官地水电站竹子坝施工区场地加固处理设计

杨光伟

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 工程概况

官地水电站是雅砻江卡拉至江口河段水电规划5级开发方式的第3级电站，上游与锦屏二级电站尾水衔接，下游接二滩水电站。工程枢纽区位于四川省凉山彝族自治州西昌市与盐源县交界的打罗村境内。电站的主要任务是发电，大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程1 334m，最大坝高168m，正常蓄水位1 330m，总库容7.6亿m3，装机容量4×600MW。竹子坝施工区场地位于大坝右岸与竹子坝料场之间，引水洞进水口附近。根据施工总布置及规划，该场地将设立高线混凝土拌和系统和竹子坝人工骨料加工系统。

2 地质条件

竹子坝施工区场地位于大坝右岸和竹子坝料场之间，引水隧洞的进水口附近。场地靠近雅砻江侧开阔，其他三面环山，地貌上类似为围椅状地形，场地后缘为竹子坝料场。施工区场地坡度约10°～25°，地势宽阔；场地上有竹子坝沟，常年流水，受降水的影响雨季和旱季水量变化大。

2.1 边坡地层及岩层性状

施工区场地出露的地层主要为第四系崩坡积堆积(pl+dlQ4)块碎石土、冲洪积堆积(pl+alQ3)含碎石粉质粘土和湖积堆积的(PL+alQ3)含碎卵石土、粉质粘土(lQ3)及孤块石夹少量砂卵砾石层(col+plQ3)等，下伏基岩为二叠系上统上段和中段的玄武岩。

块碎石土(①层)以土黄～黄褐色，松散～稍密，以碎石为主，含量约为40%～50%，粒径6～15cm为主，主要分布在场地表层。含碎石粉质粘土(②层)以灰黄～灰绿色，稍湿，稍密～中密，可塑～硬塑，以粉质粘土为主。粉质粘土(③层)以灰色～灰绿色，饱和，稍密～中密，可塑～硬塑，受地下水影响力学性状较差，场地均有分布，中后缘厚度较深，综合分析该层不具液化。含砂卵砾石块碎石土(④层)以灰色～灰绿色，松散～稍密，以碎砾石为主，主要分布场地的下部。孤块石夹少量砂卵砾石层(⑤层)主要为崩积堆积形成的粒径较大、含量较多的孤块石，主要发育在竹子坝场地中前缘，1 340～1 360m平台范围。覆盖层下为致密状玄武岩、杏仁状玄武岩、菊花斑状玄武岩、杏仁状玄武岩，为二叠系上统上段致密状玄武岩，斑状结构、块状结构，主要矿物为斜长石、辉石，中厚层状。

2.2 水文地质条件

竹子坝沟内洪水季节流量为20m3/s，而旱季仅为0.5m3/s，雨季的变化对竹子坝沟水影响关系密切。钻孔发现承压水，地下水埋藏较浅，直接受地表水影响。根据深度和水压等分析是地表水渗入到相对隔水的粉质粘土层以下，顶面线大约沿粉质粘土层分布，在粉质粘土层与基岩面间没有渗流通道所形成的。

2. 3 边坡变形成因分析

2. 3.1 钻孔及开挖边坡揭示现象

根据钻孔岩芯中发现发育粉质粘土层、青灰色含碎石粉质粘土，粉质粘土层有擦痕现象、挤压、破坏原始层理现象，有承压水，黄色粘土上下发育青灰色粉质粘土层，青灰色含碎石粉质粘土可能是前缘变形滑动与黄色含碎石粉质粘土掺杂或挤压混合所致。

竹子坝高线混凝土拌合系统场地开挖平整过程中，高程1 344m平台开挖出来后，开挖边坡的1 345～1 347m高程有明显擦痕。擦痕主要出现在青灰色粉质粘土层中，长度约15m，连续发育，滑面由竹子坝沟两侧至中心部位高程逐渐降低。滑面产状N25°WNE∠6°～10°,擦痕方向N65°E左右。竹子坝沟场地前缘上游侧粉质粘土底面存在很明显的擦痕、滑面等现象，边坡存在蠕动变形，乃至滑动现象。

