水布垭电站大岩淌滑坡体加固设计及治理效果

罗福海 夏界平 於习军 周玉红

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北武汉 430010;2.长江三峡勘测研究有限责任公司,湖北宜昌 443000;3.湖北清江水电开发有限责任公司,湖北宜昌 443000)

水布垭电站大岩淌滑坡体加固设计及治理效果

罗福海1夏界平2於习军1周玉红3

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北武汉 430010;2.长江三峡勘测研究有限责任公司,湖北宜昌 443000;3.湖北清江水电开发有限责任公司,湖北宜昌 443000)

水布垭大岩淌滑坡体位于大坝左岸大崖东侧坡脚下游,上距坝轴线 800余米,距溢洪道挑流鼻坎300余米,距泄洪最大挑距冲坑 60余米,右岸是地下电站尾水洞出口。滑坡体一旦失稳,将堵塞地下电站尾水隧洞出口及河道,严重威胁枢纽工程安全运行。简述了对大岩淌滑坡体的研究论证和加固措施,在发现地质条件发生变化时,采用了二次加固措施;提出了对前缘抗滑桩支挡加固、地表防渗排水、地下排水、前缘防冲护岸和安全监测等一系列综合整治方案,以保证滑坡体处于稳定状态。

混凝土面板堆石坝;滑坡;加固设计;治理方法;水布垭水利枢纽

1 滑坡体的地质特性

大岩淌滑坡体位于清江水布垭面板堆石坝下游,西侧为大崖陡壁,滑坡体的滑舌受大坝溢洪道放水冲刷的影响,前缘呈向南突出的弧形,剪出口高程约 200～210 m。东侧以榨房沟为界,后缘高程为430m,形成明显的“圈椅状”地形特征。滑床下伏基岩内揭示大小断层 70多条,断层大多规模小、倾角陡、断距小或不明显,具张拉性质;基岩内相对软弱的页岩夹层较多,常遭顺层剪切破坏形成泥化夹层。页岩、泥灰岩等软岩风化相对强烈。断层与裂隙的切割,严重影响到岩体的完整性,而泥化夹层强度低,性状差,给滑体顺层滑动提供了有利条件。滑坡区分布的物质主要为崩、坡积层及滑坡堆积层,多由大块石、块石夹碎石土组成,结构松散,局部架空,透水性好,属强透水层。底部滑带土粘粒含量高,结构密实,透水性弱,属相对隔水层。下伏基岩为裂隙性岩体,透水性一般较弱。滑坡体中地下水主要来源于大气降雨,多赋存于滑坡体的中、下部,于前缘剪出口一带渗出。

2 滑坡体稳定分析与治理措施

2.1 稳定分析方法

采用刚体极限平衡和有限元等分析方法对大岩淌滑坡体的稳定性进行分析计算。极限平衡法包括二维极限平衡和三维极限平衡。二维极限平衡计算主要是采用剩余推力法和能量法,以及摩根斯登 -普赖斯法(M-P法)和萨尔玛法。有限元法则是采用“NOLOM”弹塑性有限元、弹粘塑性自适应有限元等分析方法。

2.2 加固的基本原则

大岩淌滑坡体规模较大,考虑到其受水布垭大坝施工干扰严重,加之受溢洪道泄洪冲切及雾雨的影响很大,为了保证该滑坡体的长期稳定性以及确保枢纽工程运行的安全性,对滑坡体采用了前缘抗滑桩支挡加固、地表防渗排水、地下排水和前缘防冲护岸的综合整治措施。结合防治滑坡的目的和特殊的整治环境,确定了加固方案的基本设计原则:

(1)安全系数不小于1.15,确保工程主体建筑物的施工和运行安全;

(2)保持和改善滑坡体及其周围的自然环境,不能因为治理滑坡体而破坏周围岸坡的稳定,避免发生新的环境地质问题;

(3)采取的工程措施应针对影响稳定性的主要因素,在安全稳妥的前提下,尽量节省工程投资;

(4)针对大岩淌滑坡体的重要性、滑坡问题的复杂性以及其他一些不确定性因素,在滑坡体安全监测设计过程中,应开展对滑坡体深部位移、地表变形、地下水位及加固施工期抗滑桩受力等方面的监测项目,以便监测滑坡体的稳定性。

