我国水利水电工程高边坡的加固与治理

我国水利水电工程高边坡的加固与治理

　　摘要：我国广大水电建设者在与滑坡灾害作斗争的过程中不断总结经验教训，开展科技攻关，总结出了一整套水电高边坡工程勘测、设计、施工新技术。通过混凝土抗滑桩、混凝土沉井、预应力锚索、锚杆、以及减载、排水等加固、治理边坡的方式和措施的应用，成功地建成了天生桥二级、三峡、李家峡等复杂的高边坡工程。

　　关键词：高边坡；抗滑结构；锚固；减载；排水；治理；水利水电工程

　　边坡稳定问题是水利水电工程中经常遇到的问题。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。

　　我国曾有几十个水利水电工程在施工中发生过边坡失稳问题，如天生桥二级水电站厂区高边坡、漫湾水电站左岸坝肩高边坡、安康水电站坝区两岸高边坡、龙羊峡水电站下游虎山坡边坡等等。为治理这些边坡不但耗去了大量的资金，还拖延了工期，成为我国水利水电工程施工中一个比较严峻的问题，有的边坡工程甚至已经成为制约工程进度和成败的关键。我国正在建设和即将建设的一批大型骨干水电站，如三峡、龙滩、李家峡、小湾、拉西瓦、锦屏等工程都存在着严重的高边坡稳定问题。其中三峡工程库区中存在10几处近亿立方米的滑坡体，拉西瓦水电站下游左岸存在着高达700 m的巨型潜在不稳定山体，龙滩水电站左岸存在总方量1 000万m3倾倒蠕变体等。这些工程的规模和所包含的技术难度都是空前的。因此，加快水利水电边坡工程的科研步伐，开发出一套现代化的边坡工程勘测、设计、施工、监测技术，已经成为水利水电科研攻关的重大课题。

　　高边坡的地质构造往往比较复杂，影响滑坡的因素也很多，因此，我国广大水电科技人员在与滑坡灾害作斗争的过程中，不断总结经验教训，积极开展科技攻关，总结出了一整套水电高边坡工程勘测、设计和施工新技术，成功地治理了天生桥二级、漫湾、李家峡、三峡、小浪底等工程的高边坡问题。本文仅就水利水电工程岩质高边坡的加固与整治措施作一简要介绍。