根据监测资料分析，编号IN05孔在深度30m处出现变形异常，IN04孔在深度22.5m处出现变形异常、IN02孔在深度17m处出现变形异常。IN05孔异常点处于粉质粘土层中，IN04孔异常点在粉质粘土层的顶面。

2. 3.2 边坡变形成因分析

场地粉质粘土层为第三系湖积沉积，层理清晰，大多近水平状分布，后缘受地形因素影响层理局部呈倾斜，干燥状态下呈半胶结半成岩状，组成物质主要为灰绿色、灰黑色、灰黄色纯的粘土、粉质粘土，成分单一，富含粘土颗粒及粘土矿物，具有干时坚硬，压缩性较高，遇水软化，脱水崩解的特性。

滑面大多位于潜水、承压水影响面，由于粉质粘土层的存在，场地边坡容易形成两种类型的滑坡：

(1)受潜水影响，粉质粘土表层遇水软化，易形成沿该层顶面发生的滑坡；

(2)受承压水影响，粉质粘土层呈底部遇水软化，易形成该层与下伏顶面发生的滑坡(见图1)。

图1 竹子坝沟典型剖面潜在滑动面示意

任何边坡变形的形成都有其内在因素和外在因素, 二者缺一不可。粉质粘土层变形产生的内在因素主要是该层有较多的粘土颗粒，使该层具有相对隔水性质，造成该层存在潜水，底部存在承压水等现象。该层具有强烈的亲水性、吸水膨胀、脱水干裂和易于泥化的特征，边坡容易在该层的顶部或底部发生变形。变形产生的外在因素主要为:

(1)水的作用，水下渗至易滑地质结构面, 一方面可软化粉质粘土, 增加岩土体容重，另一方面沿滑面的渗流可产生上浮力；

(2)切坡开挖作用：一方面切坡开挖切穿了易滑地质结构面坡脚, 为滑坡产生提供了有效临空面。

3 边坡稳定性分析

场地内无断层通过，无发生强震的地质条件，地震危险性主要受外围波及影响，地壳稳定性较好，在没有外界干扰(破坏)的情况下场地稳定性较好。影响场地整体稳定性的因素主要为粉质粘土层和水的作用及边坡坡脚开挖。

粉质粘土层承载力低，力学指标差，竹子坝施工场地在新的荷载加载的情况下，如果发生失稳，会沿此层的顶面或底面产生滑动。粉质粘土层呈相对隔水层，场地中后缘产生较大的承压水，场地承压水产生较大的扬压力，对边坡的稳定存在一定的不利影响。

3.1 分析标准和工况

竹子坝施工区场地建筑物系临时性工程，根据相关规范规定，确定边坡等级为Ⅲ级，施工期安全系数控制标准采用Ⅲ级边坡要求。开关站为永久性建筑物，边坡等级提高1级，为Ⅱ级边坡，竹子坝场地为进水口侧边坡，在电站运行期作为工程枢纽区边坡，安全系数控制标准采用Ⅱ级边坡要求。

3.2 滑移模式

根据施工布置情况确定边坡各部位的受力情况，边坡稳定安全系数采用记条块间作用力的简化毕肖普法计算。场地滑移方向主要为沿竹子坝沟方向，在沟内右侧建有开关站，存在侧向边坡滑移可能，沟左侧边坡临沟侧也较陡，存在侧向边坡稳定问题。计算采用滑动模式主要为：

