李想

摘要：金沙水电站大坝右岸征地红线外的山梁子变形体处于导流明渠上方，为避免变形体滑塌威胁电站施工及运行安全，有必要开展该变形体抢险工程的边坡开挖卸荷排险分析，制定安全经济的开挖方案。通过比选不同开挖支护方案和分析不同运行工况下的边坡稳定性，确定了有效施工措施，及时排除险情，消除了电站安全隐患。研究成果可供类似工程参考。

关键词：山梁子变形体; 开挖支护; 边坡治理; 开挖卸荷; 抢险工程; 金沙水电站

中图法分类号：TV551.4 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.009

文章编号：1006 - 0081（2022）03 - 0037 - 09

0 引 言

边坡开挖支护作为水利水电施工的重要组成部分，必须依照设计蓝图，安全规范地开展施工;同时，必须严把质量关，保证边坡开挖支护的施工质量，确保水电站安全施工、运行。乔介平、杨建国等对水电站边坡开挖支护施工进行了相关分析讨论[1-2]，为水电站建设和投产运营打下了坚实的基础。本文结合金沙水电站山梁子变形体，开展了水利水电施工中的边坡开挖支护施工方法研究，以供类似工程参考。

1 工程概况

1.1 基本情况

金沙水电站导流明渠进口正上方右岸山坡坡顶的山梁子变形体发生垮塌。经现场勘察可知：变形范围内地表拉裂缝众多，前缘有小规模垮塌，后缘已向金沙江方向下挫滑动2～3 m，山坡表面物质松散，稳定性差。变形体位于金沙水电站导流明渠进口及导流明渠右岸边坡2号道路正上方，落差达300 m，处于征地红线外165 m。明渠右岸边坡于2016年12月已完成全部开挖支护，边坡一直稳定。目前变形体山脊上游侧不断发生小规模垮塌，导致：① 部分块石已滚落至2号路的路面及金沙江内，直接威胁下方2号路的通行安全;② 垮塌物质已将下方山梁子冲沟填满，山梁子冲沟汇水面积较大，一旦遇到降雨，易爆发泥石流灾害。山梁子变形体位置如图1所示。

该变形体位于导流明渠进口正上方右岸山梁子山脊缓坡中部至坡顶，分布高程1 280～1 410 m，距江面高差300 m;上游边界为山坳，下游边界为山梁子冲沟，前缘位于山脊缓坡中部高程1 280 m处，后缘位于山顶。变形体顺坡方向长150 m，斜坡方向宽130 m，平面面积约22 000 m2，具体见图2。

从变形体分布区的地形、地质构造、变形特征等进行分析，变形体的主要破坏模式是崩塌、滑动。变形体产生的主要原因是该位置山体内部煤矿采空塌陷。采空区位于地形凸出的陡坡下部，直抵坡面，其上部岩体软硬相间、风化强烈，采空区塌陷后，上部岩体失去支撑，致使其在重力作用下發生下挫、拉裂、崩塌，并不断牵引坡上岩体产生强烈的变形破坏，直至坡顶产生裂缝。变形模式为牵引式。通过现场变形监测数据可知，裂缝处变形量仍在持续增大，且变形速率有随时间推移而增大的趋势。为防止产生大规模失稳，主要对该变形体采取卸掉表面荷载并进行相应的支护加固控制措施。

1.2 变形体岩土物理力学性质

变形体主要由中粗粒岩屑砂岩、含炭质粉砂质泥岩、泥质粉砂岩3种岩石构成。在勘察金沙水电站坝址区时，对这3种岩石进行了物理力学性质试验，试验成果见表1～2。

由试验成果可见，中粗粒岩屑砂岩饱和单轴抗压强度均值在130 MPa左右，属坚硬岩;含炭质粉砂质泥岩与泥质粉砂岩饱和单轴抗压强度在22～30 MPa，属较软岩。

1.3 变形体岩土物理力学参数建议

根据勘察时的现场试验，参照金沙水电站坝址区现有试验成果，结合类似工程的实践经验，综合分析并提出本变形体内及外围各类岩土体的物理力学参数建议值，如表3～6所示。

1.4 稳定性分析与评价

1.4.1 变形体稳定性

变形体下覆基岩以泥质粉砂岩、中粗粒岩屑砂岩为主，夹数层可采煤层或煤线，岩体完整性较好，岩层倾向170°～200°，倾角20°，为逆向坡。46-中煤层从变形体前缘穿过，沿该煤层采掘煤矿后，在变形体前缘形成采空区。

