水利水電工程高邊坡的加固與治理

發布時間：2018-11-02 訪問次數：

邊坡穩定問題是水利水電工程中經常遇到的問題。邊坡的穩定性直接決定着工程修建的可行性，影響着工程的建設投資和安全運行。

我國曾有幾十個水利水電工程在施工中發生過邊坡失穩問題，如天生橋二級水電站廠區高邊坡、漫灣水電站左岸壩肩高邊坡、安康水電站壩區兩岸高邊坡、龍羊峽水電站下遊虎山坡邊坡等等。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成為制約工程進度和成敗的關鍵。我國正在建設和即将建設的一批大型骨幹水電站，如三峽、龍灘、李家峽、小灣、拉西瓦、錦屏等工程都存在着嚴重的高邊坡穩定問題。其中三峽工程庫區中存在10幾處近億立方米的滑坡體，拉西瓦水電站下遊左岸存在着高達700m的巨型潛在不穩定山體，龍灘水電站左岸存在總方量1000萬m3傾倒蠕變體等。這些工程的規模和所包含的技術難度都是空前的。因此，加快水利水電邊坡工程的科研步伐，開發出一套現代化的邊坡工程勘測、設計、施工、監測技術，已經成為水利水電科研攻關的重大課題。

高邊坡的地質構造往往比較複雜，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害作鬥争的過程中，不斷總結經驗教訓，積極開展科技攻關，總結出了一整套水電高邊坡工程勘測、設計和施工新技術，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岩質高邊坡的加固與整治措施作一簡要介紹。

1、混凝土抗滑結構的應用

1.1 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。從60年代開始，該項技術得到了推廣，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用技術已達到了一定的水平。

抗滑樁由于能有效而經濟地治理滑坡，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月确定廠房下山包壩址後，11月開始在廠房西坡進行大規模的開挖，加上開挖爆破和施工生活用水的影響，誘發了面積約4萬㎡、厚度約25～40m、總滑動量約140萬m3的大型滑坡體。初期滑動速度平均每日2mm，到次年2月底每日位移達9mm.如繼續開挖而不采取任何工程處理措施，預計雨季到來時将會發生大規模的滑坡，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高程上設置1排，在597m高程平台上設置1排，樁中心距6m，樁深為25～39m，其中心深入基岩的錨固深度為總深度的1／4，斷面尺寸為3m×；4m，設置15kg／m輕型鋼軌作為受力筋，回填200号混凝土，每根抗滑樁的抗剪強度為12840kn，17根全部建成後，可以承受滑坡體總滑動推力218280kn.第一批抗滑樁從1987年3月上旬開工，5月下旬開始澆築，6月1日結束。第二批抗滑樁施工是在1987～1988年枯水期内完成的。

抗滑樁開挖深度達3～4m後，在井壁噴30～40cm厚的混凝土。對岩體較好的井壁采用打錨杆、噴錨挂網的方法進行支護，噴混凝土厚度10～15cm。對局部塌方部位增設鋼支撐。抗滑樁開挖到設計要求深度後，進行鋼筋綁紮和鋼軌吊裝。

混凝土澆築采用水下混凝土的配合比，由拌和樓拌和，混凝土罐車運輸直接入倉，每小時澆築厚度控制在1.5m内，特别是在滑動面上下4m部位，還需下井進行機械振搗。在澆到離井口5～7m時，要求分層振搗。每個井口設兩個溜鬥，溜管長度為10～14m，管徑25cm。抗滑樁的建成，對樁後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、預應力錨杆、錨索、排水、護坡等綜合治理措施後，坡體的監測成果表明：下山包滑坡體一直處于穩定狀态，而且有一定的安全儲備。

安康水電站壩址區兩岸邊坡屬于穩定性極差的易滑地層，由于對兩岸進行了大規模的開挖施工，所形成的開挖邊坡最大高度達200餘m，單坡段一般高度在30～40m。大量的開挖造成邊坡岩體的應力釋放，斷面暴露，再加上雨水的侵入，破壞了邊坡的穩定，緻使邊坡開挖過程中發生十幾處大小不等的工程滑坡，嚴重地影響了工程的施工，成為電站建設中的重大技術難題。