(1)沿基覆界面的滑动稳定系数；

(2)对覆盖层边坡稳定性进行分析，搜索得出覆盖层边坡大圆弧滑裂面最小滑动稳定系数；

(3)沿粘土层顶面滑动稳定系数；

(4)对覆盖层前缘或后缘部分小范围内进行分析，搜索得出边坡局部小圆弧滑裂面最小滑动稳定系数；

(5)沿钻孔及监测资料揭示的潜在滑面滑动的稳定系数。

3.3 稳定性分析

3.3.1 计算参数

竹子坝施工场区边坡一旦失稳，将影响主体工程的施工工期，同时考虑施工期的不利影响等因素，计算参数选取见表1：

表1 竹子坝施工区场地边坡稳定分析参数

3.3.2 边坡稳定计算成果

为分析竹子坝施工区场地在建筑物的加载下边坡的稳定情况，计算中模拟了施工场地加载情况，计算复核了5种滑移模式下边坡的稳定性。

(1)沿基岩覆盖层界面滑动。根据计算成果，施工期竹子坝沟方向边坡各剖面沿基岩覆盖层界面的安全系数正常工况时最低为1.048，饱水工况时最低为1.051，在施工建筑物荷载作用下竹子坝沟方向边坡沿基岩覆盖层界面滑动施工期安全系数不能满足Ⅲ级边坡的安全系数。成品碎石仓、碾压混凝土砂仓、搅拌楼、水泥罐及砂罐等荷载较大的建筑物基本上位于边坡的前缘及坡脚部位，对边坡稳定起一定的有利作用，运行期施工建筑物荷载撤除后，安全系数有所降低，地震工况下处于不稳定状态。

施工期开关站边坡沿基岩覆盖层界面的安全系数正常工况时为1.151，饱水工况时为1.154，开关站边坡沿基岩覆盖层界面滑动施工期安全系数满足Ⅱ级边坡要求。运行期边坡中上部的常态砂仓撤除后，正常工况、饱水工况下的安全系数均有所提高，但地震工况下的安全系数为0.993，不满足稳定要求。

竹子坝场地侧边坡沿基岩覆盖层界面的安全系数正常工况为0.992，饱水工况时为0.978，地震工况时为0.911，不满足要求，场地的侧边坡存在稳定问题。

(2)沿搜索滑面(大圆弧滑动和小圆弧滑动)。搜索滑面中大圆弧为滑动范围较大的圆弧，小圆弧为覆盖层前缘、后缘附近以及施工场地开挖形成的较陡部位搜索的圆弧，两者均为搜索的最不利滑面。

根据计算成果，大圆弧搜索最不利滑面时，施工期竹子坝沟方向边坡主要剖面在正常运行工况及饱水工况下的安全系数不满足要求，可能沿着地基土粉质粘土层进行滑移，需要进行加固。同时开关站边坡和侧边坡在正常运行工况及饱水工况下的安全系数也不满足要求。运行期大滑弧搜索的最不利滑面在正常工况及饱水工况下的安全系数比施工期有所降低，地震工况下处于不稳定状态。

小圆弧搜索最不利滑面情况下，施工期在正常运行和饱水工况下的安全系数不满足要求，覆盖层的前缘高程1 380～1 344m间的局部边坡存在不稳定问题。覆盖层边坡的后缘高程1 440～1 410m间的局部边坡(一筛车间至物质仓库局部边坡，中细碎料仓至成品碎石仓局部边坡)存在不稳定问题。开关站边坡在正常运行和饱水工况下的安全系数不满足要求，其前缘边坡存在不稳定问题。运行期这些部位处于不稳定状态。

(3)沿粉质粘土层顶部界面滑动：根据计算成果，施工期沿粉质粘土层顶部界面的安全系数正常工况时最低为1.281，饱水工况时最低为1.257；运行期各计算剖面沿粘土层顶部界面的安全系数正常工况时最低为1.293，饱水工况时最低为1.267，地震工况时最低为1.078。沿粘土层顶部界面滑移模式下边坡处于稳定状态。

