牙塘水库泄洪洞边坡稳定性分析及加固方案研究

2018-07-18屈新利姜福基

水利规划与设计 2018年6期

屈新利，姜福基，俞宏

(甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃兰州 730000)

隧洞进口洞脸边坡的稳定性决定隧洞的安全运行。特别是水库泄洪兼输水洞的洞脸边坡，在汛期按水库泄洪调度要求泄洪时，水位骤降是否引起洞脸边坡滑坡堵塞洞口，造成水库汛限水位急剧上升，危机大坝安全。自20世纪80年代以后，随着大、中型水利水电工程的大量修建，边坡安全的重要性越来越受到重视，已开展许多关于洞脸边坡的稳定性及处理措施的研究。如刘平禄[1]研究了二滩水电站左岸导流洞出口边坡的加固方案，并提出了以预应力锚索为主的边坡综合整治措施；罗海林等[2]通过分析枫溪港河岸高边坡不稳定的现象及其成因，提出了相应的治理措施；万克诚等[3]采用有限元方法研究了不同工况及加固方案下湖南涔天河水电站导流洞出口边坡的稳定性；刘林军[4]采用强度折减法对清蓄下库泄洪洞的两种进洞方案的边坡稳定性进行了分析；张建[5]采用软件ADINA研究了开挖和隧洞掘进对洞脸边坡的影响；姚福海等[6]研究了李家峡水电站导流洞进口洞脸边坡的处理及进洞措施；占艳平等[7]从地质角度对预应力锚索加固与削坡减载两种治理方案对寺坪水电站导流隧洞进口洞脸边坡的适用性进行了论证。袁黎明[8]以普棚水库为背景分析了隧洞进口高边坡的加固技术；刘大群[9]以姚家山水利枢纽工程输水隧洞进口边坡为研究对象，开展了高陡边坡的稳定性与开挖效应的研究。

上述研究成果虽然在解决具体工程问题方面体现出了各自的优势，但都是围绕洞脸边坡岩石裂隙产生的边坡不稳定进行的边坡稳定分析及加固，与本泄洪洞洞脸边坡(存在厚度18.71m的洪积砂砾卵石夹壤土透镜体，底部为上第三系红砂岩强风化地层)的地层岩性完全不同，以上洞脸边坡稳定性处理均采用的是非压力分散型预应力锚索加固，同时不涉及水库水位骤降引起边坡滑动问题。本文结合牙塘水库泄洪输水洞洞脸边坡现状稳定情况和不同高程地质钻探成果，提出压力分散型预应力锚索加固结合削坡衬砌和压力分散型预应力锚索加固结合隧洞进口延长的两个方案开展对比研究，以期该研究成果能够对本工程及类似工程的设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

牙塘水库位于甘肃省临夏回族自治州和政县境内海拨3300m的太子山下牙塘河缘头，水库总库容1920万m3。泄洪输水洞位于大坝左岸，洞长370m，圆形洞径4m，洞进口前水库正常高水位2410.88m，设计洪水位2509.78m，校核洪水位2512.45m，死水位2469.48m，洞进口底板设计高程2468.28m，出口高程2460.28m，隧洞纵坡1/43.57，边坡自然坡度25°。洞进口位于Ⅲ级阶地前缘斜坡坡脚处，洞进口地层表层为3～5m厚坡积砾质土，下部为厚度18.71m的洪积砂砾卵石夹壤土透镜体，底部为上第三系红砂岩。洞脸边坡原设计1∶1.25，洞脸边坡防护红砂岩层边坡部分采用厚度20cm的C20混凝土挂网喷锚护砌；砂砾石层边坡部分采用厚度30～50cm的M10水泥砂浆砌块石护砌。

由于牙塘水库海拔较高，冬季气温较低，夏季降雨量较大，洞脸护坡经历20多年的冻胀破坏，边坡防护已起伏不平，砌石勾缝砂浆部分已脱落，尤其是左侧边坡已明显起鼓，喷锚护砌砂浆现已大面积掉块，挂网钢筋大部分已裸露锈蚀，洞脸边坡存在不稳定的安全隐患，特别是水库水位骤降可能造成滑坡以堵塞洞口，给汛期水库正常下泄洪水带来威胁，危及大坝安全。