变形体内地表裂缝发育密集，纵横交错，以横向裂缝居多;裂缝规模普遍较大，张开宽度一般在0.3～1.0 m;下挫0.5～1.5 m，张开宽1.5～2.5 m;下挫陡坎分别高1.5～2.5 m， 3.0～7.0 m。变形体已严重解体、松弛，坡表总体塌陷2～7 m。变形体山脊上游侧有3处隆起，隆起高度0.1～1.5 m。前缘形成类似滑坡舌的舌状土垅，高0.2～1.0 m，向金沙江方向滑动距离0.5～1.0 m。变形体山脊下游侧不断发生小规模崩塌，每次方量从数方到数十方不等;崩塌落石已将下方山梁子冲沟填满，并有部分越过2号路直接滚落金沙江。46-中煤层正上方已露出圈椅状塌陷坑。变形体前缘临空，表部土体更加松散，地表植被破坏严重，树木倾倒、枯死，利于雨水入渗。变形监测结果表明，裂缝处变形量仍在持续增大，且变形速率有随时间推移而增大的趋势。

综上所述，变形体变形严重，稳定性差，表现为以山脊下游侧前缘小规模崩塌失稳，中前部地形变陡，且在不断恶化中，随时有产生大规模滑动失稳的可能，如遇降雨、地震等不利条件，失稳的可能性更大。尤其是山脊上游侧，一旦发生大规模滑动，可能会扰动或推动前缘下方山脊及3号挠曲，进而产生更大规模的失稳。

1.4.2 变形体下方挠曲山坡稳定性

花石崖3号挠曲从变形体下方横向通过，上、下山坡较陡，多数基岩裸露，为逆向坡。挠曲部位山坡为缓坡，覆盖层厚度较小，为基岩顺向坡，倾角20°～30°，岩性为薄至中厚层的岩屑砂岩。据调查，未发现性状较差的层间剪切带或缓倾坡外的断层，后部也未发现不利于山坡稳定的其它切割面，在金沙水电站勘察的12 a间未发现变形迹象，植被良好，山坡稳定性较好。然而，由于该部位正处于金沙水电站坝址附近上游右岸，位置较为敏感，且右岸采煤情况不明，为防止边坡出现不利情况，建议对此部位进行变形监测。

2 处理方案

2.1 方案比选

2.1.1 方案一：清除变形体

开挖底高程1 303.0 m，开挖边坡坡比1∶1.25，和现有山体边坡基本一致，每间隔15 m设一级马道，马道宽3.0 m，边坡最大高度约110.0 m，在开挖范围内可基本挖除全部变形体[3]，如图3所示。

2.1.2 方案二：清除覆盖层+锚索方案

开挖底高程1 318.0 m，高程1 363.0 m以下位置开挖边坡的坡比为1∶1.0，高程1 378.0 m以上位置开挖边坡坡比1∶1.5，每间隔15 m 设一级马道，马道宽3.0 m，主要以挖除覆盖层为主。变形体采用贴坡混凝土板护面、预应力锚索加固，在高程1 348.0～1 393.0 m布置1 000 kN预应力锚索，间排距6 m×6 m，锚索长度分25 m和30 m两种，间隔布置，如图4所示。

2.1.3 方案三：清除覆盖层+抗滑桩方案

开挖底高程1 318.0 m，高程1 378.0 m以下开挖坡比1∶1.0，高程1 378.0 m以上开挖坡比1∶1.5，每间隔15 m 设一级马道，马道宽3.0 m，主要以挖除覆盖层为主。变形体采用抗滑桩进行加固，分别在高程1 333.0， 1 363.0 m和1 388.0 m各布置一排抗滑桩，抗滑桩间距分别为6， 8 m 和10 m，桩长15～25 m，桩径1.5 m，如图5所示。混凝土等级C30，环向配34根直径32 mm纵向受力钢筋。

2.2 方案稳定分析

2.2.1 方案一

（1） 持久（正常运行）工况。图6是正常运行期间，边坡开挖至1 303 m高程时采用强度折减法计算得到的边坡临界状态下的失稳路径。当折减系数为1.41时，剪应变增量区贯通，剪切带上部岩体有整体滑移失稳的趋势，因此取边坡安全系数为1.40。

（2） 暴雨工况。图7是在暴雨条件下，边坡开挖至1 303.0 m高程时采用强度折减法计算得到的边坡临界状态下的失稳路径。当折减系数为1.22时，剪应变增量区贯通，剪切带上部岩体有整体滑移失稳的趋势，因此边坡安全系数取为1.21。

