浅析九甸峡水利枢纽电站厂房超高边坡的开挖

2019-01-16刘洪平王开湘

水利规划与设计 2018年12期

刘洪平，王开湘

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃兰州 730000)

九甸峡水利枢纽属大(2)型工程。引水发电系统的主要水工建筑物调压井和厂房位于坝轴线下游2.2～2.5km的洮河右岸山坡及坡脚处[1- 2]。调压井井口上部边坡开挖线高程2241.0m，厂房基坑开挖最低点高程2046.5m，扰动及开挖边坡高差194.5m；厂房后边坡开挖线最高高程2155.0m，与厂房基坑底部开挖最低点高程的高差为108.5m[3]；厂房后边坡及基坑的开挖是对超边坡坡脚的开挖扰动，是超高边坡的开挖，如图1—2所示[4- 5]。本文总结超高边坡的开挖设计和开挖中采取的工程措施的特点，探究边坡变形观测和边坡稳定性分析在保证施工安全、完善施工设计、消除工程隐患等方面作用，以供类似工程参考。

图1 调压井-厂房边坡原始地形地貌

图2 厂房开挖

1 工程地质条件

1.1 地形地貌

调压井-厂房处于中高山区，海拔在2000m以上。压井布设于厂房区右岸山坡中部。厂房紧邻洮河，地形相对开阔，有残留的Ⅱ级侵蚀堆积阶地，阶地面宽30～50m，阶面坡度小于5°；阶地后缘至引洮平台自然坡度33°～45°，阶地后缘在2#压力管道中心线处高程2093m，引洮平台高程2182.0m，阶地后缘至引洮平台高差135.5m，调压井井口上部边坡开挖线(2241.0m)至引洮平台高差59.0m。

1.2 地层岩性

调压井和厂房开挖、压力管道隧洞掘进揭露的地层岩性如图3所示。

(1)上石炭-下二叠统(C3～P1)岩性可划分为4个岩组。①灰岩夹页岩、泥灰岩：厚70～100m。灰岩单层厚0.2～0.6m，岩性致密坚硬；泥灰岩岩性相对软弱，易风化；页岩岩性软弱，极易风化，

图3 厂房后边坡典型剖面

遇水后具黏塑性。②厚层灰岩夹薄层灰岩：厚40～60m，岩性致密坚硬；厚层灰岩单层厚大于2m，薄层灰岩厚0.1～0.4m。③砂岩、灰岩、页岩互层：厚80～100m。砂岩呈青灰色、褐黄色，青灰色砂岩岩性致密坚硬；褐黄色砂岩，泥质胶结，遇水易崩解成松散状。页岩岩性软弱，抗风化能力差，遇水具黏塑性，局部有灰岩团块并与泥灰岩呈相变过渡。④灰岩夹页岩：岩性与前述灰岩、页岩基本一致。

(2)第四系(Q4)松散堆积物分别为冲积砂砾卵石、洪积块石碎石土、洪积砂壤土、坡积块石碎石土、人工堆积块石碎石土。

1.3 地质构造及地震烈度

1.3.1 地质构造

厂房区位于近东西向展布的新堡-力士山复背斜北翼——新堡-力士山复背斜构造的次级褶曲和区域性桥道堡断层(Fe1)破碎带及其上盘(图3)。新堡-力士山复背斜构造的次级褶曲为倒转的不对称背斜，轴面产状NE75°～80°，倾向SW(岸内)，倾角40°～50°。转折端岩层产状变化较大。桥道堡断层(Fe1)走向NW270°～280°，倾向SW(上游)，倾角60°～70°，破碎带宽30m至百余米，组成物为角砾岩、糜棱岩及压碎岩和断层泥等，胶结较差但挤压密实。受其影响，厂房区断裂构造发育，岩体破碎-极破碎。

1.3.2 地震烈度

工程区50年超越概率10%的地震烈度为7度，相应基岩水平向峰值加速度为144.8gal，50年超越概率2%的地震烈度为8度，相应基岩水平向峰值加速度为283.9gal[1- 3，6]。

