水利水電工程高邊坡的加固與治理

1、水利水電工程高邊坡的加固與治理摘要 : 我國廣大水電建設(shè)者在與滑坡災(zāi)害作斗爭的過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn) , 開展科技攻關(guān) , 總結(jié)出了一整套水電高邊坡工程勘測、 設(shè)計、施工新技術(shù)。通過混凝土抗滑樁、混凝土沉井、預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿、以及減載、排水等加固、治理邊坡的方式和措施的應(yīng)用 , 成功地建成了天生橋二級、三峽、李家峽等復(fù)雜的高邊坡工程。關(guān)鍵詞 : 高邊坡 抗滑結(jié)構(gòu)錨固 減載 排水 治理 水利水電工程邊坡穩(wěn)定問題是 水利 ); ”>水利 水電工程中經(jīng)常遇到的問題。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)投資和安全運行。我國曾有幾十個 水利 水電工程在 施工 ); ”>

2、;施工 中發(fā)生過邊坡失穩(wěn)問題 , 如天生橋二級水電站廠區(qū)高邊坡、漫灣水電站左岸壩肩高邊坡、安康水電站壩區(qū)兩岸高邊坡、 龍羊峽水電站下游虎山坡邊坡等等。 為治理這些邊坡不但耗去了大量的資金 , 還拖延了工期 , 成為我國 水利 水電工程 施工 中一個比較嚴峻的問題 , 有的邊坡工程甚至已經(jīng)成為制約工程進度和成敗的關(guān)鍵。我國正在建設(shè)和即將建設(shè)的一批大型骨干水電站, 如三峽、龍灘、李家峽、小灣、拉西瓦、錦屏等工程都存在著嚴重的高邊坡穩(wěn)定問題。其中三峽工程庫區(qū)中存在 10 幾處近億立方米的滑坡體 , 拉西瓦水電站下游左岸存在著高達 700m 的巨型潛在不穩(wěn)定山體 , 龍灘水電站左岸存在總方量 1000

3、 萬 m3傾倒蠕變體等。這些工程的規(guī)模和所包含的技術(shù)難度都是空前的。因此 , 加快 水利 水電邊坡工程的科研步伐 , 開發(fā)出一套現(xiàn)代化的邊坡工程勘測、 設(shè)計、 施工 、監(jiān)測技術(shù) , 已經(jīng)成為 水利 水電科研攻關(guān)的重大課題。高邊坡的地質(zhì)構(gòu)造往往比較復(fù)雜 , 影響滑坡的因素也很多 , 因此 , 我國廣大水電科技人員在與滑坡災(zāi)害作斗爭的過程中 , 不斷總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn) , 積極開展科技攻關(guān) , 總結(jié)出了一整套水電高邊坡工程勘測、 設(shè)計和 施工 新技術(shù) , 成功地治理了天生橋二級、 漫灣、李家峽、三峽、小浪底等工程的高邊坡問題。 本文僅就 水利 水電工程巖質(zhì)高邊坡的加固與整治措施作一簡要介紹。1 、混凝土

4、抗滑結(jié)構(gòu) ); ”>結(jié)構(gòu)的應(yīng)用混凝土抗滑樁我國在 50 年代曾在少量工程中試用混凝土抗滑樁技術(shù)。 從 60 年代開始 , 該項技術(shù)得到了推廣 , 并從理論上得到了完善和提高。到 80 年代 , 高邊坡中的抗滑樁應(yīng)用技術(shù)已達到了一定的水平。抗滑樁由于能有效而經(jīng)濟地治理滑坡, 尤其是滑動面傾角較緩時, 其效果更好 , 因此在邊坡治理工程中得到了廣泛采用。如: 天生橋二級水電站于1986年 10 月確定廠房下山包壩址后 ,11 月開始在廠房西坡進行大規(guī)模的開挖 , 加上開挖爆破和 施工 生活用水的影響 , 誘發(fā)了面積約 4 萬 m2、厚度約 2540m、總滑動量約 140 萬 m3的大型滑坡體

