè)棱體,最深的達(dá)35m,樁頂嵌入溢洪道渠底板內(nèi)。為了不干擾平臺(tái)外側(cè)基坑的施工,樁身用大孔徑鉆機(jī)鉆成,孔壁完整,進(jìn)度較快,兩個(gè)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(shí),抗滑樁按彈性基礎(chǔ)上的懸臂梁考慮,不考慮樁外側(cè)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(shí)按滑坡的下滑力考慮。
抗滑樁混凝土標(biāo)號(hào)為R28250號(hào),鋼筋為φ40Ⅱ級(jí)鋼�？够瑯队�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(gòu)成的棱體下面坡根爆破開挖后,發(fā)現(xiàn)在263m高程平臺(tái)上沿Fb75、F22斷層及7號(hào)抗滑樁外側(cè)近南北向出現(xiàn)小裂縫,且裂縫不斷擴(kuò)大,21天后7號(hào)抗滑樁外側(cè)的Fb75~F22棱體下滑,依靠7號(hào)抗滑樁的支擋,樁內(nèi)側(cè)山體得以保存。
1.2混凝土沉井
沉井是一種混凝土框架結(jié)構(gòu),施工中一般可分成數(shù)節(jié)進(jìn)行。在滑坡工程中既起抗滑樁的作用,有時(shí)也具備擋土墻的作用。
天生橋二級(jí)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(dòng)�；麦w長(zhǎng)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(dǎo)墻和護(hù)坦基礎(chǔ)開挖過程中滑體再度復(fù)活,確�；拥陌踩┕�,對(duì)左岸邊坡的整體進(jìn)行穩(wěn)定分析后,決定在坡腳實(shí)施沉井抗滑為主和坡面保護(hù)、排水為輔的綜合治理措施。
沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)沉井的受力狀態(tài)、基坑的施工條件和沉井的場(chǎng)地布置等因素決定,沉井結(jié)構(gòu)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(chǎng)地、沉井制作、沉井下沉、填心4個(gè)階段。
下沉采用人工開挖方式,由人力除渣,簡(jiǎn)易設(shè)備運(yùn)輸,下沉過程中需控制防偏問題,做到及時(shí)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(zhǎng)邊。沉井就位后清洗基面,設(shè)置φ25錨桿(錨桿間距為2m,深3.5m),再澆筑150號(hào)混凝土封底,最后用100號(hào)毛石混凝土填心。
沉井工程建成至今,已經(jīng)受了多年的運(yùn)行考驗(yàn)。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(hù)坡
混凝土框架對(duì)滑坡體表層坡體起保護(hù)作用并增強(qiáng)坡體的整體性,防止地表水滲入和坡體的風(fēng)化�？蚣茏o(hù)坡具有結(jié)構(gòu)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(jié)合使用的特點(diǎn)。
天生橋二級(jí)水電站下山包滑坡治理采用混凝土護(hù)面框架,框架分兩種型式�；娓浇蚣�,其節(jié)點(diǎn)設(shè)長(zhǎng)錨桿穿過滑面,為一設(shè)置在彈性基礎(chǔ)上節(jié)點(diǎn)受集中力的框架系統(tǒng);距滑面較遠(yuǎn)的坡面框架,節(jié)點(diǎn)設(shè)短錨桿,與強(qiáng)風(fēng)化坡面在一定范圍內(nèi)形成整體。
下山包滑坡北段強(qiáng)風(fēng)化坡面框架采用50×50cm、節(jié)點(diǎn)中心2m的方形框架,節(jié)點(diǎn)處設(shè)置兩種類型錨桿:在550~560m高程間坡面,滑面以上節(jié)點(diǎn)垂直于坡面設(shè)置φ36及φ32、長(zhǎng)12m砂漿錨桿,在565~580m高程間坡面則設(shè)垂直于坡面的φ28、長(zhǎng)6m的砂漿錨桿,相應(yīng)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(nèi),表層填土并摻入耕植上,形成草本植被的永久護(hù)坡。
在巖性較好的部位可采用錨桿和噴混凝土保護(hù)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(jí)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(dá)91.2mm),550m高程夾泥層上面的巖體滑動(dòng)10余cm,584m高程平臺(tái)上出現(xiàn)3條裂縫,其中最長(zhǎng)一條55m長(zhǎng),2.2cm寬,下錯(cuò)2cm.為此采取了在550m高程澆筑50余m長(zhǎng)的混凝土擋墻和打錨桿等措施。
天生橋二級(jí)水電站廠房高邊坡坡頂設(shè)置了混凝土擋土墻,以防止古滑坡體的復(fù)活,部分坡面采用漿砌塊石護(hù)面加固,坡腳680m高程設(shè)置混凝土防護(hù)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(gè),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(gè),每個(gè)洞可承受剪力9000kN.此外,還利用地質(zhì)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(jié)合不實(shí)的可能性,同時(shí)采取洞樁組合結(jié)構(gòu)的受力條件遠(yuǎn)較傳統(tǒng)懸臂結(jié)構(gòu)合理,可望提供較大的抗力。
2、錨固技術(shù)的應(yīng)用
采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)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(dòng)受力等優(yōu)點(diǎn),加上坡面巖體抗壓強(qiáng)度高,因此,在天生橋二級(jí)、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(yīng)用。
在漫灣水電站邊坡工程中,采用了1000kN級(jí)錨索1371根、1600kN級(jí)錨索20根、3000kN級(jí)錨索859根、6000kN級(jí)錨索21根,均為膠結(jié)式內(nèi)錨頭的預(yù)應(yīng)力錨索,采取后張法施工。預(yù)應(yīng)力錨索由錨索體、內(nèi)錨頭、外錨頭三部分組成。內(nèi)錨頭用純水泥漿或砂漿作膠結(jié)材料,其長(zhǎng)度1 000 kN級(jí)為5~6m,3000kN級(jí)為8~10m,6000kN級(jí)為10~13m;外錨頭為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),與基巖接觸面的壓應(yīng)力控制在2.0 MPa以內(nèi)。
