金子滩电站引水隧洞古滑坡体的处理措施

廖 伟

(雅安市水利水电勘测设计研究院,四川雅安,625000)

1 概述

金子滩电站是一座有压引水式电站,设计水头 83.75m,圆形隧洞内径 3.8m,装机 2×10.5MW,2004年动工,2006年1#机组试运行。引水隧洞 3#支洞主洞,当施工掘进到里程 3+426m处时,地质情况突变,围岩破碎,呈亚粘土夹块孤石,有少量裂隙水,成洞条件差,开挖时发生严重垮塌,阻碍了正常掘进;采用 I14mm工字钢制作钢拱架边开挖边支护、顶部喷混凝土的方案时,洞顶大垮塌将钢拱架推倒压变形,向前掘进很难,施工十分危险,被迫停工。经过对现场分析及地表地质测绘,初步认定进入到了古滑坡体。为此,通过现场勘测、取样等综合手段进行研究,查清了滑坡体的确切范围、规模和性质,为设计提供了充分的依据。

2 自然地质概貌

工程区大地构造位于川滇南北构造带的北部,区域构造为大相岭歹字型构造的东部,其东边 5km有青龙断裂通过,西北 6km有北东向花滩断裂通过。岩层倾向 20°～60°,倾角 35°～45°,有三组节理发育:①倾向 249°～257°,倾角 39°～66°,间距 1m～3m,面平直,延伸0.5m～2.5m,发育;②倾向 308°～335°,倾角80°～85°,间距 2m～3m,面较平,较发育;③倾向 60°～89°, 倾角 68°～78°, 面较平, 稀少。工区出露地层为侏罗系上统蓬莱镇组 (J3p)、白垩系下统天马山组 (K1t)、白垩系上统夹关组 (K2j)、灌口组 (K2g)以及第四系松散堆积层。

3#支洞主洞至调压井段,出露地层为白垩系灌口组 (K2g)泥钙质粉砂岩、粉砂质钙质泥岩,呈中厚层状,节理裂隙发育,属Ⅲ～Ⅳ类围岩,此外并存在第四系堆积层和古滑坡体。

工程区物理地质作用主要有风化、剥蚀、卸荷崩塌和古滑坡体滑动,第四系与基岩中顺层滑动较发育,压力管道坡面分布深厚古滑坡堆积。

3 古滑坡体的成因及变形发展

3.1 古滑坡体形成原因

滑坡形成经历了漫长的过程。古滑坡体右岸由白垩系 (K2g)泥钙质粉砂岩、粉砂质钙质泥岩组成,岩层走向与岸坡近于平行且倾向坡处,由于河谷深切和河流对右岸凹部的侧蚀作用,形成了近 200m的高陡岸坡,大相岭歹字形构造带靠滑坡体东部通过,东面 5km有青龙断裂通过,西北 6km有北西花滩断裂通过,加之两侧冲沟的切割,使岩体失去傍侧牵引,构成向河谷临空的不稳定岩体。由于卸荷、风化、地应力、重力和地下水的长期作用,逐渐形成了高陡岸坡的平衡条件,坡体后壁陡倾角构造裂隙张开,形成拉裂面,地表水往拉裂面不断渗入,当拉裂面发展到一定程度,与坡体层间泥岩软弱夹层贯通时,遇特大暴雨,在动水压力和岩体重力等地质营力的作用下,导至岸坡顺层下滑。由于滑坡体前缘剪出口高于古河槽约 20m,当滑体前缘物质被挤出后,垮塌堆积于Ⅱ级阶地上,因下滑力较大,将Ⅱ级阶地表层粘土大部分推掉,滑体沿Ⅱ级阶地砂卵砾石层滑移受阻,逐渐减速而停止滑动。

3.2 古滑坡变形发展三阶段

金子滩前池段滑坡形成机制,属滑移——压致拉裂破坏类型,其变形发展过程可分三个阶段。

3.2.1 卸荷回弹滑移、拉裂阶段。由于河流强烈下切与侧向侵蚀作用,岸坡逐渐变高变陡,岸坡岩体在卸荷回弹、地应力释放和重力作用下,坡顶出现拉应力集中带,导致平行河流方向的陡倾构造裂面拉裂张开,岩体沿层间泥岩软弱夹层产生向河床方向蠕动变形滑移,滑移面的锁固点产生垂向上的拉张裂隙。

