水电工程边坡加固与治理的方法

2011-08-15朱国平

四川水力发电 2011年2期

朱国平

(葛洲坝集团第二工程有限公司,四川成都 610091)

工程的建设和运行离不开安全,而边坡稳定问题是水利水电工程中经常遇到影响安全的最大的问题。边坡的稳定性直接决定着工程修建的可行性,影响着工程的建设投资和安全运行。边坡的地质构造往往较复杂,影响滑坡的因素也很多,因此,在边坡的加固及与滑坡灾害作斗争的过程中,我国的水电工作者不断总结经验教训,总结出了一整套水电工程边坡设计、观测和施工新技术。

根据经验,边坡加固与治理的方法主要有:混凝土挡墙、混凝土框架和喷混凝土护坡、混凝土沉井、混凝土抗滑桩、锚固洞、边坡减载以及排水措施、锚固技术的应用等主要方式。

1 混凝土抗滑结构的应用

(1)混凝土抗滑桩的应用。

抗滑桩由于能有效而经济地治理滑坡,尤其是在滑动面倾角较缓时其效果更好,因此,在边坡治理工程中得到了广泛应用。在四川省洪雅县瓦屋山水电站右岸高程 1 083 m以上边坡的治理中取得了很好的效果。当时右岸高程 1 083 m以上边坡出现了大面积的滑动,整个山体靠公路内侧面有明显的错动。经观测,滑动有继续发展的趋势,如果不进行治理,可诱发面积约 1万 m2、厚度约 10～20 m、总滑动量约 15万 m3的大型滑坡体。经过业主、设计、监理、施工单位现场察看最后确定采取抗滑桩等一整套治理措施。实际施工后证明:在该处设计一排抗滑桩对边坡的治理取得了有效的效果,确保了大坝主要对外交通要道的安全。

(2)混凝土沉井。

混凝土沉井是钢筋混凝土结构,主要由井筒(井壁)、隔墙和刃脚等组成。在滑坡工程中既起抗滑桩的作用,有时也具备挡土墙的作用。沉井结构设计根据沉井的受力状态、基坑的施工条件和沉井场地布置等因素决定,沉井结构平面呈“田”字形,井壁和横隔墙的厚度主要由需满足的下沉重量而定。井筒一般为重度较大和刚度较高的钢筋混凝土结构,可根据需要制成方型、圆型或椭圆型断面。一个沉井通常由多节井筒组成,每一节井筒上下敞开,接头处钢筋混凝土井筒的壁厚应根据其所承受的土压力、水压力、下沉时的摩阻力等通过计算确定,通常厚度为 0.4～1.2 m。隔墙即井筒内的间隔墙,其作用是减少井筒跨度,改善受力条件,增强筒体刚度。隔墙厚度一般为0.5 m。刃脚指底节井筒下端的钢制尖角,其作用是保护底节井筒及便于沉井切入土层中。刃脚踏面宽度一般为 200～300 m m,内侧倾角为 40°～60°。

沉井下沉至设计高程后,根据其工程要求需进一步完善,如进行封底、填心等。

在实际工程中,按需要可以采用单个沉井布置,也可以是多个沉井(沉井群)的布置形式。

沉井施工包括平整场地、沉井制作、沉井下沉、填心4个阶段。下沉采用人工开挖方式,由人力除渣,简易设备运输,下沉过程中需控制防偏问题,做到及时纠正。合理的开挖顺序是:先开挖中间,后开挖四边;先开挖短边,后开挖长边。沉井就位后清洗基面,设置锚杆,再浇筑混凝土封底,最后用毛石混凝土填心。沉井工程建成至今,已经受了多年的运行考验,在由葛洲坝集团公司承接的向家坝水电站工程中得到了很好的应用。

向家坝水电站工程分两期施工,在一期土石围堰内侧布置了由 10个 23 m×l 7 m的沉井组成的沉井群,顶部高程 270 m。1#～10#沉井沿一期土石围堰成“L”型依次错开布置,相邻井间距 2 m。单个沉井内分 6格,井格净空平面尺寸为 5.2 m×5.6 m(含 40 c m×40 c m的倒角),外墙厚 2 m,隔墙厚 1.6 m,沉井设计下沉最浅 43 m,最深达 57.2 m。沉井结构由下到上依次为:底节高 7 m(其中底部 1 m为钢刃脚结构),刃脚踏面宽 30 c m,刃脚斜面高 2 m;中隔墙离刃脚踏面高 1～3 m;底节高 7 m处设10 c m×10 c m的斜向倒角,其上 2～5节设计按 9 m一节段配筋,其它节为 H-43 m。沉井壁混凝土设计标号:大部分沉井底节混凝土为 C 35W6(其中 8#、9#为 C 4O W6),其余节均为 C 25W6。井内填芯混凝土标号为 C 1O W6。

