錦屏一級水電站壩邊坡錨噴支護加固處理

1邊坡支護技術及設備特點30多年來，中國的節(jié)水電工程取得了在世界上的著名成就。水利水電工程的場地測量、變形穩(wěn)定性分析、設計、施工和運營管理積累了豐富的經(jīng)驗。它從20世紀80年代的100米級轉變?yōu)楝F(xiàn)在的數(shù)百米級。這些巖石高邊坡的穩(wěn)定不僅涉及到整體環(huán)境的安全,也涉及到工程本身的安全。邊坡的穩(wěn)定性問題不僅是一個強度問題,更是一個變形穩(wěn)定性問題。隨著對邊坡穩(wěn)定性認識的不斷深入和處理經(jīng)驗的不斷積累,在高邊坡加固處理方式的選擇上也更加具有針對性:洪家渡水電站采用巨型抗滑樁、錨索結合坡面排水洞的方式處理進水口360m高的順層高邊坡;龍灘水電站左岸針對由進水口和傾倒蠕變體組成的425m高邊坡采用挖出潛在滑動體后,設置超前施工截、防、排相結合排水系統(tǒng),預應力錨索(端頭錨于巖體)、對穿錨索(一端錨于排水洞)、超前錨筋樁、超前錨桿、系統(tǒng)錨桿等綜合處理措施進行處理;小灣水電站左岸邊坡開挖高度達700m,其中位于壩前的引水溝堆積體采用了“削、錨、排、擋”綜合治理措施,結合邊坡表面采用掛網(wǎng)噴混凝土、網(wǎng)格梁、自進式錨桿、土錨桿等支護措施。上述針對工程邊坡的不同特點所采取的治理措施都取得了成功。繼洪家渡、龍灘、小灣水電站之后,錦屏一級、溪洛渡、向家壩等在建巨型工程的高邊坡再度備受關注。錦屏一級水電站305m高的樞紐建筑物為世界第一高拱壩,左岸壩肩邊坡高達530m。受地形、地質(zhì)條件影響,錦屏一級水電站左岸邊坡具有其自身特點:(1)樞紐區(qū)河谷為典型深切V型峽谷,邊坡地形高陡,且呈梁溝相間的微地貌特征;(2)左岸邊坡為典型反傾向坡,巖體傾倒拉裂變形嚴重,斷層與節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,邊坡局部穩(wěn)定問題突出;(3)河谷地質(zhì)結構上軟下硬、地層反傾、上部開闊下部狹窄,在下蝕迅速和區(qū)域高應力背景的特定條件下,河谷下切過程中左岸邊坡深部還發(fā)育有深部裂縫。上述獨特的地形、地質(zhì)特點給必須考慮“工程需要、邊坡穩(wěn)定、經(jīng)濟合理、施工可行”的邊坡設計和施工帶來極大困難。左岸壩頂高程1885m以上的砂板巖邊坡,受地形、地質(zhì)條件影響,邊坡開挖與支護施工極其困難。f42–9斷層、SL44–1深部裂縫和煌斑巖脈X組成的潛在大滑塊是左岸壩肩邊坡整體穩(wěn)定的控制性塊體。通過開展科研跟蹤、安全監(jiān)測反饋、動態(tài)設計、施工技術研究,邊坡的設計與施工得以順利進行,安全和質(zhì)量得到有效控制。邊坡工程自2005年9月開工,2009年8月20日全部開挖支護完成,監(jiān)測資料顯示邊坡是穩(wěn)定的。2009年10月23日,拱壩混凝土正式澆筑,到2011年4月底,拱壩澆筑高度已達216m。2項目的地理條件2.1雜谷腦組砂板巖組景巖錦屏一級水電站樞紐區(qū)位于普斯羅溝與手爬溝間長約1.5km的河段上,樞紐區(qū)為典型的深切V型峽谷,相對高差1500~1700m。壩址左岸高程1850m以上由雜谷腦組第三段1~6層砂板巖組成,坡度40°~50°;高程1850m以下由雜谷腦組第二段5~8層大理巖組成,坡度50°~90°;巖層產(chǎn)狀N15°~35°E,NW∠30°~45°,走向與開挖邊坡基本一致,傾向坡里,屬典型的反向坡。在微地貌上高程1750m以上梁溝相間,II,V勘探線為相對突出的山梁,之間為槽谷狀地形,相對切割深度20~80m。