（3） 地震工况。地震水平加速度为0.15 g。采用拟静力法进行分析，地震力的方向为朝向边坡临空方向。图8是在地震工况条件下边坡开挖至1 303.0 m 高程时，采用强度折减法计算得到的边坡临界状态失稳路径。当折减系数为1.13 时，剪应变增量区贯通，剪切带上部岩体有整体滑移失稳的趋势，因此边坡安全系数取为 1.12。

（4） 方案一边坡稳定性计算结果如表7所示。方案一的边坡稳定满足规范要求。

2.2.2 方案二

（1） 持久工况。图9是持久工况下采用强度折减法计算得到的边坡临界状态失稳路径。当折减系数为1.23 时，剪应变增量区贯通，剪切带上部岩体有整体滑移失稳的趋势，因此边坡安全系数取1.22。

（2） 暴雨工况。在无支护条件的暴雨工况下，边坡最大位移为60 mm。当折减系数为1.05 时，剪应变增量区贯通，剪切带上部岩体有整体滑移失稳的趋势，因此边坡安全系数取1.04，如图10所示。

在浅层支护条件下（设6 m长、间排距3 m×3 m的系统锚杆）[4]，边坡最大位移为60 mm，当折减系数为1.09 时，剪应变增量区贯通，剪切带上部岩体有整体滑移失稳的趋势，因此边坡安全系数取为1.08，如图11所示。

在深层支护条件下（1 500 kN级锚索），边坡最大位移为30 mm，当折减系数为1.19 时，剪应变增量区贯通，剪切带上部岩体有整体滑移失稳的趋势，因此边坡安全系数取为1.18，如图12所示，即如果只开挖变形体的覆盖层，需增设1 000 kN 级的锚索，才能满足边坡稳定要求。

（3） 地震工况。地震工况水平加速度为 0.15 g，采用拟静力法进行分析，地震力的方向为指向边坡临空方向。地震工况无支护条件下，边坡最大位移为 1.2 m，此时为边坡失稳状态，如图13所示。浅层支护条件下，边坡最大位移为1 m，此时为边坡失稳状态，如图14所示。深层支护条件下，边坡最大位移为 70 mm，当折减系数为 0.98时，剪应变增量区贯通，剪切带上部岩体有整体滑移失稳的趋势，因此边坡安全系数取为0.97，如图15所示。

2.2.3 方案三

边坡运行期考虑持久、暴雨和地震3种工况。边坡采用抗滑桩支护后在持久、暴雨和地震工况下的安全系数分别为1.44， 1.18， 1.13，如图16所示。

在边坡稳定安全系数满足规范要求的前提下，对抗滑桩结构采用剩余推力法计算，所得各段滑坡最大剩余推力及抗滑桩结构计算结果见表9。

2.3 小 结

3种方案的边坡稳定计算结果见表10，主要工程量对比见表11。

由表10，11可知：

（1） 3种方案均可以保证变形体的稳定。

（2） 方案二边坡变形较大，同时由于变形体较松散，难以进行锚索的预应力张拉施工。

（3） 方案三抗滑桩深15～25 m，直径达到1.5 m，由于其位于变形体的外侧，施工过程中容易垮塌，施工安全难以保障，同时施工工期长，施工难度大。

综上所述，虽然方案一的开挖工程量较大、造价较高，但施工相对简单，施工措施有保障，施工难度相对较小[5]。同时，由于变形体地质条件较为复杂，计算模型中未考虑岩石的破碎程度，即變形体存在从抗滑桩（间距6～10 m）之间下滑的可能，因此，采用方案一进行山梁子变形体应急抢险。

3 结 语

通过对山梁子变形体应急抢险工程边坡开挖支护方案的比选分析，最终确定采用方案一。该方案施工较简单，施工措施保障性较好。此方案在变形体实际施工过程中得到了运用，保障了边坡以及金沙水电站施工运行期的安全。

参考文献：

[1] 乔介平，殷本林. 锦屏一级水电站大坝左岸高边坡安全开挖技术[J]. 四川水力发电， 2013， 32（1）： 29-35.

[2] 杨建国，杨从宏，李君祥. 腾龙桥一级水电站大坝边坡施工技术探讨[J]. 水电站设计，2019， 35（1）： 38-40， 45.

[3] 吴凤林. 有关水利施工工程中开挖支护技术的分析[J]. 黑龙江科技信息，2017（6）： 226.

[4] 杜志飞. 边坡喷锚防护施工应用技术探析[J]. 云南科技管理， 2017， 30（6）： 104-106.

[5] 廖隽. 边坡防护工程方案及经济比选分析[J]. 山东交通科技， 2017（6）： 110-113.

（编辑：高小雲）

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