(3)混凝土挡墙。

混凝土挡墙是治坡工程中最常用的一种方法,它能有效地从局部改变滑坡体的受力平衡,阻止滑坡体变形的延展。

在瓦屋山水电站工程左岸泄洪洞进口处采用混凝土挡墙对洞口底脚处进行护坡处理取得了很好的效果。施工中对岩石结构面同时进行了锚索施工,保证了左岸泄洪洞进口的安全。

(4)混凝土框架和喷混凝土护坡。

混凝土框架对滑坡体表层坡体起到了保护作用并增强了坡体的整体性,防止了地表水渗入和坡体的风化。框架护坡具有结构物轻,材料用量省,施工方便,适用面广,便于排水以及可与其他措施结合使用的特点。某二级水电站下山包滑坡治理采用混凝土护面框架,框架分两种型式。滑面附近框架其节点设长锚杆穿过滑面,为一设置在弹性基础上节点受集中力的框架系统;距滑面较远的坡面框架节点设短锚杆,与强风化坡面在一定范围内形成整体。下山包滑坡北段强风化坡面框架采用 50 c m×50 c m、节点中心 2 m的方形框架,节点处设置两种类型锚杆:在 550～560 m高程间的坡面,滑面以上节点垂直于坡面设置φ 36及 φ 32、长 12 m砂浆锚杆,在 565 ～580 m高程间的坡面则设垂直于坡面的 φ 28、长 6 m的砂浆锚杆,相应地框架配筋为 8φ 20和 4φ 20。框架要求在坡面挖 30 c m深,50 c m宽的槽,部分嵌入坡面内,表层填土并掺入耕植土,形成草本植被的永久护坡。在岩性较好的部位可采用锚杆和喷混凝土保护坡面。

(5)锚固洞的应用。

在四川金平水电站大坝岸坡处理工程中,为了保证大坝坝肩以上山体边坡的稳定,采用断面为 2 m×2.2 m的锚固洞 2个,以形成较大的抗剪力,锚固洞延伸至山体总长度达 120 m。在 2008年 8月 11日施工 1#锚固洞开挖进尺 K 0+61～K 0+64.4桩号处底板出现弹簧土软基,洞壁及洞顶出现大量坍塌;在施工 2#锚固洞 K 0+64桩号处洞顶出现一道沿洞轴线成 10°左右、倾角较大的夹层层面,洞顶出现自然坍塌现象。洞室左侧出现块体较大的破碎带,岩石自然坍塌严重,项目部坚持以小进尺、强支护的安全措施保证了施工的安全。在开挖完成后随即进行钢筋混凝土的浇筑施工。由于锚固洞具有一定的倾斜度,防止了混凝土与洞壁结合不实的可能性,同时,采取洞桩组合结构的受力刹远较传统悬臂结构合理,提供了较大的抗力。经过时间的检验,采用锚固洞稳固山体边坡起到了很好的效果。

2 减载、排水等措施的应用

(1)减载、压坡。

在有条件的情况下,减载压坡应是优先考虑的加固措施。如某二级水电站厂房高边坡稳定分析结果表明,滑坡体后缘受倾向 S E的陡倾岩层影响,将向 S E(24°～71°)方向滑动。该方向与滑坡前缘滑移方向有近 20°～60°的夹角,将部分下滑力传至滑坡体前缘及治坡建筑物上,对滑坡整体稳定不利,因此,若能有效控制后坡滑移,就能减缓整体滑坡。在滑坡体后缘覆盖层最厚的部位,在保证施工道路布置的前提下,尽量在后缘减载。第一次减载 14万余 m3,至 610 m高程。第一次减载后,滑动速度明显降低;紧接着再减载12万余 m3,至 600 m高程。两次减载共 26万余m3,滑坡抗滑稳定安全系数提高约 10%。瓦屋山水电站库区左岸岸坡距大坝约 400 m,有一石灰岩高悬陡坡构成的小黄崖不稳定岩体。滑坡下部软弱的页岩被库水淹没,地表上部见有多条陡倾角孔缝状张开裂隙,最大的水平延伸长度达 200 m,纵深切割 190 m。历时 4年多时间的变形观测结果表明,裂隙顶部最大累计沉陷量达171.1 m m,最大累计水平位移量达 56 m m,估计可能滑动的体积约 50～100万 m3。为保证大坝的安全,对山崖不稳定岩体先后进行了两次有控制的洞室大爆破,共爆破石方 20.8万 m3。从处理后的变形资料可以看出,已达到了削头、压脚、提高岩体稳定性的目的。

(2)排水、截水。

地表水渗入滑坡体内,既增加了滑坡体的重量及滑动力,又降低了滑动面上岩层的内摩擦力,对滑坡体的稳定不利。对滑坡体以外山坡上的地表水采取层层修建拦水沟、排水沟的方法排水。对于坡体范围内的地表水,开裂的地方用黄土封堵,低洼积水的地方用废碴填平,顺地表水集中的地方设排水沟排走地表水。如某二级水电站厂房边坡工程治理中总共修建拦水沟、排水沟长度近10 k m。地下水的排除采取在滑坡体的后缘开挖总长 384 m的两条排水洞(距滑动面以下 5～10 m),并相联通,形成一个 U形环,在排水洞内再设排水孔,把滑动体内的地下水引入排水洞。

3 锚固技术的应用

采用预应力锚索进行边坡加固,具有不破坏岩体,施工灵活,速度快,干扰小,受力可靠且为主动受力等优点,加之坡面岩体抗压强度高,因此,在这些工程的边坡治理中都得到了大量应用。在某水电站边坡工程中,采用了 1 000 k N级锚索1 371根、1 600 k N级锚索 20根、3 000 k N级锚索859根、6 000 k N级锚索 21根,均为胶结式内锚头的预应力锚索,采取后张法施工。预应力锚索由锚索体、内锚头、外锚头三部分组成。内锚头用纯水泥浆或砂浆作胶结材料,其长度:1 000 k N级为 5～6 m,3 000 k N级为 8～10 m,6 000 k N级为 10～13 m;外锚头为钢筋混凝土结构,将其与基岩接触面的压应力控制在 20 M P a以内。