2 洞脸边坡稳定性分析

2.1 边坡现状

从1#剖面向上游至7#剖面处，坡面倾向由SE170°渐变为SE111°，坡面高度为44.6～51.8m。第四系松散堆积物覆盖层下的红砂岩面总体倾向SE151°，倾角约2°，红砂岩与砂砾卵石层的分界高程由1#剖面处2496.87m渐变至上游7#剖面处的2490.76m。边坡护砌为：红砂岩界面以下为挂网喷锚护砌，砂砾卵石部位为浆砌石护砌，坡面地下水溢出点的分布范围为4#～6#剖面基岩面上部的砂砾卵石边坡的坡脚处，溢出点高程在2492～2494m之间，地下水顺基岩顶面和预留排水孔零星溢出。

目前坡面破坏状况为：在4#～6#剖面处地下水溢出点附近砂砾卵石边坡有明显的凸鼓变形现象，其分布高度在2492.5～2493.5m之间，造成这种现象的原因是由于地下水对局部坡体的浸泡所致，另外上部砂砾卵石边坡局部考虑临时上坝路的宽度，4#～6#剖面在上坝路面以上产生了1.02～5.33m垂直面，坡角超过了其允许坡角，致使边坡面产生了凸鼓现象，护砌面的浆砌石呈现松动状态，红砂岩部位喷锚护砌由于遇坡面水结冰冻胀，造成了大部分砂浆掉块脱落，挂网钢筋锈蚀，现状边坡存在不稳定隐患。

2.2 地层岩性及物理力学性质

根据牙塘水库泄洪兼输水洞地质勘察成果，进口洞脸边坡属沟谷Ⅲ级基座阶地前缘，其下部基岩为第三系上新统临夏组(N2L)砂岩组成，上部主要为第四系al-Pla3砂砾卵石层。

N2L砂岩为厚层状，砖红色，属泥钙质胶结，遇水易软化，且遇水有轻微崩解性，其干密度为2.08～2.21g/cm3，饱和密度为2.21～2.26g/cm3，在干燥状态下单轴抗压强度为3.7MPa，饱和状态下：单轴抗压强度为1.3MPa，弹性模量为60～80MPa，泊松比为0.42，软化系数为0.39，内聚力为2.4～1.7MPa，内摩擦角为35.7°～37.7°。

砂砾卵石层，呈褐黄、锈黄色，砂以中粗砂为主，相对密度为0.69，天然密度2.1g/cm3，干燥状态下内摩擦角的均值为34.7°，内聚力的均值为94.2kPa。在饱和状态下，弹性模量60MPa，内摩擦角均值28.1°，内聚力均值49.4kPa。

2.3 稳定性分析

2.3.1 砂砾卵石层边坡稳定性

根据牙塘水库兴利调节计算及有关规范规定，结合现状和拟采取的边坡加固处理方案，拟定以下三种水库水位骤降工况对现状砂砾卵石层边坡进行稳定性计算(工况一：正常运用条件下水位骤降工况；工况二：非常运用条件水库水位骤降工况Ⅰ；工况三：非常运用条件水库水位骤降工况Ⅱ)。各剖面在各工况下的砂砾卵石层边坡最不利滑动面稳定安全系数计算值见表1。