(4)沿潜在滑面滑动：根据计算成果，运行期沿潜在滑面各工况下的安全系数不满足要求，边坡处于临界或不稳定状态。对于潜在滑面2，施工荷载位于其上部，因此施工期的安全系数比运行期的低；潜在滑面3范围内无施工荷载分布，施工期与运行期的安全系数相同。

4 边坡加固措施设计

根据计算成果，竹子坝施工场地的边坡存在不稳定问题。由于覆盖层厚度较大、施工工期紧的特点，结合场区各部位开挖边坡的特点，对不同的部位采取不同的支护措施，分期实施支护措施。

4.1 竹子坝沟方向边坡

对于竹子坝沟方向的整体稳定，采用抗滑桩方案是较为合适的支护措施。

针对该方向边坡失稳为大、小圆弧滑动的现象，在施工期采用边坡框格梁+锚索+挡墙+高程1 344m平台内侧坡脚抗滑桩方案。在电站运行期作为进水口侧边坡加固，在施工期措施的基础上，永久运行期增加坡脚压碴方案；针对中细碎料仓至成品碎石仓及一筛车间至物质仓库局部边坡稳定问题，结合现场的支护措施，采用挡土墙方案和局部锚索方案。

(1)边坡挡墙方案：挡土墙级别取为Ⅲ级，抗滑稳定安全系数不应小于1.1；抗倾覆稳定安全系数不应小于1.50；挡土墙平均基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍。根据计算成果，高程1 360m平台挡土墙的自身的抗滑和抗倾覆安全系数满足要求，基底应力最大应力为329kPa，超过基础允许承载力，需要进行地基处理。比较了灌注桩、钢管桩及基础置换等，考虑施工工期、费用、质量控制等，为施工方便采用开挖置换法进行处理，采用成分品质及物理力学指标较好的厂房开挖洞渣料，置换深度1.7m。高程1 380m以上平台处的挡土墙的稳定和基底应力满足要求。同时为提高挡墙的稳定性以及降低墙趾处的基底应力，1 360.00m平台挡墙中下部布置一排750kN锚索，间距4m。

(2)施工期锚索框格梁+抗滑桩方案：在1 380～1 395m、1 360～1 380m、1 344～1 360m三个平台间的正向坡上布置框格梁+锚索，以利局部浅层滑动转为深层滑动，在此基础上设置抗滑桩来解决深层滑动稳定问题。抗滑桩原则上布置在滑体的下部高程1 344m平台内侧的坡脚处，即在滑动面平缓、滑体厚度较小地方，以减少桩身深度，同时考虑施工的方便及加固措施的经济性。1380～1395m间边坡上布置3排750kN锚索，间排距4m；1 360～1 380m间边坡上布置2排750kN锚索，间距4m；1 344～1 360m间边坡上布置4排750kN锚索，间排距4m×5m；采用C30混凝土抗滑桩，直径3m，桩中心距5～6m，抗滑桩入岩深度不小于6.0m。支护后满足施工期的稳定要求。

(3)运行期堆碴压脚方案：永久运行期稳定安全系数达不到要求，危险滑弧的剪出口基本上位于高程1 380～1 344m间，结合现场实际的情况在该高程部位采用坡脚压渣方案。压渣方案见图2。

4.2 开关站方向边坡

竹子坝沟右侧坡高程1 360m平台布置开关站，为永久建筑物，无足够的压重空间，施工期采用锚索方案，永久运行期采用削坡方案。

施工期布置3排750kN锚索，间排距4m×5m。支护后满足施工期稳定要求。

永久运行期稳定安全系数不满足要求，需要再次进行加固处理。结合已有支护措施经综合考虑对该边坡采用削坡处理。将1 360m平台坡脚处宽

10m、深7m范围内的粘土层换填为洞渣料，解决大圆弧从1 360m坡脚剪出的问题。

4.3 竹子坝沟侧边坡

竹子坝沟左侧侧边坡在施工期与运行期处于临界或不稳定状态，侧边坡的自然坡度较陡，失稳基本上为表层覆盖层，为尽量减少对坡脚拌和系统建筑物施工的干扰，采用锚索支护方案。设置两排1 000kN锚索，布置在高程1 365m及1 370m，间距4m。支护后安全系数满足要求。