1.4 水文地质条件

工程区为高寒阴湿向温带半湿润区的过渡地带。多年平均气温为7.3℃，极端最低气温-29.6℃，多年平均降水量为565.2mm[3]。厂区内地下水类型第四系孔隙性潜水和基岩裂隙水。

1.4.1 孔隙性潜水

赋存于河床及阶地砂砾卵石中，地下水位与河水位基本一致，主要受河水和基岩裂隙水补给。河床砂砾卵石渗透系数为122m/d，阶地砂砾卵石渗透系数为5～10m/d。

1.4.2 基岩裂隙水

赋存于上石炭-下二叠统地层中，含水层岩性为灰岩和砂岩，主要受大气降水及上游基岩裂隙水补给，地下水流向南东→北西排泄于河床。由于相对不透水页岩夹层分布，致使地下水运动受阻，局部水位抬高形成层间水。

2 调压井、压力管道和厂房布设

调压井、压力管道和厂房布设如图3所示。

(1)调压井布设于厂房区右岸山坡上。井的圆形断面直径26.0m，井口高程2226m，底部高程2134m(基岩开挖面)，井筒深度92m。调压井底板进水高程为2137.0m。

(2)压力管道布设了3条。由斜管段和水平段组成，斜管段布置方向与背斜轴呈75～80°夹角。开挖断面为5.9m的圆形洞。上水平段高程2137m，长37.46m，斜管段坡度45.22°，斜距长82.27m，下水平段高程2058m。

(3)厂房后边坡开挖按15m高度分5级开挖，每级设2.0m宽马道。1～5级马道高程分别为2138.25m、2123.25m、2108.25m、2093.25m、2078.25m，开挖坡比分别为1∶0.75、1∶0.75、1∶0.75、1∶0.30、1∶0.30；基坑最低开挖高程2046.5m，后边坡坡比1∶0.10。

主厂房、副厂房、安装间布置在自厂房后边坡坡脚向河边0～84.35m的区段，厂房长轴方向长122.5m，两侧临时开挖坡比1∶0.75。

3 调压井和厂房开挖中出现的问题及采取的措施[3]

3.1 调压井开挖及采取措施

调压井自上至下揭露的岩性：井口坡积块石碎石土厚度5～6m(施工时全部挖除)，井身中部为砂岩、灰岩、页岩互层，下部为灰岩夹泥灰岩、页岩，井基岩性灰岩。

井身处背斜核部，岩层呈薄层状结构且略扭曲，层面裂隙发育，岩体破碎，岩体完整性系数为0.20～0.40。在开挖过程中，井壁局部有潮湿现象，地下水活动微弱。围岩类别为Ⅳ类。

开挖中采用锚杆、挂网、喷混凝土联合支护的方式对井壁进行支护，最后衬砌120cm厚的C20钢筋混凝土。

3.2 压力管道隧洞开挖中出现的问题及采取的措施

压力管道斜管段地形坡度30°～35°，表层坡积块碎石土厚10～15m。隧洞穿越岩性(自调压井→厂房)为：灰岩夹页岩，砂岩、页岩、灰岩互层，厚层灰岩夹薄层灰岩，灰岩夹页岩、泥灰岩互层，岩性变化大，上覆岩体厚50～60m。隧洞围岩岩体破碎，岩层产状倒转且倾向与坡向相反。开挖过程中隧洞中的地下水，呈渗水、滴水状，局部呈涌水状，多出露在页岩夹层与灰岩接触面上，页岩遇水软化，其分布区成洞条件差，有剥离塌落等现象。3条压力管道隧洞围岩均属稳定性差的Ⅳ类围岩。

施工中对3条压力管道隧洞洞顶270°范围的围岩内采用系统锚喷支护。系统锚杆长度3.0m，间排距1.5m，直径25mm，挂Φ8@20钢筋网喷厚10cm的C20混凝土。压力管道采用钢衬素混凝土结构。

