蒙江上尖坡水电站岩溶高边坡治理设计

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳550002)

上尖坡水电站位于珠江流域蒙江上游，混合式开发，大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高82.8 m，总库容1 600万m3。坝址河谷为走向谷，地形陡窄。右岸自然边坡高约300 m，地形坡度25°～40°，坡面平整，覆盖层厚0～10 m。边坡地层为吴家坪组中厚层燧石灰岩，岩层倾向左岸，倾角30°～32°，为顺向坡。边坡岩溶十分发育，顺岩层发育NJ1、NJ2、NJ3、NJ4等4层泥化夹层和1层大溶隙带，同时发育2组陡倾角裂隙，岩体内部还发育众多小型溶腔溶槽[1-3]。

泥化夹层平面与岩层面平行，夹层厚1～10 cm不等，连通率约70%。最深一道泥化夹层NJ1，距地面水平深41.5 m，泥化程度较高，含水量较大，厚8～10 cm。大溶隙距地面水平深度16.5 m，空度10～80 cm，70%被溶空，其上盘岩体基本处于极限稳定状态。工程区温和多雨，平均年降雨量1 205 mm，其中80%集中在5—8月。顺向边坡受岩溶侵蚀，加上多雨的夏季，使得本工程边坡问题非常突出。2013年8月中旬，右坝肩开挖至636 m高程，形成高约50 m，切脚宽度约65 m的边坡，遇连降3 d大雨，导致大溶隙等软弱结构面软化，8月22日夜，右岸坝肩发生了滑坡。滑坡带为坝轴线上游切脚临空体，滑坡带平均宽约50 m，一般厚约8 m，最厚处为15 m，滑坡面积约5 550 m2，总方量约为6万m3。所幸无人员和设备损失。地质剖面见图1。

1 边坡稳定计算及加固支护设计

1.1 690 m高程以上边坡稳定分析及加固设计

根据地质调查分析，690 m高程以上边坡滑动的底滑面最大可能是基岩强风化线的斜坡面，上部拉脱面可能为730 m高程的裂隙带或750 m高程的施工营地平台。定义730 m高程裂隙界为滑体1，750 m高程裂隙界为滑体2，见图2。

图2中，滑体顶部沿后缘裂隙面拉裂，沿强风化岩层面滑动，并沿较为薄弱的694 m高程水平剪出，滑动模式为双滑面，采用不平衡推力传递法计算边坡稳定。将滑体分为G1和G2两个滑块计算，见图3。

经整理和简化，计算公式如下：

K=抗滑力/下滑力

=(R1+R2)/(T1+T2)

=(f1G1cosα+c1L1+f2G2cosβ+c2L2)/

(G1sinα+G2sinβ)

式中K——抗滑稳定安全系数；T1、T2——滑动面下滑力，kN；R1、R2——滑动面抗滑力合力，kN；G1、G2——滑块重力，kN；f1、f2——AB、BC滑动面的抗剪断摩擦系数；c1、c2——AB、BC滑动面的抗剪断黏聚力，kPa；α、β——AB、BC滑动面与水平面的夹角；L1、L2——AB、BC滑动面有效抗剪断长度，m。

表1 690 m高程以上边坡抗滑稳定计算(加固前)

由计算结果可知，滑体2的边坡更危险，其中1-1剖面计算安全系数1.0，处于极限稳定状态，小于规范容许安全系数1.05。

根据本处边坡的特点，上部为土质边坡，下部为顺层岩质边坡，采用钢筋混凝土挡墙+预应力锚索支护，支护位置选在滑出口处，相应高程690～697 m，防护范围长105 m。预应力锚索为无黏结型式，设计吨位均为1 000 kN，锚索按2排布置，间排距4 m，共58根，锚索长度25～30 m，上排锚索倾角15°、下排锚索倾角23°，深入弱风化岩层以下10～20 m，锚固段长6 m。挡墙高6～11 m，墙身材料C30钢筋混凝土，锚索锚头所在墙段厚1.0 m，宽1.0 m，两列锚索间挡墙厚0.5 m，宽3 m。挡墙顶部坡体上设0.6 m×0.6 m混凝土排水沟。边坡支护设计见图4。

采用了钢筋混凝土挡墙+预应力锚索进行支护后，边坡增加锚索预应力施加在G2滑块上，受力分析见图5。

采用不平衡推力传递法复核边坡稳定，加固后的安全系见表2，增加锚索后边坡稳定满足规范要求，但安全系数提高幅度不大，只有3%～8%。

表2 690 m高程以上边坡抗滑稳定计算(加固后)

1.2 右岸上游690 m高程以下边坡稳定计算及支护设计

636～690 m高程为一凸起坡体，顺向坡结构，岩层倾向河床，倾角32°，内有泥化夹层、大溶隙带沿岩层发育，严重恶化边坡稳定条件。“8·22”滑坡后，剩下的地质剖面见图6。