采用抗滑樁是穩定安康溢洪道邊坡的主要手段，在263m高程平台上共設置了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闆内。為了不幹擾平台外側基坑的施工，樁身用大孔徑鑽機鑽成，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态考慮：在溢洪道未形成時，抗滑樁按彈性基礎上的懸臂梁考慮，不考慮樁外側滑面上部岩體的抗力；在溢洪道建成後抗滑樁樁頂嵌入溢洪道底闆，此時按滑坡的下滑力考慮。

抗滑樁混凝土标号為r28250号，鋼筋為φ40ⅱ級鋼。抗滑樁于1982年1月施工，3月完成後，基坑繼續下挖，邊坡上各棱體的基腳相繼暴露。同年11月，在fb75與f22斷層構成的棱體下面坡根爆破開挖後，發現在263m高程平台上沿fb75、f22斷層及7号抗滑樁外側近南北向出現小裂縫，且裂縫不斷擴大，21天後7号抗滑樁外側的fb75～f22棱體下滑，依靠7号抗滑樁的支擋，樁内側山體得以保存。

1.2 混凝土沉井

沉井是一種混凝土框架結構，施工中一般可分成數節進行。在滑坡工程中既起抗滑樁的作用，有時也具備擋土牆的作用。

天生橋二級水電站首部樞紐左壩肩下遊邊坡，在二期工程壩基開挖澆築過程中，曾于1986年6月和1988年2月兩次出現沿覆蓋層和部分岩基的順層滑動。滑坡體長80m，寬45m，高差35m，最大深度9m，方量約2萬m3。為了避免1988年汛後左導牆和護坦基礎開挖過程中滑體再度複活，确保基坑的安全施工，對左岸邊坡的整體進行穩定分析後，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。

沉井結構設計根據沉井的受力狀态、基坑的施工條件和沉井的場地布置等因素決定，沉井結構平面呈“田”字形，井壁和橫隔牆的厚度主要由滿足下沉重量而定。井壁上部厚80cm，下部厚90cm；橫隔牆厚度為50cm，隔牆底高于刃腳踏面1.5m，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。

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，後開挖四邊；先開挖短邊，後開挖長邊。沉井就位後清洗基面，設置φ25錨杆（錨杆間距為2m，深3.5m），再澆築150号混凝土封底，最後用100号毛石混凝土填心。

沉井工程建成至今，已經受了多年的運行考驗。目前，首部邊坡是穩定的，沉井在邊坡穩定中的作用是明顯的。

1.3 混凝土框架和噴混凝土護坡

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化。框架護坡具有結構物輕，材料用量省，施工方便，适用面廣，便于排水，以及可與其他措施結合使用的特點。

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。滑面附近框架，其節點設長錨杆穿過滑面，為一設置在彈性基礎上節點受集中力的框架系統；距滑面較遠的坡面框架，節點設短錨杆，與強風化坡面在一定範圍内形成整體。

下山包滑坡北段強風化坡面框架采用50×；50cm、節點中心2m的方形框架，節點處設置兩種類型錨杆：在550～560m高程間坡面，滑面以上節點垂直于坡面設置φ36及φ32、長12m砂漿錨杆，在565～580m高程間坡面則設垂直于坡面的φ28、長6m的砂漿錨杆，相應地框架配筋為8φ20和4φ20。框架要求在坡面挖30cm深，50cm寬的槽，部分嵌入坡面内，表層填土并摻入耕植上，形成草本植被的永久護坡。

在岩性較好的部位可采用錨杆和噴混凝土保護坡面。

1.4 混凝土擋牆

混凝土擋牆是治坡工程中最常用的一種方法，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91.2mm），550m高程夾泥層上面的岩體滑動10餘cm，584m高程平台上出現3條裂縫，其中最長一條55m長，2.2cm寬，下錯2cm。為此采取了在550m高程澆築50餘m長的混凝土擋牆和打錨杆等措施。