3.3 厂房开挖中出现的问题及采取的措施

3.3.1 厂房开挖及出现的问题

厂房后边坡处于区域断层Fe1的上盘，岩层扭曲，岩体破碎，岩性软硬不均，其中的泥灰岩、页岩岩性较软弱，遇水软化，易风化，且边坡岩体中地下水活动性较强，工程地质条件差。

厂房后边坡及厂基开挖对超高边坡(调压井顶部至厂房建基面)坡脚造成了扰动，破碎的岩体、大气降水和地下水对页岩的软化等原因导致厂房后边坡坡脚处的局部不稳定岩体塌滑。

(1)1#塌方。2005年9月22日，厂后边坡东北侧产生局部塌方，塌方位于4级马道上部2093.25～2108.25m高程(宽约59m)和3级马道上部2108.25～2125.25m高程(宽约65m)。由于塌方使边坡局部形成负坡，对上部边坡稳定产生不利影响。

1#塌方的主要原因是由于在不利的工程地质条件下，强降雨导致下部基岩饱和软化及施工过程中未能及时对开挖边坡进行支护。

(2)2#塌方。2006年9月17日，厂后边坡东北侧再次产生局部滑塌，塌方范围在高程2062.0～2093.25之间，宽度约45m，滑塌方量约5000m3。

2#塌方的主要原因为：①厂房基坑开挖深度大，工程地质条件较差，临时开挖边坡较陡，临时开挖边坡支护措未及时跟进。②厂后边坡3级马道以下为岩质边坡，岩性以灰岩为主夹部分页岩、泥灰岩，岩体破碎，裂隙发育。其产状为陡倾角，走向与开挖面小角度相交，对边坡稳定不利。③从压力隧洞开挖情况看，部分地段渗水较大，说明该边坡处地下水富集，对边坡稳定不利。④压力管道的爆破开挖施工，对边坡稳定也有一定影响。

3.3.2 采取的工程处理措施

厂房开挖最终采用陡边坡开挖、边开挖、边锚固、边防护的设计方案。锚固为网格式钢筋混凝土框架加预应力锚索锚固方案[7]。

(1)钢筋砼梁格和锚索施工

鉴于厂房后边坡岩性为岩土混合，基岩岩体软硬不均、完整性差且页岩、泥岩风化强烈，厂房后边坡及厂基开挖是对超高边坡脚的扰动，在钢筋混凝土网格梁和预应力锚索支护施工时还采用了贴坡混凝土措施，完善了原设计的护坡方案。

开挖后在坡面布置C25钢筋砼梁格，梁格节点设置预应力锚索(200t和120t交叉布置)对其进行加固。梁格布置顺坡向间距为4.0m，垂直坡向间距为5.0m，梁格断面尺寸为60cm×80cm。坡面采用挂网喷15cm厚C20砼进行加固，且布置减压排水花管。

在锚索造孔过程中，发现有20%的锚索孔原设计锚固段岩体破碎，打钻时漏风严重。处理措施是局部加深、固壁灌浆后重新钻孔的方法予以处理，并且固壁灌浆反复进行，部分地段套管护壁。在灌浆过程中局部地段耗浆量非常大，说明岩体中有贯穿性大裂隙的存在。另外边坡上部施工用水和大气降水下渗，造成很多锚索孔内有水，使边坡岩体受到渗水浸泡。

(2)开挖过程中边坡局部塌方工程处理措施

1#塌方的工程处理措施。为防止由于1#塌方引起厂后边坡进一步塌滑，保证工程施工安全，先对负坡以上边坡进行局部的修坡处理，然后对塌方范围内边坡浇筑C20贴坡砼，增设张拉力分别为200t和120t的预应力锚索。1#塌方处理增加C20贴坡砼6500m3，120t预应力锚索54根，200t预应力锚索23根。

