龍開(kāi)口混凝土重力壩右壩頭邊坡處理措施

黃熠輝，高雅芬，熊立剛

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014）

1 工程概況

龍開(kāi)口水電站是金沙江中游河段規(guī)劃的第6個(gè)梯級(jí)電站，壩址位于云南省鶴慶縣朵美鄉(xiāng)境內(nèi)。其右岸山體總體表現(xiàn)為臺(tái)地斜坡相間的地貌，變形山體巖性主要為二疊系上統(tǒng)上段的玄武巖組，表層為第四系堆積物覆蓋。右岸邊坡構(gòu)造極為發(fā)育，主要表現(xiàn)為規(guī)模較小的斷層、平行發(fā)育的成組裂隙及少量的柱狀節(jié)理。成組平行發(fā)育的節(jié)理將玄武巖切割成似層狀結(jié)構(gòu)，這組裂隙對(duì)邊坡變形有明顯的控制作用。

右壩肩邊坡變形體后緣高程在1 548 m附近，前緣邊界在1 350 m高程附近，總體積約550萬(wàn)m3。邊坡1 350 m高程以上分布t3～t9等7層凝灰?guī)r夾層，各層接觸面均有5～30 cm厚度不等的層間錯(cuò)動(dòng)帶或擠壓帶，平硐揭露凝灰?guī)r層呈波狀起伏。邊坡內(nèi)多組節(jié)理發(fā)育，上覆巖層沿凝灰?guī)r軟弱面變形，使巖體產(chǎn)生拉裂變形，變形巖體呈碎塊狀散體結(jié)構(gòu)，部分為碎裂結(jié)構(gòu)，巖塊間多架空，巖屑、泥質(zhì)充填其中。分析認(rèn)為，右壩肩變形體邊坡為蠕滑－拉裂型。

右壩頭邊坡巖體處在變形體下盤，為強(qiáng)風(fēng)化破碎松弛區(qū)。分布高程下邊界為1 280～1 320 m，上邊界為 1 350～1 395 m。 強(qiáng)風(fēng)化巖層厚3.1～29.46 m。其中，凝灰?guī)r夾層t0規(guī)模較大，鉆孔及地表揭露厚度約1.0～6.4 m，為泥夾巖屑型，部分為泥型，性狀與凝灰?guī)r夾層t1～t9相比明顯較差，抗剪 （斷）強(qiáng)度也明顯低于其他凝灰?guī)r夾層。

2 右壩頭處理方案比選

計(jì)算分析認(rèn)為，天然狀態(tài)和地震工況右岸變形體邊坡基本穩(wěn)定，暴雨工況邊坡處于臨界穩(wěn)定。施工開(kāi)挖坡度若陡于天然坡度，邊坡將失穩(wěn)下滑。限于篇幅，本文僅針對(duì)右壩頭邊坡處理措施進(jìn)行分析研究。右壩頭邊坡處理基本原則為：在滿足大壩基礎(chǔ)開(kāi)挖質(zhì)量的前提下，盡可能減少對(duì)右岸變形體的擾動(dòng)。為此，設(shè)計(jì)曾研究過(guò)右壩頭采用軟硬接頭的混合壩形式。即，混凝土壩與粘土心墻堆石壩通過(guò)刺墻式或側(cè)墻式進(jìn)行連接。計(jì)算分析表明，地震過(guò)程中，混凝土和土石料接觸部位都出現(xiàn)了拉裂、脫開(kāi)和剪切破壞。此外，國(guó)內(nèi)外的混合壩應(yīng)用于100 m以上的大壩非常少見(jiàn)。鑒于目前在高地震烈度區(qū)高心墻堆石壩和混凝土壩的接頭部位的處理技術(shù)還不十分成熟，難以保證攔河大壩的安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)先后進(jìn)行了錨拉板方案和樁板墻方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終確定右壩頭邊坡的處理措施。