5、。 初期滑動速度平均每日 2mm,到次年 2 月底每日位移達 9mm。如繼續(xù)開挖而不采取任何工程處理措施 , 預(yù)計雨季到來時將會發(fā)生大規(guī)模的滑坡 , 為此 , 采取了抗滑樁等一整套治理措施。抗滑樁分成兩排布置在廠房滑坡體上, 在 584m高程上設(shè)置 1 排 , 在 597m高程平臺上設(shè)置 1 排, 樁中心距 6m,樁深為 25m,其中心深入基巖的錨固深度為總深度的 1/4, 斷面尺寸為 3m×4m,設(shè)置 15kg/m 輕型鋼軌作為受力筋 , 回填 200 號混凝土 , 每根抗滑樁的抗剪強度為 12840kN,17 根全部建成后 , 可以承受滑坡體總滑動推力 218280kN。第一批抗

6、滑樁從 1987年 3 月上旬開工 ,5 月下旬開始澆筑 ,6 月 1 日結(jié)束。第二批抗滑樁施工 是在 19871988年枯水期內(nèi)完成的?？够瑯堕_挖深度達 34m后, 在井壁噴 3040cm厚的混凝土。 對巖體較好的井壁采用打錨桿、噴錨掛的方法進行支護 , 噴混凝土厚度 1015cm。對局部塌方部位增設(shè)鋼支撐?？够瑯堕_挖到設(shè)計要求深度后 , 進行鋼筋綁扎和鋼軌吊裝?；炷翝仓捎盟禄炷恋呐浜媳?, 由拌和樓拌和 , 混凝土罐車運輸直接入倉 , 每小時澆筑厚度控制在內(nèi) , 特別是在滑動面上下 4m 部位 , 還需下井進行機械振搗。在澆到離井口 57m時 , 要求分層振搗。每個井口設(shè)兩個溜斗

7、, 溜管長度為 1014m,管徑 25cm?？够瑯兜慕ǔ?, 對樁后坡體起到了有效的阻滑作用。天生橋二級水電站廠房高邊坡采用打抗滑樁、 減載、預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索、排水、護坡等綜合治理措施后 , 坡體的監(jiān)測成果表明 : 下山包滑坡體一直處于穩(wěn)定狀態(tài) , 而且有一定的安全儲備。安康水電站壩址區(qū)兩岸邊坡屬于穩(wěn)定性極差的易滑地層 , 由于對兩岸進行了大規(guī)模的開挖 施工 , 所形成的開挖邊坡最大高度達 200 余 m,單坡段一般高度在 3040m。大量的開挖造成邊坡巖體的應(yīng)力釋放 , 斷面暴露 , 再加上雨水的侵入 , 破壞了邊坡的穩(wěn)定 , 致使邊坡開挖過程中發(fā)生十幾處大小不等的工程滑坡 , 嚴重地影響了

8、工程的 施工 , 成為電站建設(shè)中的重大技術(shù)難題。采用抗滑樁是穩(wěn)定安康溢洪道邊坡的主要手段 , 在 263m高程平臺上共設(shè)置了 9 根直徑 1m的鋼筋混凝土抗滑樁 , 每根樁都貫穿幾個棱體 , 最深的達 35m,樁頂嵌入溢洪道渠底板內(nèi)。為了不干擾平臺外側(cè)基坑的施工 , 樁身用大孔徑鉆機鉆成 , 孔壁完整 , 進度較快 , 兩個月就全部完成。這9 根抗滑樁按兩種工作狀態(tài)考慮 : 在溢洪道未形成時 , 抗滑樁按彈性基礎(chǔ)上的懸臂梁考慮 , 不考慮樁外側(cè)滑面上部巖體的抗力 ; 在溢洪道建成后抗滑樁樁頂嵌入溢洪道底板 , 此時按滑坡的下滑力考慮。1抗滑樁混凝土標號為R28250號, 鋼筋為 40級鋼?？够?/p>