2.2構造-沉積型控制邊坡巖體結構左岸壩肩巖體中主要發(fā)育有f2,f5,f8,f42–9斷層、煌斑巖脈X等主要結構面,分別介紹如下:(1)f2斷層:產(chǎn)狀N10°~30°E,NW∠30°~50°,拱肩槽壩基面出露高程1654~1681m,破碎帶一般寬10~30cm;主要為片狀巖、少量糜棱巖及強風化綠片巖,局部炭化呈黑色,天然狀態(tài)下擠壓緊密;傾向坡里,對邊坡穩(wěn)定影響不大;遇水易軟化、泥化,對壩基穩(wěn)定構成不利影響。(2)f5斷層:產(chǎn)狀N35°~45°E,SE∠70°~80°,在砂板巖中破碎帶一般寬5~10m,主要由散體結構的巖屑、角礫及泥質(zhì)物質(zhì)組成;在大理巖中,破碎帶一般寬1~5m,沿斷面局部有0.02~0.03m的斷層泥。(3)f8斷層:位于f5斷層外側,產(chǎn)狀N30°~40°E,SE∠60°~75°,基本平行f5斷層延伸,向深部終止于高程1740m附近,斷層破碎帶寬1~2m,由構造角礫巖、糜棱巖、斷層泥組成。f5,f8斷層向坡外(河床方向)傾斜,傾角大于自然坡角,在砂板巖中f5,f8斷層之間形成寬10~20m的破碎帶和影響帶,構成了控制左岸壩肩邊坡巖體變形拉裂和可能失穩(wěn)破壞的重要邊界。(4)f42–9斷層:產(chǎn)狀近EW,S∠40°~60°,該方向斷層集中發(fā)育在砂板巖中,成組出現(xiàn),其中f42–9斷層規(guī)模相對較大,破碎帶一般寬0.2~0.4m,局部可達1.0m,主要由散體結構的巖屑、角礫及泥質(zhì)物質(zhì)組成。該組斷層傾向上游偏坡外,構成了控制坡體變形失穩(wěn)的主要邊界。位于1860m高程抗剪洞開挖揭示的f42–9斷層照片見圖1。(5)煌斑巖脈X:一般寬2~3m,產(chǎn)狀N60°~80°E,SE∠70°~80°,一般寬2~3m,局部達到7m,總體性狀較差,以弱風化為主,局部強風化,且受卸荷影響,多松弛破碎,遇水易軟化,因此陡傾坡外的煌斑巖脈構成了控制邊坡變形穩(wěn)定的重要地質(zhì)邊界。左岸邊坡還發(fā)育有許多小斷層,大部分走向為NE,陡傾山內(nèi),但延伸不長。左壩肩巖體內(nèi)主要發(fā)育3組節(jié)理裂隙,其產(chǎn)狀如下:(1)N15°~35°E,NW∠30°~45°,層面裂隙;(2)SN~N30°E,SE∠60°~80°;(3)N50°~70°E,SE∠50°~80°,另外可見少量N60°W~EW,NE(SW)或S(N)∠60°~80°張節(jié)理。這些結構面多為硬性結構面,延伸長度有限,對邊坡整體穩(wěn)定不具控制意義,其組合可能在坡面形成局部不穩(wěn)定塊體,但規(guī)模有限。左岸壩肩主要地質(zhì)結構面典型平切圖見圖2。2.3危巖體范圍分析在纜機平臺邊坡高程2000m以上的砂板巖普遍出現(xiàn)傾倒拉裂,地形突出的部位由于巖體傾倒變形強烈在坡面形成危巖體,規(guī)模較大的有1#危巖體和2#,3#危巖體。1#危巖體部位的在L1B排水洞0+50樁號的傾倒變形現(xiàn)象見圖3。2.4混合構造變形結構模型深部裂隙是錦屏一級電站的特殊地質(zhì)現(xiàn)象。左岸邊坡巖體強卸荷帶水平深度一般50~80m,弱卸荷帶水平深度一般80~120m,深部裂隙在水平深度方向一般發(fā)育在180~300m處。位于高程1930m的PD44平硐內(nèi)的SL44–1松弛拉裂帶,總體產(chǎn)狀近SN~N20°W,E(NE)∠55°~60°;最大張開達0.20~0.30m,不僅破壞了巖體完整性,使(2),(3)組順坡向陡傾結構面連通率變大,而且在坡體內(nèi)形成了大型塊體的后緣切割面,影響邊坡的整體穩(wěn)定。