从表1可以看出，正常运用条件水位骤降工况，边坡1#～3#、7#剖面滑动稳定安全系数大于规范值，边坡处于稳定状态，4#剖面处于临界平衡状态，5#～6#处于不稳定状态；但从表2可以看出，经对4#～5#剖面临时施工道路以上现状直坎段砂砾卵石边坡按1∶1.5削坡，并做浆砌石护坡；路面以下砂砾卵石边坡按1∶1.25削坡；6#～7#剖面砂砾卵石边坡按1∶1.9削坡，并将3#～5#剖面按扭曲面衔接，所有砂砾卵石层边坡表面除排水孔位置为干砌石以外均改为浆砌石护坡后，边坡稳定系数提高较快，边坡由临界稳定和不稳定转变为稳定状态；非常运用条件水位骤降工况Ⅰ，现状砂砾卵石层边坡1#、7#剖面处于稳定状态，2#剖面处于基本稳定状态，3#剖面处于临界平衡状态，4#～6#剖面处于不稳定状态；从表2看出，对4#～7#剖面按前述正常运用条件工况下不稳定边坡消坡方式进行削坡和护坡，由于水库水位骤降速度快，坡内地下水位降低缓慢，使得稳定安全系数较正常运用工况变化不大，且5#剖面边坡由临界稳定变为不稳定状态。经对边坡坡面进行比较分析，认为5#剖面不稳定的原因是由于该剖面处于削坡渐变扭曲面中间，坡面依然较陡所致；非常运用条件水位骤降工况Ⅱ，库水位由正常水位降至死水位过程中，随着库水位的降低，溢洪道底槛高程2506.28m以上不再参与泄流，水量全部由泄洪洪输水洞泄流，并适当控制泄洪洞的泄流量，增加了砂砾卵石层内地下水的排出时间，现状砂砾卵石层边坡稳定安全系数均较非常运用条件水位骤降工况Ⅱ有所提高，全部处于稳定状态和基本稳定状态。

表1 砂砾卵石层边坡安全系数

从上述水库水位骤降三个工况分析，洞脸边坡的稳定性与库水位骤降关系极为密切，如正常运用工况和非常运用工况Ⅰ，因泄洪洞和溢洪道闸门全部开启，库水位降落速度较快，洞脸边坡砂砾卵石中的地下排出速度较漫，砂砾卵石层中的孔隙水压力对坡面的稳定产生负作用，使得正常运用工况下的4#～6#剖面、非常运用工况Ⅰ下的3#～6#剖面边坡稳定系数小于规范值，但从4#～7#剖面削坡处理后的表2计算结果看出，除5#剖面处于临界状态以外，其余剖面最不利滑动面稳定安全系数均大于1.05，由此判定4#～7#剖面实施削坡处理后在水库水位2496.88m以下骤降过程中砂砾石边坡稳定状态将逐步好转。

表2 砂砾卵石层边坡经削坡处理后的安全系数

通过分析得出以下结论：在对砂砾卵石边坡不进行较大范围处理的情况下，要提高边坡稳定安全系数，比较可行的办法是适当限制水库水位骤降速度，延长砂砾石层地下水的排出时间，增大地下水的排出量，降低砂砾石层中的地下水位，减小砂砾石层中的孔隙水压力的负作用力。但水库蓄水位在非常情况下不可能按边坡排水时间进行泄洪，必须研究经济合理的加固处理方案。

2.3.2 边坡应力状况分析

计算工况按非常运用条件水位骤降工况Ⅰ(水库水位骤降按死水位～正常高水位的1/3处)考虑。计算断面选为1#剖面。考虑两个方案：①不加锚索;②采用1000kN级锚索。两种方案下坡体的剪应力、主应力及破坏接近度如图1和图2所示。

从图1(a)中可以看出，1#剖面岩质边坡及砂砾卵石边坡在不施加预应力锚索情况下，高程2503.80m以上坡体最大剪应力为0.183MPa，坡脚高程2478.21m处的最大剪应力为-0.131MPa，最大剪应值均小于1.0MPa，表明坡体、坡脚不存在剪切破坏；从图1(b)中可以看出，高程2496.548m以上边坡最大主应力为-0.1MPa(拉应力)，坡脚高程2478.21m处最大主应力为0.364MPa(压应力)，可见砂砾卵石边坡会发生开裂，需进行防护，岩质边坡表面基本正常；从图1(c)可以看出，高程2496.548m以上砂砾卵石边坡和红砂岩弱风化层以下破坏接近度η<1(图中深色部分)，表明未破坏；高程2496.548m以下红砂岩弱风化层岩质边坡破坏接近度η>1(图中浅色部分)，表明岩质边坡强风化层已进入屈服状态，由Tresca屈服准则η=1/K得出岩质边坡强风化层安全系数k=1.03，小于SL212- 2012《水工预应力锚固设计规范》[10]规定的四级边坡稳定安全系数1.1～1.05。从图2(a)中可以看出，高程2496.548m以上坡体最大剪应力为0.217MPa，坡体中部最大剪应力为-0.46MPa，坡脚最大剪应力为-0.068MPa；从图2(b)中可以看出，坡脚高程2478.21m处最大主应力为0.262MPa(压应力)，坡体中部(高程2496.548～2484.88m之间)最大主应力为-1.229MPa(拉应力)。