2#塌方的工程处理措施。①分区分序在塌方区周围进行锚筋束及预应力锚索加固，以便对塌方区周围及时锁边，保证已加固岸坡的稳定和安全。锚筋束的插置施工后，及时的实施了固结灌浆。②塌方已造成3级马道底部产生临空面，因此，清除塌方虚渣后对该段边坡采用C20砼进行贴坡加固(贴坡砼的施工，增加了上部岸坡的稳定，为后续施工增加了安全裕度)。③为防止边坡变形向上游进一步发展，在2#和3#压力(管道)斜洞之间自建基面浇注贴坡砼，并设置两根张拉力为200t的预应力锚索进行上游滑裂面的锁脚。④贴坡砼完成后，为保证边坡的整体稳定和安全运行，在2063.75～2093.25m高程之间、宽约45m段，设置张拉力为200t的预应力锚索6排，对该边坡进行加固，锚索长度分别为25m和30m。同时在2093.25～2078.5m高程之间设置间排距为4m×5m的排水孔3排，排水孔入岩深度为5.0m。

厂房后边坡施工处理后形态如图4所示。

图4 厂房后边坡施工处理后形态

4 开挖中的边坡变形观测[3]

厂房后边坡施工时，在2093.25m高程马道表面设置了4个位移标点，2109.05m高程马道表面设置2个位移标点，2124.05m高程马道设置4个位移标点；在2138.25m高程马道设置3支活动式测斜管，在高程2123.25m和2108.25m马道各设置1支活动式测斜管[8]。

施工阶段的观测时段为2006年4月8日至2006年12月6日。观测前期一般为2～5d观测1次，若遇降雨，则加密为1d/次。锚索张拉结束后为7d/次。

观测结果表明：CL2、CL3两孔向边坡倾向方向位移一般为5～10mm，最大位移达11mm，CL4、CL5两孔向边坡倾向方向位移一般为0.5～2.5mm，最大位移达3.0mm，说明边坡整体呈基本稳定状态。

5 开挖后边坡稳定性分析评价

厂房后边坡开挖施工于2006年3月前已经全部完成。河海大学水利水电工程学院于2007年9月完成了《甘肃九甸峡水利枢纽厂房高边坡稳定性研究模型开发》。模型采用弹塑性有限元法(应用ANSYS软件)、非连续变形分析对厂房后边坡的稳定性进行了评价[7]。

(1)选取边坡岩体塌方段、安装间段和主厂房段3条剖面，建立边坡分级开挖、支护加固的非线性有限元计算分析模型，以及基于块体系统分析的非连续变形分析模型。

(2)模拟边坡分级开挖和支护加固的施工过程，获得了开挖后和支护后边坡的应力和安全系数分布。在无降雨的情况下，开挖后边坡是稳定的(塌方段剖面Kmin=1.41、安装间段剖面Kmin=1.4、主厂房段剖面Kmin=1.42)；采用锚索支护加固后，边坡的最小稳定安全系数有明显提高(塌方段剖面Kmin=1.71、安装间段剖面Kmin=1.68、主厂房段剖面Kmin=1.70)，锚索的作用是显著的。

(3)在边坡排水孔正常工作的条件下，遭遇设计地震，边坡是稳定的(塌方段剖面Kmin=1.47、安装间段剖面Kmin=1.43、主厂房段剖面Kmin=1.46)。

(4)降雨时，边坡内暂态饱和区的影响较小，控制该边坡稳定的主要因素是岩体浸水后其力学参数降低显著降低；在现有支护措施的条件下，即使边坡排水孔排水失效，边坡也能基本稳定(塌方段剖面Kmin=1.23、安装间段剖面Kmin=1.25、主厂房段剖面Kmin=1.27)，但安全系数偏小，较为危险。

(5)在电站引水洞或者调压井渗漏导致边坡内地下水位明显升高的极端情况下，边坡是稳定的(塌方段剖面Kmin=1.24、安装间段剖面Kmin=1.25、主厂房段剖面Kmin=1.26)，但安全系数偏小，较为危险。

(6)该边坡是稳定的。安装间段附近的安全系数较小，最为危险。建议做好边坡排水，尽可能减少降雨入渗，同时，切实有效地控制地下水位，减小边坡岩体浸水导致力学参数降低的可能性，确保工程安全。