　　1、混凝土抗滑结构的应用

1.1　混凝土抗滑桩

　　我国在50年代曾在少量工程中试用混凝土抗滑桩技术。从60年代开始，该项技术得到了推广，并从理论上得到了完善和提高。到80年代，高边坡中的抗滑桩应用技术已达到了一定的水平。
　　抗滑桩由于能有效而经济地治理滑坡，尤其是滑动面倾角较缓时，其效果更好，因此在边坡治理工程中得到了广泛采用。如：天生桥二级水电站于1986年10月确定厂房下山包坝址后，11月开始在厂房西坡进行大规模的开挖，加上开挖爆破和施工生活用水的影响，诱发了面积约4万m2、厚度约25～40 m、总滑动量约140万m3的大型滑坡体。初期滑动速度平均每日2 mm，到次年2月底每日位移达9 mm。如继续开挖而不采取任何工程处理措施，预计雨季到来时将会发生大规模的滑坡，为此，采取了抗滑桩等一整套治理措施。
　　抗滑桩分成两排布置在厂房滑坡体上，在584 m高程上设置1排，在597 m高程平台上设置1排，桩中心距6 m，桩深为25～39 m，其中心深入基岩的锚固深度为总深度的1／4，断面尺寸为3 m×4 m，设置15 kg／m轻型钢轨作为受力筋，回填200号混凝土，每根抗滑桩的抗剪强度为12 840 kN，17根全部建成后，可以承受滑坡体总滑动推力218 280 kN。
　　第一批抗滑桩从1987年3月上旬开工，5月下旬开始浇筑，6月1日结束。第二批抗滑桩施工是在1987～1988年枯水期内完成的。
　　抗滑桩开挖深度达3～4 m后，在井壁喷30～40 cm厚的混凝土。对岩体较好的井壁采用打锚杆、喷锚挂网的方法进行支护，喷混凝土厚度10～15 cm。对局部塌方部位增设钢支撑。抗滑桩开挖到设计要求深度后，进行钢筋绑扎和钢轨吊装。
　　混凝土浇筑采用水下混凝土的配合比，由拌和楼拌和，混凝土罐车运输直接入仓，每小时浇筑厚度控制在1.5 m内，特别是在滑动面上下4 m部位，还需下井进行机械振捣。在浇到离井口5～7 m时，要求分层振捣。每个井口设两个溜斗，溜管长度为10～14 m，管径25 cm。
　　抗滑桩的建成，对桩后坡体起到了有效的阻滑作用。
　　天生桥二级水电站厂房高边坡采用打抗滑桩、减载、预应力锚杆、锚索、排水、护坡等综合治理措施后，坡体的监测成果表明：下山包滑坡体一直处于稳定状态，而且有一定的安全储备。
　　安康水电站坝址区两岸边坡属于稳定性极差的易滑地层，由于对两岸进行了大规模的开挖施工，所形成的开挖边坡高度达200余m，单坡段一般高度在30～40 m。大量的开挖造成边坡岩体的应力释放，断面暴露，再加上雨水的侵入，破坏了边坡的稳定，致使边坡开挖过程中发生十几处大小不等的工程滑坡，严重地影响了工程的施工，成为电站建设中的重大技术难题。
　　采用抗滑桩是稳定安康溢洪道边坡的主要手段，在263 m高程平台上共设置了9根直径1 m的钢筋混凝土抗滑桩，每根桩都贯穿几个棱体，最深的达35 m，桩顶嵌入溢洪道渠底板内。为了不干扰平台外侧基坑的施工，桩身用大孔径钻机钻成，孔壁完整，进度较快，两个月就全部完成。这9根抗滑桩按两种工作状态考虑：在溢洪道未形成时，抗滑桩按弹性基础上的悬臂梁考虑，不考虑桩外侧滑面上部岩体的抗力；在溢洪道建成后抗滑桩桩顶嵌入溢洪道底板，此时按滑坡的下滑力考虑。
　　抗滑桩混凝土标号为R28250号，钢筋为φ40Ⅱ级钢。抗滑桩于1982年1月施工，3月完成后，基坑继续下挖，边坡上各棱体的基脚相继暴露。同年11月，在Fb75与F22断层构成的棱体下面坡根爆破开挖后，发现在263 m高程平台上沿Fb75、F22断层及7号抗滑桩外侧近南北向出现小裂缝，且裂缝不断扩大，21天后7号抗滑桩外侧的Fb75～F22棱体下滑，依靠7号抗滑桩的支挡，桩内侧山体得以保存。

1.2　混凝土沉井

　　沉井是一种混凝土框架结构，施工中一般可分成数节进行。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。
　　天生桥二级水电站首部枢纽左坝肩下游边坡，在二期工程坝基开挖浇筑过程中，曾于1986年6月和1988年2月两次出现沿覆盖层和部分岩基的顺层滑动。滑坡体长80 m，宽45 m，高差35 m，深度9 m，方量约2万m3。
　　为了避免1988年汛后左导墙和护坦基础开挖过程中滑体再度复活，确保基坑的安全施工，对左岸边坡的整体进行稳定分析后，决定在坡脚实施沉井抗滑为主和坡面保护、排水为辅的综合治理措施。
　　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的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满足下沉重量而定。井壁上部厚80 cm，下部厚90 cm；横隔墙厚度为50 cm，隔墙底高于刃脚踏面1.5 m，便于操作人员在井底自由通行。沉井深11 m，分成4、3、4 m高的3节。
　　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φ25锚杆(锚杆间距为2 m，深3.5 m)，再浇筑150号混凝土封底，最后用100号毛石混凝土填心。
　　沉井工程建成至今，已经受了多年的运行考验。目前，首部边坡是稳定的，沉井在边坡稳定中的作用是明显的。