2.3 设计安全系数的确定

对大岩淌滑坡体实施治理加固工程措施以后,其安全标准的取值在正常工况下能够维持在1.15以上,这样能保持其天然状况下的可持续稳定性。设计安全系数的取值见表 1。

表1 滑坡体设计工况及设计安全系数

3 设计方案

根据上述原则,研究确定了大岩淌滑坡体采取前部支挡加固、后部削方减重、前缘防冲护岸、地表防渗、地下排水的综合治理方案。大岩淌滑坡体治理及安全监测布置见图 1。

3.1 抗滑桩加固

针对滑坡性质和必须满足稳定性的安全系数,并考虑降低地下水位的作用,滑坡体抗滑稳定的重要手段是采用抗滑桩进行加固,以阻止下滑力的作用。第 1期抗滑桩主要布置在滑坡体的前部,为 3排(局部 4排)布置型式,滑坡体抗滑桩东部的单宽支挡加固力为 1 960 kN,中部为 3 920 kN,西部为980 kN。第 1排 17根抗滑桩位于滑坡体前缘高程220m马道上,第 2排 28根抗滑桩位于 3号公路高程 234m的内侧,第 3排 23根抗滑桩位于高程 240 m处,抗滑桩中心间距均为10m左右。桩身承受的滑坡推力按矩形分布考虑,内力计算采用“K”法,按铰支考虑。岩体弹性抗力系数 3×105kN/m3,桩身作用于围岩的侧向压应力折减后取5.6 MPa。根据支挡加固力的分布情况,在滑坡体前缘布置 3排共68根抗滑桩。经各阶段比选,最终将抗滑桩结构确定为圆形桩,其中对滑坡体厚度大于 21m的部位则采用沉头桩。

图1 大岩淌滑坡体治理加固平面示意

3.2 地表防渗及排水

大岩淌滑坡体前缘对岸是放空洞出口,放空洞在 3 a的大坝施工中起到了重要作用,因为每年度汛均要放水;滑坡体的坡滑舌部位又是溢洪道挑流坎,无论是放空洞或溢洪道放水,滑坡体大部分都处于泄洪雾化的影响区,与一般的大气降雨相比,泄洪雾化雨的强度更大、历时更长。为此在泄洪降雨区,根据雾雨强弱分布情况对地表防渗采用现浇不同厚度的混凝土进行保护,护坡厚度为0.3～1.0 m。为防止护坡混凝土开裂渗水,在混凝土下铺设排水盲沟。对非泄洪降雨区的滑坡体坡面及其周边坡面均进行植被绿化。

地表排水系统由周边及坡面纵横向截(排)水沟组成。滑坡体周边及坡面共布置 3条地表纵向排水沟,这些沟由天然冲沟扩大修整而成。地表横向排水沟则是根据地形、公路及护坡的格局随机布置,其主要作用是导排滑坡体内的坡面汇水并将其引至纵向排水沟内。

3.3 地下排水

滑坡体处于稳定状态就可以减少滑坡体的动水压力。针对滑坡体的地形环境,确定该滑坡体的排水设施以排水洞为主,排水洞主要是依据滑坡体内地下水的分布和滑床的几何形状布置。其中主排水洞顺滑床凹槽方向布置,横向排水洞的布置大致上垂直于主洞方向,并与 1号和 2号勘探竖井连通,同时增设 3号竖井,形成洞井系统,设置集水井抽排汇水。

排水洞内布设有排水孔,排水孔分两种类型,一类为主排水孔,布置在排水洞顶拱部位;另一类为辅助排水孔,布置在排水洞侧壁。主排水孔是排除滑坡体内地下水的关键设施,为了确保其排水的有效性,主排水孔除了常规的从洞顶朝上钻设的仰孔以外,还增设了从地面朝洞内钻设的穿透式排水孔。主排水孔孔径为 φ91 mm,安装 MY80型塑料滤水管;穿透式排水孔孔径为 φ110mm,安装 MY100型塑料滤水管。辅助排水孔垂直洞壁略向上仰,洞的两侧各布置 1排,孔深 1.0m,孔径 φ56mm,安装MY50型塑料滤水管。

