水電工程邊坡加固與治理的方法

朱國平

(葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司,四川成都 610091)

工程的建設(shè)和運(yùn)行離不開安全,而邊坡穩(wěn)定問題是水利水電工程中經(jīng)常遇到影響安全的最大的問題。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。邊坡的地質(zhì)構(gòu)造往往較復(fù)雜,影響滑坡的因素也很多,因此,在邊坡的加固及與滑坡災(zāi)害作斗爭的過程中,我國的水電工作者不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),總結(jié)出了一整套水電工程邊坡設(shè)計(jì)、觀測(cè)和施工新技術(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),邊坡加固與治理的方法主要有:混凝土擋墻、混凝土框架和噴混凝土護(hù)坡、混凝土沉井、混凝土抗滑樁、錨固洞、邊坡減載以及排水措施、錨固技術(shù)的應(yīng)用等主要方式。

1 混凝土抗滑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

(1)混凝土抗滑樁的應(yīng)用。

抗滑樁由于能有效而經(jīng)濟(jì)地治理滑坡,尤其是在滑動(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應(yīng)用。在四川省洪雅縣瓦屋山水電站右岸高程 1 083 m以上邊坡的治理中取得了很好的效果。當(dāng)時(shí)右岸高程 1 083 m以上邊坡出現(xiàn)了大面積的滑動(dòng),整個(gè)山體靠公路內(nèi)側(cè)面有明顯的錯(cuò)動(dòng)。經(jīng)觀測(cè),滑動(dòng)有繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì),如果不進(jìn)行治理,可誘發(fā)面積約 1萬 m2、厚度約 10～20 m、總滑動(dòng)量約 15萬 m3的大型滑坡體。經(jīng)過業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工單位現(xiàn)場察看最后確定采取抗滑樁等一整套治理措施。實(shí)際施工后證明:在該處設(shè)計(jì)一排抗滑樁對(duì)邊坡的治理取得了有效的效果,確保了大壩主要對(duì)外交通要道的安全。

(2)混凝土沉井。

混凝土沉井是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),主要由井筒(井壁)、隔墻和刃腳等組成。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。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場地布置等因素決定,沉井結(jié)構(gòu)平面呈“田”字形,井壁和橫隔墻的厚度主要由需滿足的下沉重量而定。井筒一般為重度較大和剛度較高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),可根據(jù)需要制成方型、圓型或橢圓型斷面。一個(gè)沉井通常由多節(jié)井筒組成,每一節(jié)井筒上下敞開,接頭處鋼筋混凝土井筒的壁厚應(yīng)根據(jù)其所承受的土壓力、水壓力、下沉?xí)r的摩阻力等通過計(jì)算確定,通常厚度為 0.4～1.2 m。隔墻即井筒內(nèi)的間隔墻,其作用是減少井筒跨度,改善受力條件,增強(qiáng)筒體剛度。隔墻厚度一般為0.5 m。刃腳指底節(jié)井筒下端的鋼制尖角,其作用是保護(hù)底節(jié)井筒及便于沉井切入土層中。刃腳踏面寬度一般為 200～300 m m,內(nèi)側(cè)傾角為 40°～60°。

沉井下沉至設(shè)計(jì)高程后,根據(jù)其工程要求需進(jìn)一步完善,如進(jìn)行封底、填心等。

在實(shí)際工程中,按需要可以采用單個(gè)沉井布置,也可以是多個(gè)沉井(沉井群)的布置形式。

沉井施工包括平整場地、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,后開挖長邊。沉井就位后清洗基面,設(shè)置錨桿,再澆筑混凝土封底,最后用毛石混凝土填心。沉井工程建成至今,已經(jīng)受了多年的運(yùn)行考驗(yàn),在由葛洲壩集團(tuán)公司承接的向家壩水電站工程中得到了很好的應(yīng)用。

向家壩水電站工程分兩期施工,在一期土石圍堰內(nèi)側(cè)布置了由 10個(gè) 23 m×l 7 m的沉井組成的沉井群,頂部高程 270 m。1#～10#沉井沿一期土石圍堰成“L”型依次錯(cuò)開布置,相鄰井間距 2 m。單個(gè)沉井內(nèi)分 6格,井格凈空平面尺寸為 5.2 m×5.6 m(含 40 c m×40 c m的倒角),外墻厚 2 m,隔墻厚 1.6 m,沉井設(shè)計(jì)下沉最淺 43 m,最深達(dá) 57.2 m。沉井結(jié)構(gòu)由下到上依次為:底節(jié)高 7 m(其中底部 1 m為鋼刃腳結(jié)構(gòu)),刃腳踏面寬 30 c m,刃腳斜面高 2 m;中隔墻離刃腳踏面高 1～3 m;底節(jié)高 7 m處設(shè)10 c m×10 c m的斜向倒角,其上 2～5節(jié)設(shè)計(jì)按 9 m一節(jié)段配筋,其它節(jié)為 H-43 m。沉井壁混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào):大部分沉井底節(jié)混凝土為 C 35W6(其中 8#、9#為 C 4O W6),其余節(jié)均為 C 25W6。井內(nèi)填芯混凝土標(biāo)號(hào)為 C 1O W6。