2.1 錨拉板方案

壩基岸側(cè)邊坡坡度1∶0.2，每隔6 m設(shè)一級(jí)寬2 m的馬道，采用 “鋼筋混凝土板+錨索”支護(hù) （下稱錨拉板）；壩頂1 303.0 m高程以上壩頭邊坡坡度1∶0.5，采用 “網(wǎng)格梁+錨索+掛網(wǎng)噴錨+系統(tǒng)排水孔”支護(hù)。該方案可以減少開(kāi)挖，對(duì)右岸變形體的擾動(dòng)也較小。壩基開(kāi)挖邊坡通過(guò)鋼筋混凝土板貼坡，并用預(yù)應(yīng)力錨索加固，可以保證壩頭邊坡在施工期和運(yùn)行期的穩(wěn)定。同時(shí)，大壩建基面為弱上～弱下巖體，能滿足承載力要求，也不存在深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題。但錨拉板施工對(duì)基坑開(kāi)挖干擾較大，受施工程序限制，開(kāi)挖邊坡卸荷松弛及變形對(duì)工程邊坡及其上部的變形體穩(wěn)定不利，施工安全隱患較多。

2.2 樁板墻方案

為盡量減少對(duì)右岸變形體的切腳，最大限度地避免擾動(dòng)右岸變形體，設(shè)計(jì)提出了樁板墻方案：將右壩頭樁號(hào)向河床移動(dòng)30 m，調(diào)整到壩右0+457.00樁號(hào)處，壩頭布設(shè)抗滑樁，并通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡，樁間直立邊坡用鋼筋混凝土板進(jìn)行支護(hù)。

壩右0+457.00樁號(hào)布置一排共11根抗滑樁，樁體采用C30混凝土，大壩附近4～8號(hào)樁樁底高程1 253 m，其他樁底高程相應(yīng)抬高。除壩軸線處5號(hào)樁斷面尺寸為6 m×4 m外，其他均為3 m×4 m，樁間凈距5 m。大壩附近抗滑樁上部布置2 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索。壩軸線處5號(hào)樁與大壩間設(shè)兩道銅止水，壩頭加強(qiáng)帷幕灌漿。抗滑樁間頂部以聯(lián)系梁連接，樁間直立巖面采用鋼筋混凝土板支護(hù)。3、4號(hào)樁間和8、9號(hào)樁間各設(shè)一道結(jié)構(gòu)縫；同時(shí)，部分樁間板設(shè)置排水孔，以降低地下水位線，確?？够瑯斗€(wěn)定。

樁板墻方案一方面可以通過(guò)右壩頭擋水壩長(zhǎng)度的調(diào)整，大幅減少了開(kāi)挖范圍，提高工程區(qū)右岸強(qiáng)變形體的穩(wěn)定安全裕度；另一方面，抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索、樁間混凝土板可進(jìn)一步增強(qiáng)變形體下部壩頭強(qiáng)風(fēng)化邊坡施工期的穩(wěn)定性，也間接地增強(qiáng)了右岸上部變形體的整體穩(wěn)定性。

2.3 兩種方案主要工程量及投資比較

錨拉板方案及樁板墻方案主要工程量及工程可比投資對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 錨拉板方案及樁板墻方案主要工程量及投資對(duì)比

由表1可知，樁板墻方案的工程量普遍小于錨拉板方案，工程投資比錨拉板方案減少2245萬(wàn)元，節(jié)省了近一半的投資，具有較大的優(yōu)勢(shì)。

2.4 邊坡穩(wěn)定分析及抗滑樁結(jié)構(gòu)計(jì)算

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的設(shè)計(jì)計(jì)算基于4個(gè)基本假定：①將所研究的邊坡簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題；②對(duì)樁與錨索按彈性受力進(jìn)行分析，樁身變位、巖體抗力及錨索張力在整個(gè)工作階段呈線彈性；③將樁、錨固段樁周巖土體及錨索系統(tǒng)作為一整體，視為超靜定結(jié)構(gòu)，錨索按彈性支承考慮；④將錨索與樁的變形協(xié)調(diào)，即錨索在水平方向的伸長(zhǎng)量與錨索作用點(diǎn)處樁的位移量相等。

以5號(hào)樁中心剖面為例，穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 5號(hào)樁剖面穩(wěn)定性分析成果

由表2可知，長(zhǎng)期荷載作用的滑坡設(shè)計(jì)推力為1 350 kN/m，短期最不利荷載下滑坡推力增量△E為610 kN/m。5號(hào)樁樁長(zhǎng)為50 m，自由段長(zhǎng)為35 m，錨固段長(zhǎng)為15 m；樁的中心間距為11 m；滑坡推力考慮按梯形分布作用在抗滑樁上?；瑒?dòng)面以下的地基系數(shù)按懸臂樁法計(jì)算。樁的計(jì)算寬度為7 m，抗彎剛度為3×107kN·m2，樁的變形系數(shù)為0.174，按彈性樁進(jìn)行計(jì)算。錨索預(yù)拉力取1 250 kN。