為提高錨索受力的均勻性,漫灣工程施工單位設(shè)計(jì)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(jiǎn)化操作程序,又提高錨索受力均勻性。錨索在補(bǔ)償張拉時(shí)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(huì)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(jié)錨索具有明顯的優(yōu)點(diǎn),其大部分鋼絞線都得到防腐油劑和護(hù)套的雙重保護(hù),并且可以重復(fù)張拉。由于在施工時(shí)內(nèi)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?gòu)埨?因此減少了一道工序,提高了工效,但其價(jià)格相對(duì)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(shí)間,及早對(duì)巖體施加預(yù)應(yīng)力,以達(dá)到加快工程進(jìn)度,確保邊坡穩(wěn)定的目的。為此,結(jié)合八五科技攻關(guān),在李家峽水電站高邊坡開挖過程中,成功將1000kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索快速錨固技術(shù)應(yīng)用于工程中。室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(jí)預(yù)應(yīng)力錨索各項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo),而施加預(yù)應(yīng)力的時(shí)間由常規(guī)的14~28d縮短到3~5d.該項(xiàng)成果對(duì)及時(shí)加固高邊坡蠕變和松弛的巖體具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,充分體現(xiàn)了“快速、經(jīng)濟(jì)、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(shù)難度之高均為國(guó)內(nèi)外邊坡工程所罕見,其加固過程中,采取了噴混凝土、掛網(wǎng)錨桿、系統(tǒng)錨桿、打排水孔、設(shè)置排水洞、采用3000kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索等綜合治理措施,其中,3000kN對(duì)穿錨束1924束,在國(guó)內(nèi)尚屬首例。系統(tǒng)設(shè)計(jì)3000kN級(jí)預(yù)應(yīng)力對(duì)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(cè)山體排水洞對(duì)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(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)3000kN級(jí)預(yù)應(yīng)力對(duì)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(duì)穿錨束分為無粘結(jié)和有粘結(jié)兩種型式,其結(jié)構(gòu)主要由錨束束體和內(nèi)外錨頭組成。由于錨索采取對(duì)拉錨索的形式,將內(nèi)錨頭放在山體內(nèi)的排水廊道中,因此,內(nèi)錨頭不再是灌漿錨固端,而是置于廊道內(nèi)的墩頭錨或雙向施加張拉的預(yù)應(yīng)力錨。這類加固方式將排水和錨固結(jié)合起來,減少了約占錨索長(zhǎng)度1/3~1/4的內(nèi)錨固段,是一種理想的加固形式。
預(yù)應(yīng)力錨桿也是常見的一種加固形式,如天生橋二級(jí)水電站廠房高邊坡工程中實(shí)施了減載、排水、抗滑樁等技術(shù)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(zhǎng),10余萬m3的滑坡體,決定在565m高程馬道上設(shè)置300 kN預(yù)應(yīng)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(shí)施了152根預(yù)應(yīng)力錨桿,保證了工程的安全。
3、減載、排水等措施的應(yīng)用
3.1減載、壓坡
在有條件的情況下,減載壓坡應(yīng)是優(yōu)先考慮的加固措施。如天生橋二級(jí)水電站廠房高邊坡穩(wěn)定分析結(jié)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(dòng)。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(duì)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(dòng)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(gòu)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(zhǎng)度達(dá)200m,縱深切割190m.4年多的變形觀測(cè)結(jié)果表明,裂隙頂部最大累計(jì)沉陷量達(dá)171.1mm,最大累計(jì)水平位移量達(dá)56.0mm,估計(jì)可能滑動(dòng)的體積約50~100萬m3.為保證大壩的安全,對(duì)小黃崖不穩(wěn)定巖體先后進(jìn)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(dá)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(nèi),既增加滑坡體的重量,增加滑動(dòng)力,又降低了滑動(dòng)面上巖層的內(nèi)摩擦力,對(duì)滑坡體的穩(wěn)定是不利的。對(duì)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(nèi)的地表水,對(duì)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(shè)排水溝排走地表水。如天生橋二級(jí)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(zhǎng)384m的兩條排水洞(距滑動(dòng)面以下5~10m),并相聯(lián)通,形成一個(gè)∪形環(huán),在排水洞內(nèi)再設(shè)排水孔,把滑動(dòng)體內(nèi)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(shè)一孔,利用施工支洞和專設(shè)排水洞排水,并在洞內(nèi)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(jié)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(shè)施,邊坡山體地下水均在較高位置出逸;當(dāng)設(shè)置排水洞后,地下水位較無排水情況有所降低,但不明顯;當(dāng)在排水洞中設(shè)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(diǎn)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(jié)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(jī)結(jié)合,通過截、防、導(dǎo)、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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