3.4 护岸工程

由于溢洪道泄洪消能区的开挖,使大岩淌滑坡体前缘高程 230m以下的坡度较陡,该部位在泄洪时江水流速较大,同时滑坡体上的 3条地表纵向排水沟的水流亦将从这里流入清江。为了防止泄洪冲刷,对滑坡体前缘采取了稳妥可靠的护岸工程措施。护岸工程是作为永久防护工程被纳入溢洪道建筑物。

3.5 稳定复核及补充加固

3.5.1 稳定复核

滑坡体前部的 1号公路是大坝填筑运料的主要交通道路,受到运料车辆和施工的扰动比较严重;滑坡体前缘由于防淘墙开挖造成局部临空,使滑坡体的自然条件也发生了较大变化。2007年 6月 19日～7月 2日,清江上游连续降雨,根据大坝填筑施工和上游恩施州防汛的需要,放空洞建筑物最大开闸泄洪流量约为 1 600 m3/s,放空洞泄洪都集中在大岩淌滑坡体的下游,大量的雾雨和冲刷也都集中在滑坡体的前缘,其雾雨强度及影响范围非常大,使滑坡体后缘的移民点也在泄洪雾雨影响范围内。在长期雾雨和冲刷的作用下,滑坡体前部堆积物在强雾雨渗透下极易饱和,地下水不能及时排出,极大地增强了堆积体的静水和动水压力作用,导致滑坡体前缘下游侧及 3号公路一段沿河岸坡堤垮塌,基岩被冲刷显露、淘蚀深度约达 10m,见图 2。垮塌发展到前部抗滑桩的支挡范围内,幸好未进一步扩大。根据监测成果可以看出,由于抗滑桩起到了抗滑作用,因而滑坡体的整体稳定性并未受到影响,但局部变形仍在发展。

图2 滑坡体岸坡被雾化冲刷后的垮塌范围

监测发现,大岩淌滑坡体前缘由于防淘墙开挖造成了局部临空,致使滑带土的力学参数较可研阶段下降较多,这些因素均对滑坡体的稳定性很不利,而稳定性无论对于施工期还是今后工程的运行期,都相当重要。由于滑坡体边界条件的变化和稳定性现状,必须对其稳定性进行复核分析,对复核分析结果不能满足安全标准的部位进行补充加固。

3.5.2 稳定复核计算方法

经过大量的反演计算和敏感性分析,利用施工阶段抗滑桩的受力效果及排水洞、拉锚洞的施工场地,对滑坡体主滑带、基岩软弱夹层开展物理、力学性质试验和滑坡的变形现状分析,结合考虑滑坡的充水情况以及已固结的滑带可能遭受了重新破坏,对滑坡体稳定性进行了复核。稳定复核计算以常用的剩余推力法为主,得出补充加固工程设计安全系数,见表 2。

表2 滑坡体稳定性复核及补充加固设计安全系数

稳定性分析和计算成果表明,滑坡体的剩余推力曲线呈双峰形状,其中前缘的局部稳定性较差。从规模上可将滑坡体的破坏模式归纳为以下 2种模式。

(1)整体破坏模式。滑坡体前缘沿主滑面,中后部沿底滑带土破坏;滑体前缘沿泥化夹层,中后部沿底滑带土破坏。

(2)局部破坏模式。滑体前缘沿主滑面,中后部沿滑坡体剪出;滑坡体前缘沿泥化夹层,中后部沿滑坡体剪出。

3.5.3 沿泥化夹层补充阻滑加固

另外滑坡体也有可能是沿基础泥化夹层破坏,针对具体情况进行了计算,结果表明,在最大剩余推力为 10 780 kN/m的作用下,泥化夹层临空的最小岩体保护厚度为3.1m。大岩淌滑坡体基岩深层抗滑稳定构成威胁的主要是黄家蹬组(D3h)中的 gh2、gh3泥化夹层,夹层性状差,强度低,埋藏较深,分布连续,适于采用阻滑键进行置换加固。根据防淘墙处的地质剖面及防淘墙设计临空线与泥化夹层的相对关系,确定大岩淌滑坡体及下伏基岩的加固范围约为 155m。加固范围如图 3所示。共布置 2条阻滑键,采用混凝土结构,城门为洞形断面,尺寸为3.5m×4.72m。混凝土标号采用 C30,抗剪强度取1 960 kN/m2。阻滑键两侧壁各布置 3排间距为 150 cm的锚杆,锚入岩体 2m,外露0.5m;顶拱布置 2排间距为 150 cm的锚杆,锚入岩体 2 m,外露0.5 m;对阻滑键洞顶进行回填灌浆处理。经计算,单排阻滑键的设计支挡力为 5 390 kN/m。