位于高程1930m平硐PD44內(nèi)的SL44–1深部裂縫見圖4。由f42–9斷層、煌斑巖脈X、近SN向陡傾角深部裂縫(以SL44–1深部裂縫為典型代表)組合而成的潛在大滑體的穩(wěn)定問題,是左岸邊坡整體穩(wěn)定問題的控制因素。潛在滑動大塊體組合平面示意圖見圖5。3邊坡處理設計與施工3.1加固設計方案(1)高高重壩壩身邊坡穩(wěn)定支護方案錦屏一級左岸拱肩人工邊坡共分為3個部分,即纜機平臺以上邊坡、纜機平臺至壩頂邊坡、壩頂以下拱肩槽邊坡。左岸纜機平臺高程1960m,寬14.0m,開挖綜合坡比為1∶0.5,每30m設一級3m寬馬道。壩頂高程1885~1960m開挖綜合坡比為1∶0.5,設3級馬道,其中高程1885m馬道寬6m,其余馬道寬3m。穩(wěn)定性分析表明:高程1885m以上開挖對邊坡具有減載作用,有利于邊坡穩(wěn)定。壩頂高程1885m至墊座基礎高程1730m每15m設一級馬道,馬道寬2m,開挖綜合坡比1∶0.2~1∶0。以f5斷層為界,f5,f8斷層外側坡體對左岸壩肩自然邊坡整體穩(wěn)定起支撐作用,但作為壩基拱肩槽邊坡保留時將不利于邊坡穩(wěn)定和壩基變形控制,因此,在左岸墊座建基面確定時,總體上以f5斷層為邊界,將其以外的坡體(連同f8斷層)挖除至高程1730m。高程1730m以下拱肩槽上游側邊坡綜合坡比1∶0.20~1∶0.5、每15m設一級2m寬馬道,下游側邊坡綜合坡比1∶0.25~1∶1、每20m設一級2m寬馬道;1730m以下壩基邊坡綜合坡比1∶1,不設馬道,高程1580m壩基為水平面。左岸壩肩邊坡最大設計高度為530m。邊坡開挖體型圖見圖6,圖中數(shù)字表示高程(m)。(2)邊坡支護措施(1)截排水系統(tǒng)設計:整個邊坡按照自上而下、內(nèi)外結合的方式設計了包括周邊截排水溝、馬道及邊坡引截排水溝、坡面排水孔、高程2050和1915m排水洞以及洞內(nèi)排水孔等完善的排水體系。(2)淺層支護設計:針對開挖邊坡不同部位地質(zhì)條件采用預灌漿、錨筋樁、錨桿、網(wǎng)噴混凝土以及框格梁等綜合支護措施。(3)為適應邊坡持續(xù)變形以及坡內(nèi)巖體破碎的地質(zhì)特點,大規(guī)模使用了自由式單孔多錨頭防腐型(壓力分散型無黏結)預應力錨索,其中高程1885m以上及以下邊坡分別共設計錨索2418和1535束,錨索長度40~80m,拉拔荷載2000~3000kN,按間排距4m×4m和6m×6m布置,其中以大噸位(拉拔荷載3000kN)、超長超深(鉆孔深度達80m)錨索為主。根據(jù)坡體巖石破碎程度設置了縱橫向網(wǎng)格梁、豎向聯(lián)系梁。支護結束時左岸錨索及框格梁加固體系見圖7。(4)開口線外自然邊坡支護設計:對工程邊坡周邊一定范圍影響邊坡施工或工程運行安全的危巖體及存在局部穩(wěn)定問題的自然邊坡,采用主、被動防護網(wǎng)并輔以錨桿和噴混凝土進行加固處理。(3)抗剪傳力洞及錨索安裝位置根據(jù)邊坡穩(wěn)定分析,控制左岸壩肩邊坡整體穩(wěn)定的是以f42–9斷層為底滑面、以SL44–1深部裂隙為上游邊界、以煌斑巖脈X為后緣邊界組成的潛在滑動大塊體,其中f42–9斷層對潛在滑體的穩(wěn)定起著關鍵性控制性作用。分別在高程1883,1860,1834m設置3層抗剪傳力洞,提高底滑面的抗剪阻滑作用,并在坡面設置深層錨索穿過部分f42–9斷層,提高潛在滑體的整體穩(wěn)定性。高程1860m抗剪洞布置圖見圖8。