9、樁于1982 年月 施工 ,3月完成后 , 基坑繼續(xù)下挖 , 邊坡上各棱體的基腳相繼暴露。同年11月 , 在 Fb75與 F22 斷層構(gòu)成的棱體下面坡根爆破開挖后 , 發(fā)現(xiàn)在 263m高程平臺上沿 Fb75、F22 斷層及 7 號抗滑樁外側(cè)近南北向出現(xiàn)小裂縫 , 且裂縫不斷擴大 ,21 天后 7 號抗滑樁外側(cè)的 Fb75F22棱體下滑 , 依靠 7 號抗滑樁的支擋 , 樁內(nèi)側(cè)山體得以保存?；炷脸辆辆且环N混凝土框架結(jié)構(gòu) ,施工 中一般可分成數(shù)節(jié)進行。在滑坡工程中既起抗滑樁的作用, 有時也具備擋土墻的作用。天生橋二級水電站首部樞紐左壩肩下游邊坡, 在二期工程壩基開挖澆筑過程中 , 曾于 19

10、86 年 6 月和 1988 年 2 月兩次出現(xiàn)沿覆蓋層和部分巖基的順層滑動?；麦w長 80m,寬 45m,高差 35m,最大深度 9m,方量約 2 萬 m3。為了避免 1988 年汛后左導(dǎo)墻和護坦基礎(chǔ)開挖過程中滑體再度復(fù)活 , 確?；拥陌踩?施工 , 對左岸邊坡的整體進行穩(wěn)定分析后 , 決定在坡腳實施沉井抗滑為主和坡面保護、排水為輔的綜合治理措施。沉井 結(jié)構(gòu) 設(shè)計根據(jù)沉井的受力狀態(tài)、 基坑的 施工 條件和沉井的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滿足下沉重量而定。井壁上部厚 80cm,下部厚 90cm;橫隔墻厚度為 50cm,隔墻底高于刃腳踏面

11、 , 便于操作人員在井底自由通行。沉井深 11m,分成 4、3、4m 高的 3 節(jié)。沉井 施工 包括平整場地、沉井制作、沉井下沉、填心4 個階段。下沉采用人工開挖方式 , 由人力除渣 , 簡易設(shè)備運輸 , 下沉過程中需控制防偏問題 , 做到及時糾正。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 25 錨桿 ( 錨桿間距為 2m,深 ), 再澆筑 150 號混凝土封底 , 最后用 100 號毛石混凝土填心。沉井工程建成至今 , 已經(jīng)受了多年的運行考驗。 目前 , 首部邊坡是穩(wěn)定的 ,沉井在邊坡穩(wěn)定中的作用是明顯的。混凝土框架和噴

12、混凝土護坡混凝土框架對滑坡體表層坡體起保護作用并增強坡體的整體性 , 防止地表水滲入和坡體的風(fēng)化?？蚣茏o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。天生橋二級水電站下山包滑坡治理采用混凝土護面框架 , 框架分兩種型式?；娓浇蚣?, 其節(jié)點設(shè)長錨桿穿過滑面 , 為一設(shè)置在彈性基礎(chǔ)上節(jié)點受集中力的框架系統(tǒng) ; 距滑面較遠的坡面框架 , 節(jié)點設(shè)短錨桿 , 與強風(fēng)化坡面在一定范圍內(nèi)形成整體。下山包滑坡北段強風(fēng)化坡面框架采用50×50cm、節(jié)點中心 2m的方形框架 , 節(jié)點處設(shè)置兩種類型錨桿 : 在 550560m 高

13、程間坡面 , 滑面以上節(jié)點垂直于坡面設(shè)置 36 及 32、長 12m砂漿錨桿 , 在 565580m高程間坡面則設(shè)垂直于坡面的 28、長 6m的砂漿錨桿 , 相應(yīng)地框架配筋為 820 和 420?？蚣芤笤谄旅嫱?30cm深,50cm 寬的槽 , 部分嵌入坡面內(nèi) , 表層填土并摻入耕植上 , 形成草本植被的永久護坡。在巖性較好的部位可采用錨桿和噴混凝土保護坡面?；炷翐鯄炷翐鯄κ侵纹鹿こ讨凶畛Ｓ玫囊环N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 1986 年 6 月, 天生橋二級水電站工程下山包廠址未定之前 , 由于連降大雨 ( 其降雨量達 ),550m 高