3.5.4 主滑面抗滑加固

沿主滑面实施的补充加固措施仍选用人工挖井的钢筋混凝土抗滑桩型式。根据稳定分析得出的剩余下滑力分布曲线,在第 1期抗滑桩后面增补了 2排,局部增加 3排抗滑桩,以控制后部至前缘的局部稳定;第 2期共增加抗滑桩 54根,采用矩形沉头桩。根据堆积体厚度和设计支挡力的不同,第 2期抗滑桩也分为 3种类型:Ⅰ型桩的断面尺寸为 3 m×4.5 m,锚固段长 13m;Ⅱ型桩的断面尺寸为 3m×4 m,锚固段长 11 m;Ⅲ型桩的断面尺寸为 3m×4m,锚固段长 9 m。Ⅰ型桩的基岩面以上 25 m、Ⅱ型桩基岩面以上 21 m、Ⅲ型桩基岩面以上 16 m采用的都是 C30钢筋混凝土;其余滑坡体段采用的是 C15素混凝土。钢筋混凝土与素混凝土之间采用 2 cm的泡沫板隔开。

图3 前缘泥化夹层加固范围

4 安全监测设计

安全监测成果可以直观地反映滑坡体的安全稳定性状态,本监测设计方案也是实施滑坡体加固措施的一个组成部分,监测设计方案包括以下几个方面。

4.1 大地变形监测

大地变形监测是通过地表垂直位移和水平位移来了解整个滑坡体的外部变形情况,它是对滑坡体进行稳定监测的一个重要手段。测点沿滑坡体中轴线方向布置一个监测剖面;在滑坡体的前部布置 3个测墩,其主滑方向及左右侧各布置 1个测墩;滑坡体的中部和后部也同样布置测墩。外部变形监测与滑坡体加固同期进行。

4.2 滑坡体深部位移监测

沿滑坡体轴线为主要监测断面,在前部、中部和后部布置了 6个位移监测孔。其中主滑坡方向布置3个测孔,东西两侧次级滑坡体方向各布置 1个测孔;深部位移监测布置情况见图 1。加强滑坡体安全监测工作的主要内容包括:

(1)深部水平位移监测;(2)地下水位监测;(3)地表安全巡视。

4.3 抗滑桩的钢筋应力监测

在抗滑桩施工前,先进行 3号试验桩的施工,一方面可以从中获取有关技术参数和施工经验,另一方面在 3号试验抗滑桩埋设钢筋计,以了解滑带上、下施工期和今后运行期抗滑桩的应力变化情况,在第 1期施工的抗滑桩的 3号试验桩、Z2-6、Z2-16、Z2-22、Z1-9和 Z3-1抗滑桩均埋设了监测仪器。在第 2期加固施工过程中,仅在个别抗滑桩内增补了部分监测仪器。

5 滑坡体的稳定性评价

在对大岩淌滑坡体的治理工作进行充分的科学研究和论证的基础上,针对各种不利的运行工况和地质条件,采用刚体极限平衡和有限元等分析与计算,并结合施工条件,提出了前缘抗滑桩支挡加固、地表防渗排水、地下排水洞排水及前缘防冲护岸等综合治理设计方案。施工后期,由于滑坡体的力学参数等边界条件发生了较大变化,在滑坡体下部的基岩内发现了顺坡向顺层剪切泥化夹层,于是,对不能满足设计安全系数的部位采取了补充加固(抗滑桩加阻滑键)处理措施。根据监测资料,目前大岩淌滑坡体的深部位移和地下水渗漏情况没有明显增大,滑坡体趋于稳定状态,说明治理研究方向正确,加固处理措施恰当。

[1]罗福海,李 伟,向光红.水布垭电站泄洪雾化影响分析及防护设计[J].水利水电快报,2009,30(11).

[2]张保军,覃毅宝.清江水布垭大岩淌滑坡体初期变形分析[J].人民长江,2006,8.

TV 641.43

A

1006-0081(2011)08-0026-05

2011-05-23

罗福海,男,长江勘测规划设计研究有限责任公司水布垭工程设代处处长,高级工程师。