1.3　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保护作用并增强坡体的整体性，防止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。
　　天生桥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50×50 cm、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高程间坡面，滑面以上节点垂直于坡面设置φ36及φ32、长12 m砂浆锚杆，在565～580 m高程间坡面则设垂直于坡面的φ28、长6 m的砂浆锚杆，相应地框架配筋为8φ20和4φ20。框架要求在坡面挖30 cm深，50 cm宽的槽，部分嵌入坡面内，表层填土并掺入耕植上，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。 　　1.4　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1986年6月，天生桥二级水电站工程下山包厂址未定之前，由于连降大雨(其降雨量达91.2 mm)，550 m高程夹泥层上面的岩体滑动10余cm，584 m高程平台上出现3条裂缝，其中最长一条55 m长，2.2 cm宽，下错2 cm。为此采取了在550 m高程浇筑50余m长的混凝土挡墙和打锚杆等措施。
　　天生桥二级水电站厂房高边坡坡顶设置了混凝土挡土墙，以防止古滑坡体的复活，部分坡面采用浆砌块石护面加固，坡脚680 m高程设置混凝土防护墙。
　　在漫湾水电站边坡工程中也采取了浇混凝土挡墙及浆砌石挡墙、混凝土防掏槽等措施，综合治理边坡工程。

1.5　锚固洞

　　在漫湾水电站边坡工程中，采用各种不同断面的锚固洞64个，形成较大的抗剪力。在左岸边坡滑坡以前，已完成2 m×2 m断面小锚固洞18个，每个洞可承受剪力9 000 kN。此外，还利用地质探洞回填等增加一部分剪力。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条件远较传统悬臂结构合理，可望提供较大的抗力。

　　2、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，加上坡面岩体抗压强度高，因此，在天生桥二级、漫湾、铜街子、三峡、李家峡等工程的边坡治理中都得到大量应用。
　　在漫湾水电站边坡工程中，采用了1 000 kN级锚索1 371根、1 600 kN级锚索20根、3 000 kN级锚索859根、6 000 kN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 kN级为5～6 m，3 000 kN级为8～10 m,6 000 kN级为10～13 m；外锚头为钢筋混凝土结构，与基岩接触面的压应力控制在2.0 MPa以内。
　　为提高锚索受力的均匀性，漫湾工程施工单位设计了一种小型千斤顶，采用“分组单根张拉”的方法，如3 000 kN锚索19根钢绞线，每组拉3根，7次张拉完；6 000 kN锚索37根，10次张拉完，既简化操作程序，又提高锚索受力均匀性。锚索在补偿张拉时可以用大千斤顶整体张拉(如3 000 kN锚索)，也可继续用分组单根张拉方法(如6 000 kN锚索)，都不会影响锚索受力的均匀性。
　　在小浪底工程中大规模采用的无粘结锚索具有明显的优点，其大部分钢绞线都得到防腐油剂和护套的双重保护，并且可以重复张拉。由于在施工时内锚头和钢铰线周围的水泥浆材是一次灌入的，浆材凝固后再张拉，因此减少了一道工序，提高了工效，但其价格相对较高。
　　在高边坡施工过程中为保证开挖与锚固同步施工，必须缩短锚索施工时间，及早对岩体施加预应力，以达到加快工程进度，确保边坡稳定的目的。为此，结合八五科技攻关，在李家峡水电站高边坡开挖过程中，成功将1 000 kN级预应力锚索快速锚固技术应用于工程中。室内和现场试验表明，采用N-1注浆体和Y-1型混凝土配合比可以满足1 000 kN级预应力锚索各项设计技术指标，而施加预应力的时间由常规的14～28 d缩短到3～5 d。该项成果对及时加固高边坡蠕变和松弛的岩体具有重要的现实意义，充分体现了“快速、经济、安全”的原则。
　　三峡永久船闸主体段高边坡工程规模之大、技术难度之高均为国内外边坡工程所罕见，其加固过程中，采取了喷混凝土、挂网锚杆、系统锚杆、打排水孔、设置排水洞、采用3 000 kN级预应力锚索等综合治理措施，其中，3 000 kN对穿锚束1924束，在国内尚属首例。系统设计3 000 kN级预应力对穿锚束1 229束，孔深22.1～56.4 m，主要分布在南北坡直立墙和中隔墩闸首及上下相邻段。南北坡直立墙布置两排，水平排距10～20 m，孔距3～5 m，第一排距墙顶8～10 m，第二排距底板高20 m左右，均于两侧山体排水洞对穿。中隔墩闸首布置3排，排距10 m，孔距3.5～6.4 m，第一排距墙顶10 m。此外，动态设计3 000 kN级预应力对穿锚束695束，孔深16～66 m，主要布置在中隔墩闸室和竖井部位。对穿锚束分为无粘结和有粘结两种型式，其结构主要由锚束束体和内外锚头组成。由于锚索采取对拉锚索的形式，将内锚头放在山体内的排水廊道中，因此，内锚头不再是灌浆锚固端，而是置于廊道内的墩头锚或双向施加张拉的预应力锚。这类加固方式将排水和锚固结合起来，减少了约占锚索长度1／3～1／4的内锚固段，是一种理想的加固形式。
　　预应力锚杆也是常见的一种加固形式，如天生桥二级水电站厂房高边坡工程中实施了减载、排水、抗滑桩等技术后，滑坡位移速度虽有明显减小，可未能完全停止。为了确保雨季在滑坡体前方的施工安全，稳定抗滑桩到滑坡体前缘的约20～40 m长，10余万m3的滑坡体，决定在565 m高程马道上设置300 kN预应力锚杆。锚杆分两排，孔距2 m、孔径90 mm，孔与水平成60°夹角，用36的钢筋，共实施了152根预应力锚杆，保证了工程的安全。