14、程夾泥層上面的巖體滑動 10 余 cm,584m高程平臺上出現(xiàn) 3 條裂縫 , 其中最長一條 55m長 , 寬 , 下錯 2cm。為此采取了在 550m高程澆筑 50 余 m長的混凝土擋墻和打錨桿等措施。天生橋二級水電站廠房高邊坡坡頂設(shè)置了混凝土擋土墻 , 以防止古滑坡體的復(fù)活 , 部分坡面采用漿砌塊石護面加固 , 坡腳 680m高程設(shè)置混凝土防護墻。在漫灣水電站邊坡工程中也采取了澆混凝土擋墻及漿砌石擋墻、混凝土防掏槽等措施 , 綜合治理邊坡工程。錨固洞在漫灣水電站邊坡工程中, 采用各種不同斷面的錨固洞64 個 , 形成較大的抗剪力。在左岸邊坡滑坡以前 , 已完成 2m×2m斷面小錨

15、固洞 18 個, 每個洞可承受剪力 9000kN。此外 , 還利用地質(zhì)探洞回填等增加一部分剪力。由于錨固洞具有一定的傾斜度 , 防止了混凝土與洞壁結(jié)合不實的可能性, 同時采取洞樁組合結(jié)構(gòu)的受力條件遠較傳統(tǒng)懸臂結(jié)構(gòu) 合理 , 可望提供較大的抗力。  2 、錨固技術(shù)的應(yīng)用采用預(yù)應(yīng)力錨索進行邊坡加固, 具有不破壞巖體 ,施工靈活 , 速度快 ,干擾小 , 受力可靠 , 且為主動受力等優(yōu)點 , 加上坡面巖體抗壓強度高, 因此 , 在天生橋二級、漫灣、銅街子、三峽、李家峽等工程的邊坡治理中都得到大量應(yīng)用。在漫灣水電站邊坡工程中, 采用了 1000kN級錨索 1371 根、 1600kN

16、級錨索 20 根、3000kN級錨索 859 根、6000kN級錨索 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 1000kN 級為 56m,3000kN 級為810m,6000kN級為 1013m;外錨頭為鋼筋混凝土 結(jié)構(gòu) , 與基巖接觸面的壓應(yīng)力控制在以內(nèi)。為提高錨索受力的均勻性, 漫灣工程施工 單位設(shè)計了一種小型千斤頂,采用“分組單根張拉”的方法 , 如 3000kN錨索 19 根鋼絞線 , 每組拉 3 根,7 次張拉完 ;6000kN 錨索 37 根 ,10 次張拉完

17、, 既簡化操作程序 , 又提高錨索受力均勻性。錨索在補償張拉時可以用大千斤頂整體張拉 ( 如 3000kN 錨索 ), 也可繼續(xù)用分組單根張拉方法 ( 如 6000kN 錨索 ), 都不會影響錨索受力的均勻性。在小浪底工程中大規(guī)模采用的無粘結(jié)錨索具有明顯的優(yōu)點, 其大部分鋼絞線都得到防腐油劑和護套的雙重保護, 并且可以重復(fù)張拉。由于在施工 時內(nèi)錨頭和鋼鉸線周圍的水泥漿材是一次灌入的, 漿材凝固后再張拉, 因此減少了一道工序 , 提高了工效 , 但其價格相對較高。在高邊坡施工過程中為保證開挖與錨固同步施工 , 必須縮短錨索施工 時間 , 及早對巖體施加預(yù)應(yīng)力 , 以達到加快工程進度 , 確保邊坡