经地质分析，“8·22”滑坡原因是连续降雨使大溶隙内的夹泥软化，同时坝肩开挖削弱了水平滑出面的岩体厚度，使其无法承受上部岩体传来的下滑力，形成双滑面破坏。坝基继续下挖，如果不采取处理措施，将会再次滑坡。根据此处边坡特性，宜采用削坡减载处理，将大溶隙上盘的岩体全部挖除，同时在坡面设锚筋桩，以消除沿下部泥化夹层滑出破坏的隐患。具体处理措施为：①672.8～690 m高程边坡采用C25混凝土框格梁支护+锚筋桩支护，框格梁间排距4 m，梁尺寸0.3 m×0.3 m，框格结点设3φ36砂浆锚杆束形成锚筋桩，根长9 m，间距4 m，倾角20°； ②662～672.8 m高程属水位变幅区，危险性较大，该处边坡喷10 cm厚C20混凝土形成封闭，并在原滑坡底面设3φ36砂浆锚杆束，根长9 m，间距3 m，梅花型布置，倾角20°;③636 m高程以下边坡沿大溶隙面削坡减载，沿清挖后的坡面作挂网喷混凝土支护,挂网钢筋φ6.5 mm @200 mm×200 mm，喷10 cm厚C20混凝土;④整个清挖坡面设φ50 mm排水孔，孔深3 m，间排距5 m，梅花形布置。支护设计见图7。

大坝上游边坡削坡减载后，留下了大溶隙以下的基岩，其下盘垂直厚度4～17 m位置发育NJ1泥化夹层，倾角约27°～29°，倾向河床方向。大溶隙与NJ1泥化夹层之间的岩块有可能在中部沿水平方向剪出坡破坏。选择636、621.5 m 2个高程作为典型断面复核边坡稳定，见图8、9。

a) 假设剪出面为636 m高程，采用刚体极限平衡法，按单米宽计算，潜在滑动面为NJ1泥化夹层面。根据地质参数，S1滑块的底滑面泥化夹层f′=0.22，C′=0.005 MPa，S2滑块的底滑面为完整基岩面，f′=0.8，C′=0.6 MPa。按此参数计算，S1滑块沿斜坡面的剩余下滑力F1=3 649 kN。将剩余下滑力F1加载到S2滑块上，沿水平面剪断面基岩滑出的安全系数K=5.6，抗滑稳定满足要求。

b) 假设剪出面为621.5 m高程，边坡稳定计算方法和参数同上，S3滑块沿斜坡面的剩余下滑力F3=6 479 kN。将剩余下滑力F3加载到S4滑块上，沿水平面剪断面基岩滑出的安全系数K=3.78，抗滑稳定满足要求。

1.3 右岸下游边坡稳定分析及支护设计

下游边坡受顺向坡结构的岩层、沿岩层面发育的大溶隙、NJ1泥化夹层等不良地质条件影响，基坑开挖使大溶隙以上岩体形成切脚临空面，因此最可能的潜在滑动面为大溶隙面，见图10。

按单米宽度计算，潜在滑动面为大溶隙面，滑动模式为单滑面滑动。根据地质参数，大溶隙面606～630 m高程70%为空腔，f′=0.3，C′=0.05 MPa，630 m高程以上为全泥型，一般情况下f′=0.22，C′=0.005 MPa，连续大雨时f′=0.18，C′=0 MPa。采用刚体极限平衡法计算边坡稳定，安全系数为0.59～0.67，不满足稳定要求。因此考虑预应力锚索和抗滑桩加固边坡。

根据平面位置，边坡上部布置2排预应力锚索，间距4 m，下部布置3排抗滑桩，桩中心间距可取为8 m，每个剖面上3根桩，即每3根桩承担8 m宽边坡条带下滑力，桩的断面尺寸为2 m×3 m。增加锚索和抗滑桩后，边坡剖面见图11。

按上述参数，单滑面计算，每桩要求承担的剩余下滑力水平分力为13 654 kN，见表3。

表3 大坝下游边坡抗滑稳定安全系数(回填大溶后)

根据“悬臂桩的简化法”[4]计算，桩最小锚固深度3.3 m，实际锚固深度12 m左右，满足最小锚固要求。锚固段为弱风化灰岩，地基系数均匀，用K法计算，为刚性桩，桩侧壁最大应力1.5 MPa，均满足本工程要求。

根据文献[7]的公式和方法计算桩身内力，上部岩体的荷载按均布荷载考虑，取K=8 000 kN/m3，m=0，则滑动面处的剪力为1 3654 kN，弯矩为47 789 kN·m，最大弯矩在滑动面以下2 m处，最大弯矩为63 189 kN·m，需配弯矩钢筋63 434 mm2，抗滑桩迎滑面侧配置2排11×3φ36@170钢筋，实际配筋面积67 181 mm2。桩身断面尺寸满足弯矩钢筋的布置要求。

取坝纵0+061.7、0+052 m等2个断面复核抗滑桩以下的边坡稳定，大溶隙上部的滑块可能在抗滑桩下方形成拉脱面，沿大溶隙面向下滑动，按单米宽单滑面模式计算，计算简图见图12、13。