　　3、减载、排水等措施的应用

3.1　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。如天生桥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SE的陡倾岩层影响，将向S(24°～71°)E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，对滑坡整体的稳定不利，因此能有效控制后坡滑移也就能减缓整体滑坡。
　　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%。
　　乌江渡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，的水平延伸长度达200 m，纵深切割190 m。4年多的变形观测结果表明，裂隙顶部累计沉陷量达171.1 mm，累计水平位移量达56.0 mm，估计可能滑动的体积约50～100万m3。为保证大坝的安全，对小黄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。

　　3.2　排水、截水

　　地表水渗入滑坡体内，既增加滑坡体的重量，增加滑动力，又降低了滑动面上岩层的内摩擦力，对滑坡体的稳定是不利的。对于滑坡体以外的山坡上的地表水，采取层层修建拦水沟、排水沟的方法排水。在坡体范围内的地表水，对开裂的地方用黄土封堵，低洼积水地方用废碴填平，顺地表水集中的地方设排水沟排走地表水。如天生桥二级水电站厂房边坡工程治理中总共修建拦水沟、排水沟近10 km。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∪形环，在排水洞内再设排水孔，把滑动体内地下水引入排水洞。
　　漫湾水电站边坡工程深层排水采用在坡面打深15～20 m的排水孔，每6 m×6 m设一孔，利用施工支洞和专设排水洞排水，并在洞内向上、向坡外方向打辐射形排水孔，深15 m。
　　三峡船闸高边坡稳定分析结果表明，地下水是影响边坡稳定的主要因素。三维渗流分析成果表明：船闸高边坡形成之后，在坡面喷混凝土防渗条件下遇连续降雨，若无排水设施，边坡山体地下水均在较高位置出逸；当设置排水洞后，地下水位较无排水情况有所降低，但不明显；当在排水洞中设置排水孔幕之后，地下水位有较大幅度降低，南北坡地下水出逸点已接近闸室底板高程，排水效果显著。为此，三峡船闸高边坡采用地表截、防、排水与地下排水相结合的综合排水方案，以地下排水为主，地表截、防排水为辅，有机结合，通过截、防、导、排，尽可能降低边坡岩体地下水位，减小渗水压力，改善边坡稳定条件，提高边坡稳定性。