3.2邊緣施工(1)抗剪洞與邊坡開挖施工程序的優(yōu)化臨近邊坡開口線15m范圍自然邊坡加固及開口線外截水溝優(yōu)先邊坡開挖施工;邊坡開挖按照自上而下、逐層開挖、逐層支護進行,上部支護必須保證下部開挖施工安全。隨機支護隨開挖進行,淺層支護滯后開挖一個梯段高度,緊跟開挖邊坡施工,深層支護滯后開挖邊坡2個梯段高度,緊跟淺層支護進行;排水洞超前邊坡1~2個開挖層高度施工,而3層抗剪洞必須在邊坡開挖至高程1885m時施工完成。排水孔在其他支護項目施工完成后,再進行施工。實施過程中,根據(jù)邊坡安全監(jiān)測反饋分析科研成果,對抗剪洞與邊坡開挖施工程序進行了優(yōu)化。將高程1885m以下邊坡開挖施工程序調(diào)整為在完成高程1883和1860m抗剪洞施工后,可以分別開始高程1885和1860m以下邊坡開挖,且在完成高程1815m以上針對f42–9斷層的錨索施工完成后,可以開始進行高程1815m以下邊坡施工;開挖至高程1780m時,高程1834m抗剪洞施工完成。(2)施工組織方式(1)邊坡開挖采用梯段預裂爆破方式進行。高程1885m以上按照6m一個梯段進行,高程1885~1730m按照7.5m一個梯段進行,高程1730m以下按10~15m一個梯段,嚴格控制開挖支護施工程序。出渣采用先截流,然后集中下渣至基坑,再基坑集中出渣的方式,施工組織更加靈活。(2)為減少爆破振動和巖體應力松弛卸荷對壩基產(chǎn)生破壞,在壩基建基面邊坡高程1630m以下,預留5m保護層,采用先錨后挖的施工技術,控制爆破開挖導致的淺層卸荷松弛,保證建基面開挖施工質(zhì)量。(3)預應力錨索結構施工(1)在復雜地質(zhì)條件下錨索成孔和孔斜控制是施工過程中遇到的重大施工技術問題。一束錨索鉆孔常常需要3~7d,有的長達一個月,錨索施工嚴重制約工程進展。通過生產(chǎn)性試驗,逐步總結出全站儀精準定位、結合錨筋束和錨索孔以純低壓濃漿對邊坡進行預灌漿、加粗鉆桿、在鉆桿加裝扶正器及反吹裝置等措施,逐步解決錨索鉆孔問題。(2)結合自由式單孔多錨頭防腐型預應力錨索結構適應邊坡破碎巖體變形特點,采用自內(nèi)向外、單根對稱逐級、分次張拉,首次張拉到設計荷載的90%,經(jīng)過14d的應力調(diào)整,再補償張拉至設計荷載的110%,確保每束錨索都能發(fā)揮應有的作用。(3)利用邊坡預固結灌漿孔、錨索孔、錨筋束孔,對巖石破碎的邊坡采用低壓濃漿進行預固結灌漿,提高邊坡開挖成型質(zhì)量和破碎巖體的完整性,改善邊坡穩(wěn)定條件,同時也提高錨索成孔效率。4邊坡穩(wěn)定分析與評價4.1“基本矛盾穩(wěn)定性”計算在工程建設前期以及工程實施過程中,建設單位和設計院組織中國水利水電科學院、中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所、清華大學、武漢大學、成都理工大學、西南理工大學等國內(nèi)有經(jīng)驗高校和科研單位,就左岸邊坡穩(wěn)定性問題進行大量的分析研究。提出了左岸壩肩邊坡局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定的塊體模型。左岸壩肩邊坡局部失穩(wěn)破壞模式主要是由傾倒變形底界面或卸荷節(jié)理面控制的傾倒–滑移破壞、由小斷層和節(jié)理或層間錯動帶組成的楔形體滑動破壞、傾倒裂隙控制的滑塌破壞等。左岸邊坡天然狀態(tài)下可能的整體破壞模式見圖9。通過對各主要結構面間、各結構面與NW,SN向節(jié)理裂隙面以及淺表部NWW~EW向卸荷裂隙間不同組合,利用定性與定量、整體穩(wěn)定性評價與局部穩(wěn)定性評價、連續(xù)介質(zhì)模型與非連續(xù)介質(zhì)模型相結合的方法,采用二維及三維極限平衡法、有限元數(shù)值模擬法,對邊坡的局部和整體穩(wěn)定性及加固措施進行分析計算和評價。