图1 不加锚索计算结果

图2 施加1000kN锚索计算结果

对比图1和图2可知，砂砾卵石层与红砂岩层分界面高程2496.548m以下不加锚索和加锚索剪应力和主应力值变化不很大，但加锚索后的破坏接近度η<1的范围增加，数值也相应减小，由Tresca屈服准则得出岩质边坡强风化层的稳定安全系数由1.03提高为1.82，由此可见本隧洞洞脸边坡1#～6#剖面砂砾卵石边坡坡脚和红砂岩强风化层部分施加预应力锚索后稳定安全系数有较大提高，增加锚索是十分必要的。

3 边坡加固方案

3.1 方案拟定

根据本隧洞工程地质勘探报告建议的边坡比值及洞脸边坡稳定性分析，以及现状边坡护砌的实际情况，本文提出了两个洞脸边坡加固处理方案。

方案一，锚索加固结合削坡衬砌方案：洞脸1#～4#剖面，洞进口高程2473.13至高程2503.00m之间高度29.87m的砂砾卵石边坡坡脚和岩质边坡在现状边坡和经消坡后的边坡面上，先浇筑20cm厚C20钢筋混凝土面板，然后采用压力分散型预应力锚索和框格梁加固，并在框格梁孔间打入Φ20锚杆。4#～6#剖面高程2502.91～2513.92m的砂砾卵石边坡削坡为1∶1.509，坡面采用厚度50～30cm的M10水泥砂浆砌块石护坡；高程2473.13～2502.91m的局部砂砾卵石边坡和岩质边坡削坡为1∶1.23～1∶1.12，然后在砂砾卵石层及红砂岩强风化层边坡坡面上浇筑同上厚度的面板，并采用同上形式的锚索加固。6#～7#剖面将高程2490.83～2509.61之间的砂砾卵石边坡按1∶1.9削坡，坡面采用同前厚度的浆砌块石护坡；高程2474.14～2490.83m之间的岩质边坡按1∶1.23～1∶1.12削坡，然后打入Φ20、长6m锚杆，坡面采用厚度20cm的C15混凝土喷锚挂网护面。方案一平面布置见图3。

图3 加固方案一平面布置图

图4 加固方案二平面布置图

方案二，锚索加固结合隧洞延长方案：洞进口1#～3#剖面高程2478.21～2496.00m之间高度17.79m的岩质边坡强风化层面按方案一的方法处理。隧洞进口延长60m，3#～7#剖面边坡维持现状边坡不再处理。延长段隧洞断面考虑施工方便，且与现洞口很好衔接，采用与现洞口相同的断面，即6×6m的矩形断面。结构厚度按洞顶以上覆土4m，再考虑洞口左侧边坡可能产生滑塌后的土体厚度2m的荷载，按隧洞为空洞时的不利工况计算，洞底板厚度1.0m，侧墙、顶板厚度0.8m。方案二平面布置见图4。