18、穩(wěn)定的目的。為此 , 結(jié)合八五科技攻關(guān) , 在李家峽水電站高邊坡開挖過程中 , 成功將 1000kN 級預(yù)應(yīng)力錨索快速錨固技術(shù)應(yīng)用于工程中。室內(nèi)和現(xiàn)場試驗表明 , 采用 N-1 注漿體和 Y-1 型混凝土配合比可以滿足 1000kN級預(yù)應(yīng)力錨索各項設(shè)計技術(shù)指標 , 而施加預(yù)應(yīng)力的時間由常規(guī)的 1428d 縮短到 35d。該項成果對及時加固高邊坡蠕變和松弛的巖體具有重要的現(xiàn)實意義 , 充分體現(xiàn)了“快速、經(jīng)濟、安全”的原則。三峽永久船閘主體段高邊坡工程規(guī)模之大、 技術(shù)難度之高均為國內(nèi)外邊坡工程所罕見 , 其加固過程中 , 采取了噴混凝土、掛錨桿、系統(tǒng)錨桿、打排水孔、設(shè)置排水洞、 采用 3000kN

19、級預(yù)應(yīng)力錨索等綜合治理措施 , 其中 ,3000kN 對穿錨束1924 束 , 在國內(nèi)尚屬首例。系統(tǒng)設(shè)計3000kN 級預(yù)應(yīng)力對穿錨束1229 束, 孔深 ,主要分布在南北坡直立墻和中隔墩閘首及上下相鄰段。南北坡直立墻布置兩排 , 水平排距 1020m,孔距 35m,第一排距墻頂 810m,第二排距底板高 20m左右 , 均于兩側(cè)山體排水洞對穿。中隔墩閘首布置 3 排, 排距 10m,孔距 , 第一排距墻頂10m。此外 , 動態(tài)設(shè)計 3000kN級預(yù)應(yīng)力對穿錨束695 束, 孔深 1666m,主要布置在中隔墩閘室和豎井部位。對穿錨束分為無粘結(jié)和有粘結(jié)兩種型式,其結(jié)構(gòu)主要由錨束束體和內(nèi)外錨頭組成

20、。由于錨索采取對拉錨索的形式, 將內(nèi)錨頭放在山體內(nèi)的排水廊道中 , 因此 , 內(nèi)錨頭不再是灌漿錨固端, 而是置于廊道內(nèi)的墩頭錨或雙向施加張拉的預(yù)應(yīng)力錨。這類加固方式將排水和錨固結(jié)合起來, 減少了約占錨索長度 1/31/4 的內(nèi)錨固段 , 是一種理想的加固形式。預(yù)應(yīng)力錨桿也是常見的一種加固形式, 如天生橋二級水電站廠房高邊坡工程中實施了減載、 排水、抗滑樁等技術(shù)后 , 滑坡位移速度雖有明顯減小, 可未能完全停止。為了確保雨季在滑坡體前方的施工 安全 , 穩(wěn)定抗滑樁到滑坡體前緣的約2040m長 ,10余萬m3的滑坡體 , 決定在565m高程馬道上設(shè)置300kN預(yù)應(yīng)力錨桿。錨桿分兩排, 孔距2m、孔

21、徑90mm,孔與水平成60°夾角 , 用的鋼筋 ,共實施了152 根預(yù)應(yīng)力錨桿, 保證了工程的安全。3 、減載、排水等措施的應(yīng)用減載、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。如天生橋二級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 SE的陡傾巖層影響 , 將向 S(24°71°)E 方向滑動。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 , 對滑坡整體的穩(wěn)定不利 , 因此能有效控制后坡滑移也就能減緩整體滑坡。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

22、下 , 盡量在后緣減載。 第一次減載 14 萬余 m3,至 610m高程 , 第一次減載后 , 滑動速度明顯降低。緊接著再減載 12 萬余 m3,至 600m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%。烏江渡水電站庫區(qū)左岸岸坡距大壩約 400m,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 200m,縱深切割 190m。 4 年多的變形觀測結(jié)果表明 , 裂隙頂部最大累計沉陷量達 , 最大累計水平位移量達 , 估計可能滑動的體積約 50100 萬 m3。為保證大壩的安全 , 對小黃崖不穩(wěn)定巖體先后進行了兩次有控制的洞室大爆破 , 共爆破石方萬 m3。從處理后的