大溶隙面地质参数f′=0.3，C′=0.05 MPa，按单滑面计算，上述两个断面的抗滑安全系数分别为1.74、1.90，均大于容许安全系数1.15，满足抗滑稳定要求。

通过上述计算分析，下游边坡设2排预应力锚索和3排抗滑桩，能保证边坡稳定和安全，因此，最终拟定的具体处理措施如下。①648 m高程以上为坝基开挖后形成的边坡，采用框格梁+预应力锚索支护。根据剩余下滑力计算，采用2排预应力锚索，共22根，锚索预应力1 000 kN，根长25 m，锚索与水平面夹角20°。为增加对岩块的约束，用C30钢筋混凝土框格梁连接成整体，梁断面尺寸0.4 m×0.4 m。②在626～648 m高程布置3排共计12根抗滑桩，桩心间距8 m左右。桩身为C30钢筋混凝土，桩断面为矩形，尺寸为2×3 m，桩身锚入NJ1泥化夹层以下1～2 m，桩长22～31 m。③为排除大溶隙内部积水，在636 m高程布置1排排水孔，孔深15～25 m，孔距3 m，倾斜向下2°角。④开挖坡面用6 m长φ25 mm砂浆锚杆挂网喷锚支护。

2 右岸边坡监测及运行情况

右岸边坡属高危边坡，边坡采用了削坡减载、表面排水、喷锚封闭、预应力锚索、抗滑桩、锚筋桩、坡面排水孔等多种措施联合支护，为保证施工安全和长期掌握边坡状况，共设置了6个三向表面变形监测点、2套测斜管、6套锚索测力计，见表4。

表4 大坝右岸边坡观测仪器

该边坡施工时段为2013—2015年，690 m高程边坡共设了58根1 000 kN预应力锚索，施工过程中因岩体内部岩溶空腔较多，钻孔过程经常出现卡钻、塌孔等现象，使施工期超出预期约1个月，锚固灌浆吸浆量很大，80根锚索共计超灌水泥和水泥砂浆6 600 t，平均每根82.5 t。因为工程投资控制的原因，13、30、45号锚索只进行预紧未张拉，其余锚索进行了张拉，在6、13、30、45号等4根锚索上安装了4台锚索测力计。大坝下游边坡648～672.8 m高程共设置了22根1 000 kN预应力锚索，并在66、71号等2根锚索上安装了2台锚索测力计，监测读数见表5。

表5 上尖坡水电站工程大坝右岸边坡观测读数

施工期间各测点变化平缓，最高测值均出现在大坝蓄水期间，由于蓄水导致应力重新调整，之后逐渐变得平缓 ，结合日常巡视检查结果，未发现异常情况，至今已正常运行4 a，该边坡呈稳定状态。

右岸下游边坡根据开挖情况，实施了1—9号抗滑桩，10—12号桩暂未实施。共安装了2组测斜管在6、8号桩上；于2015年2月3日开始监测桩体变形，位移变化量较小，变化过程线基本重叠，其最大变化为3.1 mm，而计算所得的桩顶位移为16.9 cm，实测值远小于计算值，该边坡呈稳定状态。

右岸上游边坡690、680 m高程各布置3个表面变形观测点，共6个，目前纵向X最大累计位移为5.6 mm，横向Y最大累计位移5.3 mm，高程最大位移4.5 mm；从监测变化过程线可以看出，蓄水期间各测点变化呈微小增长趋势，之后逐渐下降并平缓，结合巡视检查结果，期间未出现过突变及异常情况，该边坡呈稳定状态。

3 结语

a) 上尖坡水电站右岸边坡较为复杂，因岩溶发育导致边坡边界条件多样化，因而采用了削坡减载、预应力锚索、抗滑桩、锚筋桩、框格梁、贴坡挡墙、表面喷锚支护等多种边坡处理措施。工程于2013年底开始逐级支护边坡，2017年5月投产发电，至2018年底已蓄水运行2个汛期，边坡支护已完成4 a，边坡、大坝等各建筑物均未发现异常。表明本工程支护设计措施较为可靠。

b) 岩溶较为发育的岩质边坡实施预应力锚索，一是施工难度较大，钻孔困难，塌孔、卡钻频繁，严重影响施工工效；二是成本较高，灌浆水泥和砂浆用量很大，投资超预期的可能性大。同时，预应力损失和失效是难以避免的，因此应谨慎使用预应力类支护措施。

c) 边坡治理一般来说难度大，造价高，上尖坡水电站仅右岸边坡处理就花费约2 100万元，工期5个月。因此工程布置设计宜尽量规避复杂的高边坡问题。

d) 抗滑桩变形的计算值和实测相差较大，说明抗滑桩有较大的安全裕度，目前的抗滑桩计算方法和参数还有进一步研究的价值。

e) 本文较为全面地阐述了上尖坡水电站大坝右岸边坡的支护设计，供同行参考。