CCS水电站尾水渠边坡稳定及支护方案研究

梁成彦，邹红英，李 江

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州450003）

1 工程概况

CCS水电站位于南美洲厄瓜多尔东北部，是该国目前最大的水电工程，旨在解决其用电紧张困境，因此广受关注。CCS水电站发电厂房位于Coca河沿岸热带雨林的山体内，总装机容量1 500 MW，配置8台冲击式水轮机组。电站尾水渠位于厂房下游Coca河转弯处东南角，高程600～630 m，覆盖层深厚，最大深度为45 m，植被发育，地形起伏较大，受地形地质条件及道路影响，厂房尾水渠形成了高烈度深覆盖层条件下的高边坡，其稳定问题亟待解决。

2 设计难点

CCS水电站所在的南美洲厄瓜多尔境内属于高烈度地震区域，地震烈度为Ⅷ度。为了满足电站运行的水头要求，尾水渠高程距离地表约50 m，且覆盖层深厚，地质条件非常差，结合该工程的重要性、特殊性，尾水渠边坡设计出现了以下几个重大难题。

（1）地震烈度高，工程区域属Ⅷ度地震带，峰值加速度为0.3g。

（2）尾水渠边坡高度大于50 m，上部覆盖层深厚（厚30～45 m），下部为破碎岩体，对于此类高烈度深覆盖层条件下的边坡设计来说，用于计算的地质参数取值尤其重要，直接影响工程安全、投资和施工进度，对于散粒体的现场土工试验结果精度很有限，很难反映实际的地质条件，哪怕微弱的参数差异对支护工程量和边坡安全系数的影响也是非常大的，因此如何得到符合实际情况的覆盖层地质参数真值是边坡稳定分析的关键。

（3）尾水渠桩号C0+000.00—C0+042.00段左岸边坡总高度为52 m，尾水渠距离进出厂房的唯一交通要道非常近，直接导致尾水渠开挖范围受限。常规来讲，强风化岩石边坡开挖边坡为1∶0.50～1∶0.75，覆盖层开挖坡比至少1∶1.3才能够稳定；但是为了保证道路通畅和厂房施工顺利进行，不得不将开挖边坡设定为较陡的坡度，下部强风化岩石边坡高22 m，直立开挖；上部覆盖层边坡高30 m，坡比为1∶0.3～1∶0.5，显然形成了恶劣地质条件下的高陡边坡稳定问题，此处的边坡稳定直接影响到坡顶进厂道路的安全。

（4）尾水渠桩号C0+042.00—C0+160.00。进厂道路距离边坡顶部较远，使得边坡坡度可以放缓，坡比基本在1∶1.0～1∶1.5，但是该部位的覆盖层厚度比桩号C0+000.00—C0+042.00的更大，为30～45 m，在Ⅷ度地震的作用下，必须采取支护措施才能稳定。如果大面积采用预应力锚索支护，则大深度的覆盖层钻孔难度大、耗时长，成本非常高，最重要的是工期无法保证，因此需要找到更加合适的支护策略。

3 关键技术研究

3.1 多参数真值反演分析

尾水渠边坡上部为覆盖层，下部为强风化岩体，覆盖层又分为两层，上层为边坡崩积物，下层为砂砾石，针对散粒体，现场土工试验通过标准贯入值提出了覆盖层两种介质的抗剪强度。为了验证参数的可靠性，一方面采用该参数进行原始边坡的稳定分析，发现边坡安全系数小于1，边坡不稳，与现场实际情况不符，证明该套参数不能真实反映地质条件，另一方面现场取样进行试验无法达到原位试验的效果。综合以上土工试验针对散粒体抗剪强度的弊端，决定采用多参数真值反演分析的方法［1］来确定地质参数，反演分析的前提是尽可能找到临界稳定的边坡状态。因此，首先对尾水渠按照较陡的坡度进行了初步开挖，然后在无任何支护的情况下，让其自然滑塌成稳定边坡。经历了长达半年之久的南美洲雨季连续强降雨侵袭之后，边坡局部存在侵蚀滑塌现象，但整体稳定，基本确定此时的边坡处于临界稳定状态（安全系数为1）。通过测量边坡开挖线得到实际的整体综合坡度为30°（见图1），作为覆盖层介质的内摩擦角，覆盖层分为两种介质，从上到下分别是崩积物和砂砾石，接下来参数反演分析的任务就是得到这两种覆盖层介质的黏结强度真值，进而用于边坡稳定分析（见表1）。

