水利水電工程高邊坡的加固與治理
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著工程修建的可行性,影響著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成為制約工程進度和成敗的關鍵。我國正在建設和即將建設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,拉西瓦水電站下游左岸存在著高達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復雜,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斗爭的過程中,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巖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月確定廠房下山包壩址后,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,預計雨季到來時將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高程平臺上設置1排,樁中心距6m,樁深為25~39m,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.第一批抗滑樁從1987年3月上旬開工,5月下旬開始澆筑,6月1日結束。第二批抗滑樁施工是在1987~1988年枯水期內完成的。
抗滑樁開挖深度達3~4m后,在井壁噴30~40cm厚的混凝土。對巖體較好的井壁采用打錨桿、噴錨掛網的方法進行支護,噴混凝土厚度10~15cm。對局部塌方部位增設鋼支撐??够瑯堕_挖到設計要求深度后,進行鋼筋綁扎和鋼軌吊裝。
混凝土澆筑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,每小時澆筑厚度控制在1.5m內,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5~7m時,要求分層振搗。每個井口設兩個溜斗,溜管長度為10~14m,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、預應力錨桿、錨索、排水、護坡等綜合治理措施后,坡體的監測成果表明:下山包滑坡體一直處于穩定狀態,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余m,單坡段一般高度在30~40m。大量的開挖造成邊坡巖體的應力釋放,斷面暴露,再加上雨水的侵入,破壞了邊坡的穩定,致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高程平臺上共設置了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板內。為了不干擾平臺外側基坑的施工,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。
抗滑樁混凝土標號為r28250號,鋼筋為φ40ⅱ級鋼??够瑯队?982年1月施工,3月完成后,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后,發現在263m高程平臺上沿fb75、f22斷層及7號抗滑樁外側近南北向出現小裂縫,且裂縫不斷擴大,21天后7號抗滑樁外側的fb75~f22棱體下滑,依靠7號抗滑樁的支擋,樁內側山體得以保存。
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1986年6月和1988年2月兩次出現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年汛后左導墻和護坦基礎開挖過程中滑體再度復活,確?;拥陌踩┕?,對左岸邊坡的整體進行穩定分析后,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。
沉井結構設計根據沉井的受力狀態、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,后開挖四邊;先開挖短邊,后開挖長邊。沉井就位后清洗基面,設置φ25錨桿(錨桿間距為2m,深3.5m),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??蚣茏o坡具有結構物輕,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?,其節點設長錨桿穿過滑面,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,節點設短錨桿,與強風化坡面在一定范圍內形成整體。
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桿: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砂漿錨桿,在565~580m高程間坡面則設垂直于坡面的φ28、長6m的砂漿錨桿,相應地框架配筋為8φ20和4φ20??蚣芤笤谄旅嫱?0cm深,50cm寬的槽,部分嵌入坡面內,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。
1.4 混凝土擋墻
混凝土擋墻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高程夾泥層上面的巖體滑動10余cm,584m高程平臺上出現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置了混凝土擋土墻,以防止古滑坡體的復活,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。
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,具有不破壞巖體,施工靈活,速度快,干擾小,受力可靠,且為主動受力等優點,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,均為膠結式內錨頭的預應力錨索,采取后張法施工。預應力錨索由錨索體、內錨頭、外錨頭三部分組成。內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,與基巖接觸面的壓應力控制在2.0mpa以內。
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,并且可以重復張拉。由于在施工時內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,及早對巖體施加預應力,以達到加快工程進度,確保邊坡穩定的目的。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,成功將1000kn級預應力錨索快速錨固技術應用于工程中。室內和現場試驗表明,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標,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巖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內外邊坡工程所罕見,其加固過程中,采取了噴混凝土、掛網錨桿、系統錨桿、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,在國內尚屬首例。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10~20m,孔距3~5m,第一排距墻頂8~10m,第二排距底板高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,第一排距墻頂10m。此外,動態設計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內外錨頭組成。由于錨索采取對拉錨索的形式,將內錨頭放在山體內的排水廊道中,因此,內錨頭不再是灌漿錨固端,而是置于廊道內的墩頭錨或雙向施加張拉的預應力錨。這類加固方式將排水和錨固結合起來,減少了約占錨索長度1/3~1/4的內錨固段,是一種理想的加固形式。