(3)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。

在瓦屋山水電站工程左岸泄洪洞進(jìn)口處采用混凝土擋墻對(duì)洞口底腳處進(jìn)行護(hù)坡處理取得了很好的效果。施工中對(duì)巖石結(jié)構(gòu)面同時(shí)進(jìn)行了錨索施工,保證了左岸泄洪洞進(jìn)口的安全。

(4)混凝土框架和噴混凝土護(hù)坡。

混凝土框架對(duì)滑坡體表層坡體起到了保護(hù)作用并增強(qiáng)了坡體的整體性,防止了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)。某二級(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蚣芷涔?jié)點(diǎn)設(shè)長錨桿穿過滑面,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 c m×50 c m、節(jié)點(diǎn)中心 2 m的方形框架,節(jié)點(diǎn)處設(shè)置兩種類型錨桿:在 550～560 m高程間的坡面,滑面以上節(jié)點(diǎn)垂直于坡面設(shè)置φ 36及 φ 32、長 12 m砂漿錨桿,在 565 ～580 m高程間的坡面則設(shè)垂直于坡面的 φ 28、長 6 m的砂漿錨桿,相應(yīng)地框架配筋為 8φ 20和 4φ 20。框架要求在坡面挖 30 c m深,50 c m寬的槽,部分嵌入坡面內(nèi),表層填土并摻入耕植土,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。

(5)錨固洞的應(yīng)用。

在四川金平水電站大壩岸坡處理工程中,為了保證大壩壩肩以上山體邊坡的穩(wěn)定,采用斷面為 2 m×2.2 m的錨固洞 2個(gè),以形成較大的抗剪力,錨固洞延伸至山體總長度達(dá) 120 m。在 2008年 8月 11日施工 1#錨固洞開挖進(jìn)尺 K 0+61～K 0+64.4樁號(hào)處底板出現(xiàn)彈簧土軟基,洞壁及洞頂出現(xiàn)大量坍塌;在施工 2#錨固洞 K 0+64樁號(hào)處洞頂出現(xiàn)一道沿洞軸線成 10°左右、傾角較大的夾層層面,洞頂出現(xiàn)自然坍塌現(xiàn)象。洞室左側(cè)出現(xiàn)塊體較大的破碎帶,巖石自然坍塌嚴(yán)重,項(xiàng)目部堅(jiān)持以小進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)的安全措施保證了施工的安全。在開挖完成后隨即進(jìn)行鋼筋混凝土的澆筑施工。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)的受力剎遠(yuǎn)較傳統(tǒng)懸臂結(jié)構(gòu)合理,提供了較大的抗力。經(jīng)過時(shí)間的檢驗(yàn),采用錨固洞穩(wěn)固山體邊坡起到了很好的效果。

2 減載、排水等措施的應(yīng)用

(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。如某二級(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 S E的陡傾巖層影響,將向 S E(24°～71°)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)滑坡整體穩(wěn)定不利,因此,若能有效控制后坡滑移,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 610 m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 600 m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%。瓦屋山水電站庫區(qū)左岸岸坡距大壩約 400 m,有一石灰?guī)r高懸陡坡構(gòu)成的小黃崖不穩(wěn)定巖體?；孪虏寇浫醯捻搸r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(dá) 200 m,縱深切割 190 m。歷時(shí) 4年多時(shí)間的變形觀測(cè)結(jié)果表明,裂隙頂部最大累計(jì)沉陷量達(dá)171.1 m m,最大累計(jì)水平位移量達(dá) 56 m m,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)山崖不穩(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。

(2)排水 、截水 。

地表水滲入滑坡體內(nèi),既增加了滑坡體的重量及滑動(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)定不利。對(duì)滑坡體以外山坡上的地表水采取層層修建攔水溝、排水溝的方法排水。對(duì)于坡體范圍內(nèi)的地表水,開裂的地方用黃土封堵,低洼積水的地方用廢碴填平,順地表水集中的地方設(shè)排水溝排走地表水。如某二級(jí)水電站廠房邊坡工程治理中總共修建攔水溝、排水溝長度近10 k m。地下水的排除采取在滑坡體的后緣開挖總長 384 m的兩條排水洞(距滑動(dòng)面以下 5～10 m),并相聯(lián)通,形成一個(gè) U形環(huán),在排水洞內(nèi)再設(shè)排水孔,把滑動(dòng)體內(nèi)的地下水引入排水洞。

3 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),加之坡面巖體抗壓強(qiáng)度高,因此,在這些工程的邊坡治理中都得到了大量應(yīng)用。在某水電站邊坡工程中,采用了 1 000 k N級(jí)錨索1 371根、1 600 k N級(jí)錨索 20根、3 000 k N級(jí)錨索859根、6 000 k N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,其長度:1 000 k N級(jí)為 5～6 m,3 000 k N級(jí)為 8～10 m,6 000 k N級(jí)為 10～13 m;外錨頭為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),將其與基巖接觸面的壓應(yīng)力控制在 20 M P a以內(nèi)。

4 結(jié) 語

總而言之,隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的新材料、新工藝、新技術(shù)應(yīng)用到工程邊坡的加固與治理中,如新近出來的邊坡主動(dòng)和被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)等施工新方法將為我國的邊坡加固和治理提供更多的方法,將進(jìn)一步確保工程的施工安全和建筑物的安全運(yùn)行。