樁身內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖 1～2。最大彎矩為190 966 kN·m，發(fā)生在樁深36.2 m的部位；最大剪力為17 641 kN，發(fā)生在樁深35 m的部位。經(jīng)計(jì)算確定抗滑樁主受力筋采用直徑為36 mm的Ⅲ級(jí)鋼。

圖1 5號(hào)樁樁身彎矩

圖2 5號(hào)樁樁身剪力

2.5 右壩頭處理方案的選取及施工

經(jīng)上述經(jīng)濟(jì)技術(shù)，最終確定右壩頭處理措施為樁板墻方案。右壩頭邊坡于2008年1月開(kāi)挖，4月進(jìn)行抗滑樁井筒開(kāi)挖，自上而下開(kāi)挖一段支護(hù)一段，根據(jù)開(kāi)挖揭露的圍巖條件，采用鋼筋混凝土護(hù)壁或噴錨支護(hù)。2008年11月開(kāi)挖支護(hù)完成，開(kāi)始樁體的鋼筋混凝土施工。2009年1月抗滑樁混凝土澆注完成，開(kāi)始樁的臨河側(cè)大壩基坑的開(kāi)挖，預(yù)應(yīng)力錨索于1月開(kāi)始施工張拉。2009年2月進(jìn)行樁間鋼筋混凝土板施工支護(hù)，3月樁的臨河側(cè)基坑開(kāi)挖完成，5月右壩頭樁板墻支護(hù)措施施工完畢。

3 安全監(jiān)測(cè)成果

為監(jiān)測(cè)右壩頭抗滑樁的變形及受力情況，在5、8號(hào)抗滑樁各布置1個(gè)測(cè)斜孔監(jiān)測(cè)抗滑樁的變形情況，在5號(hào)抗滑樁兩側(cè)豎向鋼筋的不同高程布置6支鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)鋼筋應(yīng)力，在5號(hào)抗滑樁樁體與后壁山體接觸部位布置了4支壓應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)其接觸應(yīng)力。右壩頭共布置了4臺(tái)200T錨索測(cè)力計(jì)，其中5號(hào)樁2臺(tái)，6、8號(hào)樁各1臺(tái)。

截止到2010年8月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：①實(shí)測(cè)最大鋼筋拉應(yīng)力為38.7 MPa，應(yīng)力值總體上較小，并基本趨于穩(wěn)定，應(yīng)力變化速率亦較小，鋼筋受力正常。②抗滑樁與變形體接觸面實(shí)測(cè)最大壓應(yīng)力為0.53 MPa，變化量較小，且到后期壓應(yīng)力值均有所減小，樁體受力正常。③從2009年5月份開(kāi)始，由于樁臨河側(cè)大壩基坑開(kāi)挖完成以及雨季的到來(lái)，各錨索測(cè)力計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)明顯增大，到2009年7月以后基本趨于穩(wěn)定，實(shí)測(cè)最大拉力為1 512.4 kN，錨索受力正常。④5、8號(hào)抗滑樁均存在一定程度的撓度變形，頂部略向河床向變化，累計(jì)位移量24.66 mm，從位移-時(shí)間變化過(guò)程線來(lái)看，該撓度變形未見(jiàn)持續(xù)增大趨勢(shì)，在設(shè)計(jì)允許變形范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

龍開(kāi)口水電站壩址右岸邊坡分布大范圍變形體，且壩頭處巖體為強(qiáng)風(fēng)化破碎區(qū)。為了不擾動(dòng)右岸變形體，保障右岸邊坡施工運(yùn)行期的穩(wěn)定，壩基開(kāi)挖又必須滿足大壩建基面要求，通過(guò)計(jì)算分析及工程投資比較，最終確定右壩頭采用樁板墻方案進(jìn)行支護(hù)處理，大大減少了開(kāi)挖量和對(duì)右岸變形體的擾動(dòng)，增強(qiáng)右岸邊坡穩(wěn)定性；同時(shí)，也節(jié)省了工程投資，工程效益顯著。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，右壩頭樁板墻運(yùn)行正常，直立邊坡穩(wěn)定性良好。

［1］周德培，王建松.預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁內(nèi)力的一種計(jì)算方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2002， 21（2）:247-250.

［2］李海光.新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)例［M］.北京：人民交通出版社，2004.