4.4 竹子坝沟场地外缘土滑体加固设计

竹子坝场地外缘土滑体的滑面即图1中所示的潜在滑面3，土滑体边坡在电站运行期作为进水口侧边坡，比较了削坡方案和锚索框格梁+坡脚抗滑桩支护，为不影响上部拌合系统平台的稳定，采用后者。边坡上设置间排距5m的1 000kN锚索，俯角30°，高程1 293m坡脚处设置C30混凝土抗滑桩，尺寸2.5m×3m；桩中心距5m。采用锚索及抗滑桩支护后安全系数满足要求。

4.5 场地截排水措施设计

粉质粘土层在饱水和失水状态下物理力学指标相差较大，对场地边坡稳定影响较大，为了防止竹子坝沟水、场内雨水、生产和生活弃水直接流向竹子坝施工场地区，影响场地边坡的稳定，完善边坡表层排水系统很必要，各支沟水接到主排水沟，由主排水沟接到各集水井、检查井。开挖坡面设置间排距3m×3m、深5m的φ100塑料盲沟排水管，在1 344～1 360m、1 360～1 380m及1 380～1 395m平台间的坡面上布置30m深孔钢花管排水，封闭场地露天地面。在竹子坝施工场地区内布置2m×2.5m排水洞有效降低地下水位，洞顶设置贯穿覆盖层厚度的间距3m、φ100mm排水管，排水洞的两边直墙设置间距3m 、深1.5m 排水孔。

5 结论与建议

竹子坝施工区场地地层主要为块碎石土、含碎石粉质粘土、粉质粘土、含碎卵石土及孤块石夹少量砂卵砾石层，下伏基岩为玄武岩，施工场地天然条件下整体是基本稳定的。粉质粘土层地基承载力低，力学指标差，特别是在饱水和扰动时，性状更差。从不稳定滑弧的剪出面位置分析，竹子坝沟边坡及开关站边坡的剪出口位置在高程1 344～1 380m，该处布置有混凝土拌和系统的建筑物和开关站，对边坡坡脚进行了一定程度的开挖，降低了边坡的稳定性。施工荷载堆放位置多数处于平台的中外侧，对边坡的局部稳定也存在一定的影响。

地下水埋藏较浅，直接受地表水影响，在水的影响和新的荷载作用下，施工场地稳定性恶化，经计算分析，当地下水位线降低10m，边坡的安全系数可以提高7%，粉质粘土层物质和下渗水作用是影响场地稳定性的主要因素，加强场地加固处理的同时采取强有力的排水措施是非常重要的。竹子坝施工区场地后缘地表没有发现整体开裂和变形滑动迹象，前缘开挖边坡该层出露处有擦痕现象，钻孔取芯揭示存在变形的迹象，监测资料局部也反应变形异常现象，需加强施工期及运行期的安全监测工作，加强包括场地稳定、地下水的监测预报工作、及时反馈监测信息也是很重要的一项工作内容，以便动态掌握边坡的稳定状况，及时根据监测成果分析指导下一步的工作。场地条件非常复杂，施工过程是一个动态的过程，根据揭示的现场新情况对设计措施适时的必要调整也是非常重要的。

很多水电站工程由于地处深山峡谷地带，选择合适的施工场地和附属建筑物场地很困难，可选择场地在外加荷载作用下稳定性存在一定问题，需要加固处理，对于这类覆盖层较深厚的边坡，根据场地自身特点、建筑物布置情况和与永久建筑物的关系等确定边坡的处理方式，大多工程受各方面因素影响，工期较为紧张，分期实施支护措施是一种较为经济且能加快和方便施工的一种有效方式。