黄河上游某工程导流洞出口边坡蠕变体处理方案分析

张军锋 黄艳艳 钱丽云

（中国水电顾问集团西北勘测设计研究院 陕西 西安 710065）

1 引言

边坡稳定性受多方面的影响，如施工过程中的扰动因素、自然因素以及人为因素，都有可能造成边坡变形破坏甚至整体失稳。

在黄河上游水电开发项目中，边坡治理所面临的自然条件较差，特别是茨哈峡至拉加峡段河谷，其岸坡高陡、滑坡发育，严重影响工程顺利施工及大坝安全运营等方面。

在该地区水电工程建设中更应注重施工工艺及施工管理，在设计方面应结合相关预测预报及反馈资料等，在变形稳定分析的基础上调整、修改，实现边坡工程的全过程动态设计。

本文以黄河上游某一等大（1）型工程导流洞出口边坡蠕变体支护处理为实例，针对该蠕变体形成过程及原因做出分析并调整设计，以期对类似工程具有一定参考意义。

2 工程概况

该工程规模为一等大（1）型工程，施工导流采用河床一次断流，全年围堰挡水，隧洞导流的方式。导流隧洞筑物级别为4级，导流隧洞为城门洞型。

2.1 地质条件

导流洞出口段基岩为三叠系变质砂岩，岩体结构差、强度低。表部覆盖层为滑坡堆积体及强风化、强卸荷第三系软岩，主要为碎裂状第三系泥质粉砂岩。

导流洞出口天然岸坡呈上缓下陡地势，3230 m～3190 m高程以上为缓坡，上部有5 m～8 m厚的松散堆积层，其下主要为第三系泥质粉砂岩和砾岩互层，后缘有高约15 m～20 m的砾岩陡坎；3230m～3190m高程以下为陡坡，顶部覆盖强风化、强卸荷的泥质粉砂岩及砾岩互层，下部为顺层、陡倾、逆向、薄层变质砂岩。

2.2 初始开挖设计

边坡开挖坡比为：①弱风化变质砂岩按3∶1开挖；②强风化变质砂岩按1∶0.75开挖；③第三系“红层”全强风化开挖边坡取值为1∶1.00～1∶1.25；④第三系“红层”弱风化～微新开挖边坡取值为1∶0.75。边坡支护型式如下：

（1）在边坡开挖开口线外侧10 m范围内布置截水沟，每层马道内侧均布置排水沟。开口线外的截水沟施工完成后方可进行边坡开挖，截水沟用15cm厚的混凝土浇筑。

（2）紫红色泥质粉砂岩边坡，间隔布置长、短系统锚杆，综合间排距为1.5 m×1.5 m,梅花型布置；第四系覆盖层边坡，采用系统短锚杆，间排距1.5 m×1.5 m，梅花型布置。

（3）变质砂岩边坡，间隔布置长、短系统锚杆，综合间排距为2 m×2 m，梅花型布置。

（4）每隔20 m设一层宽3m马道，每层马道的上、下两侧分别布置两排锁口锚筋桩，第一排锚筋桩距离马道1 m，锁口锚筋桩间排距为3 m×3 m。

（5）紫红色泥质粉砂岩、砾岩及局部破碎岩石边坡采用挂网喷混凝土加系统锚杆的支护方式，砂岩边坡支护主要以素喷混凝土加系统锚杆为主。

3 蠕变形成及原因分析

3.1 第一次蠕变形成

导流洞出口段开挖支护工程实际施工时，未做相应的截排水及支护处理措施。边坡下挖至EL3185 m，边坡上游侧出现蠕变。此次蠕变范围较小，在边坡中间部位发生，为表层失稳蠕变。

3.2 第二次蠕变形成

2011年9月28日，导流洞出口边坡再次出现蠕变。原因主要有以下几点：

（1）自2011年3月边坡开挖以来，边坡EL3160 m以上上覆植被挖除，边坡EL3160 m以上地层为全强风化层，结构碎裂，透水性相对较强，坡面长期裸露，形成了透水通道。

（2）2011年9月份降雨量过大，使该边坡浅表层土体饱和，地质参数降低。

（3）EL3185 m以下边坡开挖，根部支撑解除；第二次变形前截水沟尚未衬砌，截水沟变为集水沟，马道各层排水沟尚未施工，集水促使蠕变体土体饱和，地质参数降低。

第二次蠕变范围较第一次有较大发展，蠕变体范围延伸扩大，由浅表层蠕变演变为深层蠕变。

3.3 第三次蠕变形成

通过稳定计算分析，第二次蠕变体采用减载和锚固共同作用的处理方案。开挖减载后的边坡采取锚索、网格梁、锚筋桩及混凝土贴坡挡墙等支护措施。

2012年自3月中旬以来，气温、地温升高较快，冻融交替，坡体排水不畅，而坡体上降雪及远部消融的雪水入渗软化坡体及恶化底滑面，滑动面参数降至残余值。截止第三次蠕变发生之前，蠕变体上的锚索、网格梁以及混凝土贴坡式挡墙尚未施工，EL3220 m马道以下的锚筋桩尚未施工。