3.2.2 压致拉裂扩展阶段。随着变形的发展,压致拉裂面不断扩展,坡体内不断产生应力松驰,地表水沿拉裂缝渗入软化滑带,进一步促进坡顶和坡脚已形成的拉裂面或滑移面向纵深发展。

3.2.3 滑移面贯通剪断阶段。当岸坡顶部拉张裂面和底部剪切滑移面迁就并追踪已有结构面向坡体内部发展到一定程度,岸坡变形进入累进性破坏阶段时,坡脚岩体由于岸坡上部岩体的强烈挤压作用,开始了缓慢的滑移过程;当岸坡底部剪切滑移面与后缓拉裂面之间地段逐渐被压碎、扩容和剪断,终使滑面扩展贯通,导致岸坡失稳下滑。

3.3 滑坡的变形演化

滑坡形成后,滑体结构疏松,裂隙发育,外地质营力对滑坡的破坏、改造更加强烈,促进滑坡粘土化,使滑体局部又重新活动,其范围从地貌上可大致确定为滑坡中部冲沟与右岸冲沟之间的区域。在此范围内,滑体粘土含量相对较高,无巨大岩块或假基岩存在。实际上,滑体中冲沟就是沿该重新活动滑动边缘之剪切带发育而成。

4 古滑坡体的稳定分析

调查发现,滑坡前缘上覆的Ⅰ级阶地阶面保存完好,滑体中部及后缘树木生长正常,无“醉汉林”、 “马刀树”现象。滑体上有院落数座,其房屋、古墓均未发现变形痕迹,说明滑坡体滑动历经较长的稳定时间。经过分析、论证及稳定性验算结果亦表明,在目前天然条件下,滑坡体处于稳定状态,符合以上实际情况。当隧洞施工开挖到该处时,隧洞进入到散体结构的古滑坡堆积体,属于Ⅴ类围岩体。由于围岩成洞条件差,洞室施工开挖时,古滑坡体自身稳定遭到破坏,滑坡体向洞内发生大规模垮塌,出现严重的不利因素,滑坡体发生局部失稳。

5 处理措施

由于该段古滑坡体所处位置在引水隧洞至调压井之间,经过以上研究分析,综合各位专家提供的意见,为确保洞室的施工安全,建议采用超前管棚法先护后挖的施工方案。

5.1 施工方法

在开挖前先将外径 φ100mm、长10m的钢管插入掌子面古滑坡体中,插入倾角 4°～6°、间距 40cm。采用液压钻成孔,并利用液压钻的冲击力将钢管顶入围岩中,外露末端焊接在钢拱架上。

开挖时,每个循环进尺为 3.5m,并采用I14mm钢拱架、边开挖边支护的施工方法。钢拱架用 18～24根 φ22mm、长 3.0m锚杆固定,并与钢管焊接。两榀钢拱架间距 1.0m,φ22mm拉筋联接,拉筋间距 1.0m。

5.2 施工工艺

超前管栅法施工工艺程序如下:

(1)对开挖面进行初次喷射混凝土,喷层厚度一般为 3cm～6cm;

(2)架立钢拱架支撑,并做好纵向联结支撑;

(3)第一次测量,标出超前钢管孔的位置,并核对巷道净空;

(4)钻孔和插钢管;

(5)挂钢筋网,焊接钢管外露端,焊接横向短钢筋、钢拱架支撑相接处;

(6)清除工作面底部附近的浮渣;

(7)第二次喷射混凝土,喷层厚度一般为15cm～20cm;

(8)第二次测量,在开挖面画出下次开挖轮廊线,并标出炮眼位置;

(9)钻炮眼,装药,堵炮眼及爆破;

(10)工期计划,4天一个循环,进尺为3.5m。

在实施以上施工方案后,施工单位在施工中安全地通过该段古滑坡体。并经永久性支护和通水试验后,当年即开始运行发电,至今未出现任何问题,创造出了较好的经济效益和社会效益。