3.2 锚索体系设计

3.2.1 锚索体形式选择

锚索体的形式根据SL212- 2012的要求，应根据锚固工程的使用年限、单根预应力锚索的设计锚固力、锚索的布置及施工条件，经综合比较选择。本隧洞洞脸边坡较陡，机械式施工难度较大，且岩石单轴抗压强度小于60MPa，不适合；胶结式的拉力型、拉力分散型、压力型、拉压复合型等一般适合于岩体单轴抗压强度高、锚固段长度小于10m的边坡加固。本隧洞洞脸边坡上部为较厚的砂砾卵石层，锚索必须伸入下部的第三系红砂岩中，而该岩体较软弱，干燥状态下单轴抗压强度3.7MPa，饱和状态下单轴抗压强度为1.3MPa，且锚索全部淹没于库水之中，同时红砂岩与水泥浆(砂浆)粘结强度较低，锚索锚固段长度要求较长，锚索体型式优先选用压力分散型结构。这种锚索的最大优点是锚固段的剪应力分布更加均匀，可以最大限度地发挥锚固段的承载能力，多用于锚固深度较深、施加的预应力吨位较高的预应力锚索。本研究选择压力分散型锚索。

3.2.2 锚索体长度确定

单根锚索体的长度，由自由段和锚固段两部分组成，自由段长度根据地质横剖面，锚索穿过的砂砾卵石层和红砂岩强风层作为锚索的自由段长度，锚索锚固段长度根据前述有限元应力分析和岩石与锚固体粘结强度确定。锚索间距竖向采用3.5m，横向5.0m，锚索设计吨位根据有限元分析确定为1000kN，锚固体直径取130mm，分4级承载体锚固，锚孔倾角按现状和消坡后的边坡布置为30°，锚索钢胶线根数选为8根，每束锚索钢绞线由固端1级承载体2根逐步增加到4级承载体8根，每级承载体抗拉拨力由一级300kN，逐步增加至1000kN。锚固长度确定由以上参数按理正边坡稳定分析程序计算的锚固段长度为22m。

按SL212- 2012规范中公式计算的锚索锚固段长为23.6m，与理正边坡稳定分析程序计算值相接近，故取锚固段长度最大值24m，其中伸基岩弱风化层内长度不小于22m。单根锚索总长度根据地质剖面和边坡稳定性分析以及锚固段长度的计算，单根锚索长度最长为44m，最短17.3m，平均34.4m，其中：

第一方案：锚索结合削坡加固，即1#～6#剖面高程2503.0～2473.13m之间，锚索加固边坡长45m，高度24.29～29.87m，总面积1310m2，共设锚索130根(其中试验锚索5根)，总长4563m。

第二方案：锚索结合隧洞进口延长，即1#～3#剖面高程2496.00～2478.21m，之间锚索加固边坡长23m，高17.79m，面积409m2，共设锚索61根(含实验锚索3根)，总长2235m。

3.2.3 技术经济比较

为保证牙塘水库泄洪输水洞进口洞脸边坡工程运行安全和经济合理，提出了锚索结合削坡加固方案和锚索结合隧洞进口延长方案。经对比分析，方案一总投资275.52万元(其中锚索201.15万元，削坡加护砌74.37万元)；方案二总投资450.42万元(其中锚索加固面95.86万元，隧洞延长段171.31万元，施工导流围堰及其它183.25万元)。从工程安全性分析：方案二锚索结合隧洞进口延长基本避免了水位骤降引起洞脸边坡滑坡堵塞洞口的问题，但该方案延长段隧洞位死水位1.2m以下，且洞基红砂岩经过长时间过水浸泡，现已完全软化，必须进行基础处理，且基坑排水工作量很大，特别是进入汛期，除施工期需要导流外，汛期导流围堰工程量也很大，如按大坝填筑施工导流洪水标准，P=10%考虑，汛期施工导流洪水流量为20m3/s，水库没有其它泄水通道，且延长段隧洞砼浇筑工程量很大，没有时间与原洞口合拢，即是加快施工进度，也需在7月底才能完成施工(不含自然因素的影响)；方案一根据边坡稳定分析，适当控制水位骤降，延长砂砾石边坡地下水的排出时间，洞脸边坡经锚索加固结合削坡处理后是稳定的，且削坡工程施工较为简单，进度快，不存在施工导流问题，投资也较方案二省174.9万元。故本研究推荐采用方案一。