2012年3月23日导流洞出口边坡EL3185 m以上第三系红层发生了第三次蠕变变形，较第二次蠕变范围有所扩大，蠕变体充分解体。

第三次蠕变变形后，根据现场查勘情况和照片等资料，判断蠕变原因如下：

（1）EL3185 m左右为原岩层面，即原岩和碎裂状岩体的分界面。原岩以上碎裂状岩体张拉裂隙发育，岩体中可见空洞，该张拉裂缝组成蠕变体的上端张拉面。

（2）原岩和碎裂状岩体的分界面由于外界地温升高，原岩面上的冰融化成水，原岩面受水的作用和多次滑动作用，滑动面参数降至残余值。

（3）边坡设计时，开挖后边坡处于临界状态，设计上对该边坡采取了锚索、锚筋桩、混凝土面板挡墙等措施，现场支护措施不到位，支护滞后，也是造成此次蠕变主要原因。

（4）边坡高达140 m，开挖外部荷载解除，边坡应力不断调整，致使边坡岩体应力降低、岩体松弛。

4 治理措施

4.1 物理力学参数反演

准确地对边坡进行稳定性评价是提出经济合理治理措施的前提。理论上，只要对边坡材料力学特性有足够的了解，上述问题是可以得到精确解决的。然而在实际工程中，受限于各种实验研究的局限性，以及分析方法和目的要求的不同，计算常引入一定的假定和近似与之相适应。

对于施工期内的岩体，边坡岩体重度、凝聚力等力学参数依据地质实验提供结果，反演推算滑面和滑体间内摩擦角。本文采用剩余推力法（极限平衡）进行计算，边坡安全系数略低于1时所得参数即为反演参数。将反演结果与试验参数综合比较，取二者中的较小值作为治理措施计算依据。

4.2 初期支护处理方案

第一次蠕变采用了削坡减载、放缓边坡的措施，即EL3170 m马道以上边坡开挖坡比由1∶0.75调整为1∶1.25和1∶1。

第二次蠕变采取了外部排水、适当减载和支护的处理方案。即按地形开挖形成10 m～30 m宽的EL3185m平台，开挖台阶从15 m降至10m，马道宽由3m增加至5 m。EL3204 m高程以下采用贴坡混凝土、锚索和锚筋桩支护；EL3204 m以上采用混凝土方格梁、贴坡混凝土、锚索和锚筋桩进行综合支护。

表1 持久工况挡墙验算成果

4.3 最终支护处理方案

蠕变体第三次变形严重，边坡已解体，直接在边坡上打锚索已无法实施。且由于3185 m高程以下边坡正在施工，为确保工程施工安全，利用蠕变体底部3185 m高程附近已开挖形成的10 m～30 m宽平台，采用锚索配合混凝土挡墙对蠕变体进行支护。

首先，需确定锚索吨位及数量以满足边坡整体稳定要求，依据经验提出4根120 t锚索方案，经计算该方案分别在持久工况、短暂工况1（蠕变体处于饱和状态）以及短暂工况2（蠕变体饱和状态下考虑孔隙水压力）下满足稳定性要求。

其次，对于挡墙具体型式，需综合考虑其与锚索布置关系、稳定安全及经济性等问题。

①选择挡墙墙高。墙高为8 m时，其上足够布置4根锚索并满足滑移稳定、抗倾覆及截面偏心等计算要求，相比较于10 m高挡墙，其型式简单、经济性更好。

②进行断面优化。表1四种方案中，背坡坡度为1∶0.25时，安全性满足要求，且工程量最小，经济性较好。其中Kc为挡土墙滑动稳定安全系数，K0为挡土墙倾覆稳定安全系数。综合考虑场地布置条件及类比其他工程，挡墙设计为底宽8 m，高8 m，顶宽1 m，面坡坡度为1∶0.1，背坡坡度为1∶0.25，底坡坡度为1∶0.02。挡墙上支护锚索排距为3 m，每排采用4根120t锚索，其中上面三排锚索与水平面夹角为35°，最下面一排锚索与水平面夹角为45°，详见图1。

表2 挡墙验算成果

图1 挡墙加锚索支护方式

在该方案下，各个工况下的稳定性验算结果详见表2。

5 结语

（1）黄河上游地区，由于自然条件的特殊性，大大增加了施工期边坡失事风险，尤其是对于未按要求及时实施相应的截排水及支护处理措施的情况下，极有可能导致边坡失稳。

（2）基于剩余推力法的力学参数反演，计算难度低，其极限平衡的思想满足了工程要求，在此类表面风化程度较深、结构破碎的边坡治理问题上适用性高。

（3）采用锚索配合混凝土挡墙对解体边坡进行支护，能满足边坡整体稳定性，同时通过体型优化计算可一定程度降低造价，该方案对类似工程具有参考价值。

[1]《水电水利工程边坡设计规范》（DL/T 5353-2006）[S].

[2]《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZT0219-2006)[S].

[3]《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》(DL/T5389-2007)[S].