6 电站运行后厂房边坡稳定性观测

2008年7月30日，首台机组并网发电，库水位为2171.6m，9月6日，第二台机组并网发电，库水位为2174.8m，12月31日，最后一台机组并网，库水位为2176.6m，水轮发电机组均能达到设计发电能力。

电站全负荷运行后，电站厂房后边坡布设的4个测斜孔和10个位移标点的监测数据表明，各测点向临空面的位移量均不大，且没有发展的趋势，表明超高边坡总体处于稳定和安全状态。

2012年6月在厂后边坡增设两个水位监测孔，布置在高压管道平管段斜管段部位，2012年11月16日起测，2016年两支渗压计变化均不大。年内CP17渗压水位在2107.941～2108.763m之间变化，变幅0.822m；CP18在2066.346～2067.382m之间变化，年内变幅1.036m。但是，2016年巡检时发现厂房后边坡有一个锚索墩帽破损脱落，个别墩帽发现有裂缝和墩帽根部分离的现象，厂房右侧护坡与后边坡拐角处一个常年排水孔(编号S1- 1，高程2180.0m)渗漏水量较往年略有增大，厂房内水轮机层2#、3#机组上游侧伸缩缝渗漏水较往年有明显增大等现象。表明厂房后边坡地下水位上升，对厂房后边坡的稳定不利，故在厂房后边坡增设了54个排水孔并于2017年1月完成新增排水孔的施工。

7 超高边坡成功开挖原因探析及类似工程施工建议

7.1 成功开挖原因探析

基于实际工程地质条件、切合实际的设计开挖方案和征对施工中出现的具体问题并采取合理的工程处理措施是成功开挖的主要原因，具体表现在以下几个方面。

(1)在超高边坡坡脚开挖长122m、24宽、深42m(厂房中心)的厂房基坑，对超高边坡坡脚的扰动、边坡坡脚处应力的重分布是厂房基坑开挖的必然结果，自清坡开挖最高点向下，边开挖、边护坡、边锚固，适时(在边坡应力未释放、重分布前)阻止边坡应力释放、重分布是超高边坡开挖施工必须践行的施工理念。

(2)厂房后边坡最高开挖线从2155.0m高程开始，沿山脊向两侧降低，总体从2149.25m高程进行开挖；最高开挖线至厂房建基面高差达108.5m。自上而下开挖每15m高差预留2m宽的马道，共布置了5级马道。每15m预留马道的开挖方案和预应力锚索、喷锚、挂网等工程措施不仅防护了浅表层的松动岩体、加固了一定深度的边坡，还及时封闭了边坡应力的释放和应力的重分布，是超高边坡坡脚厂房成功开挖行之有效的工程处理措施。

(3)施工过程中出现局部坍塌发生在强风化层、软硬互层的岩性分布区，喷锚措施未能及跟进、长历时降雨时坡面防水设施未到位、施工用水的管理不当是造成局部坍塌的主要原因，压力管道隧洞的爆破开挖施工是局部塌方的诱因。故合理地设计调压井开挖、压力管道隧洞掘进、厂房开挖的施工工序及工期是类似超高边坡开挖施工中必须注意的问题。

(4)在施工边坡上设置边坡变形观测点在施工中进行观测，不仅能在施工安全中起到预警作用，还能为完善设计、建立边坡稳定性研究模型提供依据。

(5)依据边坡开挖揭露的水文地质与工程地质条件、变形观测资料、设计开挖方案、工程处理措施等建立的边坡稳定性研究模型，不仅能分析和评价采取工程处理措施后边坡的稳定性，还能及时发现影响采取工程处理措施后边坡及电站运行中边坡稳定性的关键因素。电站运行期间，工程设计人员采纳“安装间段附近的安全系数较小，最为危险。建议做好边坡排水，尽可能减少降雨入渗，同时，切实有效地控制地下水位，减小边坡岩体浸水导致力学参数降低的可能性，确保工程安全。”的建议后，在边坡底部布设了的排水孔，在工程运行中发现厂房后边坡地下水位上升后，又在厂房后边坡增设了54个排水孔，消除了因地下水排泄不畅形成的水压力对边坡稳定的影响。