天生橋二級水電站廠房高邊坡坡頂設置了混凝土擋土牆，以防止古滑坡體的複活，部分坡面采用漿砌塊石護面加固，坡腳680m高程設置混凝土防護牆。

在漫灣水電站邊坡工程中也采取了澆混凝土擋牆及漿砌石擋牆、混凝土防掏槽等措施，綜合治理邊坡工程。

1.5 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斷面小錨固洞18個，每個洞可承受剪力9000kn.此外，還利用地質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合不實的可能性，同時采取洞樁組合結構的受力條件遠較傳統懸臂結構合理，可望提供較大的抗力。

2、錨固技術的應用

采用預應力錨索進行邊坡加固，具有不破壞岩體，施工靈活，速度快，幹擾小，受力可靠，且為主動受力等優點，加上坡面岩體抗壓強度高，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用。

在漫灣水電站邊坡工程中，采用了1000kn級錨索1371根、1600kn級錨索20根、3000kn級錨索859根、6000kn級錨索21根，均為膠結式内錨頭的預應力錨索，采取後張法施工。預應力錨索由錨索體、内錨頭、外錨頭三部分組成。内錨頭用純水泥漿或砂漿作膠結材料，其長度1000kn級為5～6m，3000kn級為8～10m，6000kn級為10～13m；外錨頭為鋼筋混凝土結構，與基岩接觸面的壓應力控制在2.0mpa以内。

為提高錨索受力的均勻性，漫灣工程施工單位設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，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模采用的無粘結錨索具有明顯的優點，其大部分鋼絞線都得到防腐油劑和護套的雙重保護，并且可以重複張拉。由于在施工時内錨頭和鋼鉸線周圍的水泥漿材是一次灌入的，漿材凝固後再張拉，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，及早對岩體施加預應力，以達到加快工程進度，确保邊坡穩定的目的。為此，結合八五科技攻關，在李家峽水電站高邊坡開挖過程中，成功将1000kn級預應力錨索快速錨固技術應用于工程中。室内和現場試驗表明，采用n-1注漿體和y-1型混凝土配合比可以滿足1000kn級預應力錨索各項設計技術指标，而施加預應力的時間由常規的14～28d縮短到3～5d.該項成果對及時加固高邊坡蠕變和松弛的岩體具有重要的現實意義，充分體現了“快速、經濟、安全”的原則。

三峽永久船閘主體段高邊坡工程規模之大、技術難度之高均為國内外邊坡工程所罕見，其加固過程中，采取了噴混凝土、挂網錨杆、系統錨杆、打排水孔、設置排水洞、采用3000kn級預應力錨索等綜合治理措施，其中，3000kn對穿錨束1924束，在國内尚屬首例。系統設計3000kn級預應力對穿錨束1229束，孔深22.1～56.4m，主要分布在南北坡直立牆和中隔墩閘首及上下相鄰段。南北坡直立牆布置兩排，水平排距10～20m，孔距3～5m，第一排距牆頂8～10m，第二排距底闆高20m左右，均于兩側山體排水洞對穿。中隔墩閘首布置3排，排距10m，孔距3.5～6.4m，第一排距牆頂10m。此外，動态設計3000kn級預應力對穿錨束695束，孔深16～66m，主要布置在中隔墩閘室和豎井部位。對穿錨束分為無粘結和有粘結兩種型式，其結構主要由錨束束體和内外錨頭組成。由于錨索采取對拉錨索的形式，将内錨頭放在山體内的排水廊道中，因此，内錨頭不再是灌漿錨固端，而是置于廊道内的墩頭錨或雙向施加張拉的預應力錨。這類加固方式将排水和錨固結合起來，減少了約占錨索長度1／3～1／4的内錨固段，是一種理想的加固形式。