不同模型、不同計算方法得出的邊坡安全系數(shù)不同,但從反映出的定性規(guī)律上看,結果基本一致:左岸邊坡在自然狀態(tài)下整體穩(wěn)定;高程1885m以上開挖因f5,f8斷層外阻滑體還保留,開挖對潛在滑體起到減載作用,此時的安全系數(shù)較自然狀態(tài)下的有所提高;高程1885m以下開挖隨阻滑體的部分挖除和底滑面f42–9斷層外露,開挖邊坡的安全系數(shù)較開挖前明顯降低;在邊坡整體開挖完成后,安全系數(shù)在1.230~0.812范圍內(nèi)。f42–9斷層作為塊體滑移失穩(wěn)的底滑面,結構面自身的抗剪強度對穩(wěn)定條件有控制性作用。經(jīng)過加固處理后,正常工況下安全系數(shù)基本都大于1.30;水庫建成后的邊坡安全系數(shù)波動不大,較蓄水前總體還略有增加。根據(jù)穩(wěn)定性分析成果,將招標階段針對潛在大塊體以錨固洞、抗剪傳力洞與邊坡錨索及常規(guī)支付相結合的處理方式調(diào)整為抗剪洞與大噸位、超深超長錨索及常規(guī)支護相結合的方式,取消了布置在高程1960,1930和1885m的3層錨固洞和抗剪傳力洞,將抗剪傳力洞更有針對性地下移至高程1883,1860和1834m處。4.2抗剪洞施工進度與邊坡開挖進度對潛在滑體穩(wěn)定性影響分析在前期一系列科研成果的基礎上,施工過程中又開展了錦屏一級邊坡穩(wěn)定性分析研究,根據(jù)開挖揭示的地質(zhì)情況,在邊坡開挖支護至高程1885m時,不同破壞模式正常工況下安全系數(shù)達到1.89~2.28,比加固前的1.80~2.15略有提高;開挖和支護加固至高程1580m時,不同破壞模式正常工況安全系數(shù)達到1.39~1.42,較加固前的1.03~1.09有較大提高。通過開展抗剪洞施工進度與邊坡開挖進度對潛在滑體穩(wěn)定性影響研究,在邊坡開挖至高程1885,1850,1815和1780m四個不同階段,對3層抗剪洞不同的施工進度對邊坡整體穩(wěn)定性影響進行分析,結果表明:左岸邊坡開挖至高程1885~1850m時,抗剪洞的施工對邊坡整體穩(wěn)定沒有不利影響;邊坡繼續(xù)下挖至1815m高程時,由于變形拉裂體滑動面剪出口進一步的挖除及f5,f8斷層外側阻滑巖體的部分挖除,此時抗剪洞的施工進度將對邊坡整體穩(wěn)定有一定影響,從不同方案的安全系數(shù)分析,高程1883,1860m抗剪洞必需全部施工完成才能保證邊坡的整體穩(wěn)定;邊坡開挖至高程1780m時,抗剪洞的施工進度對邊坡整體穩(wěn)定起關鍵作用,必須保證邊坡在開挖至高程1780m前完成3層抗剪洞的施工及回填,才能確保邊坡的整體穩(wěn)定性。并據(jù)此對邊坡開挖與抗剪洞施工時序進行了優(yōu)化,促進了工程進展。4.3邊坡監(jiān)測內(nèi)容根據(jù)左岸邊坡工程地質(zhì)特點,結合開挖和支護情況,在邊坡范圍主要布置L1~L5五個監(jiān)測斷面。結合選定的監(jiān)測斷面,在左岸邊坡及其相應已有地質(zhì)勘探平硐內(nèi)布置水準觀測(85個)、外部變形觀測墩(73個)、錨桿應力計(73臺套)、錨索測力計(143臺套)、谷幅測線(4條)、石墨桿收斂計(6條計38點)、測斜管(8套)、滲壓計(8套)等監(jiān)測項目,對邊坡的變形、受力和地下水位的變化情況進行監(jiān)測。主要監(jiān)測斷面布置圖見圖10,圖中數(shù)字表示高程(m)。(2)錨