图1 边坡地形剖面

表1 参数真值反演分析结果

结合反演分析结果（见图2、图3）可看出：崩积物的黏结强度范围大比例集中在18.0～20.0 kPa，崩积物的黏结强度最终取19.0 kPa；砂砾石的黏结强度范围大比例集中在28.0～29.6 kPa，砂砾石的黏结强度最终取28.8 kPa。

图2 崩积物黏结强度范围正态分布

图3 砂砾石黏结强度范围正态分布

3.2 稳定分析

边坡稳定分析针对尾水渠桩号C0+000.00—C0+042.00和C0+042.00—C0+160.00分别取一个典型剖面进行计算。尾水渠计算剖面见图4～图5，边坡稳定最小安全系数计算结果见表2。

表2 边坡稳定最小安全系数

图4 剖面1（C0+000.00—C0+042.00）

图5 剖面2（C0+042.00—C0+160.00）

3.3 支护措施与监测数据

CCS电站尾水渠边坡因多种客观原因而非常少见地集多种难点和复杂条件于一身，为了解决这些问题，提出了地连墙、预应力锚索、冠梁约束型抗滑桩、预应力锚杆、砂浆锚杆等多种措施联合支护的设计理念。

尾水渠桩号C0+000.00—C0+042.00段的左岸边坡上部30 m为崩积物和砂砾石组成的覆盖层，下部为岩石。下部岩石边坡采取地连墙+预应力锚索+预应力锚杆的支护方式，既保证边坡稳定，又充当尾水渠的过流边墙，一墙两用，墙厚1.5 m，嵌固深度为2.00～3.90 m，墙体预应力锚索参数为1 000 kN@3.25 m×3.25 m，入岩深度为10 m。上部覆盖层边坡支护以预应力锚索为主［2］、砂浆锚杆为辅，但是预应力锚索吨位的选择成了主要问题，吨位过小，预应力锚索数量会很多，造成浪费，影响工期；吨位过大，可能造成覆盖层变形过大，预应力损失，预应力锚索起不到应有的作用。因此，最终决定采用500 kN@3.00 m×3.00 m预应力锚索，入岩深度为10 m［3］，对边坡的腰部进行局部支护（见图6），同时增设多点位移计和预应力锚索测力计，以监测边坡施工安全，并且获得反馈资料。

500 kN预应力锚索从2014年2月开始施工，同年11月施工完毕，在此期间，根据多点位移计数据（见图7）可知，边坡在2014年1月开始表层变形明显增大，直到3月份变形还在持续增大，随着预应力锚索的施工，变形趋于收敛在20 mm左右，此后无明显变化。根据预应力锚索测力计监测数据（见图8）可知，500 kN预应力锚索预应力由500 kN逐步减小到约450 kN，并长期稳定，可以判断边坡在500 kN预应力锚索的作用下已达到基本稳定。下一步为了满足边坡安全系数的要求，并且加快工程施工进度和节省工程投资，决定将预应力锚索参数加大到1 000 kN@3.00 m×3.00 m，入岩深度为10 m，预应力锚索平均长度为45 m。通过后期的监测数据可以看出，该段边坡BX1-56、BX1-57多点位移计数据长期收敛无异常，500 kN和1 000 kN预应力锚索测力计监测数据也长期收敛无异常，即便是2016年4月在厄瓜多尔发生7.8级地震期间，边坡变形也无异常，表明边坡支护策略有效，边坡是安全稳定的。

图6 剖面1的开挖支护施工面貌

图7 剖面1多点位移计监测数据曲线

图8 剖面1预应力锚索测力计监测数据曲线

尾水渠桩号C0+042.00—C0+160.00段全部采用预应力锚索支护的话，数量多，单根长度大，总长度预计为9 000 m左右，且大深度覆盖层钻孔难度大、耗时长，总体成本非常高。因此，考虑到覆盖层深度大、坡度较缓的特点，经过方案比选和论证，最终采取以冠梁约束型抗滑桩为主［4］，预应力锚索、砂浆锚杆为辅的联合支护方式（见图9）。抗滑桩设置在边坡中部高程617 m的马道上，固定从马道以下滑出的滑弧，从马道以上滑出的滑弧采用砂浆锚杆Φ28@2.00 m×2.00 m，长度为12 m。抗滑桩间距采用6 m，共16根，截面为2.00 m×3.00 m和2.20 m×3.00 m，总长度为14～22 m（见图10）。根据边坡稳定计算的最大滑弧深度确定抗滑桩的锚固长度，锚固长度为伸入滑弧以下的部分，长度为总桩长的1/3～1/4［5］。另外，由于该部位基岩面高程变幅大，且考虑到投资、工期和施工安全，因此决定因地制宜地优化抗滑桩的长度，根据每根抗滑桩开挖过程揭露的具体地质条件，分别核算每根抗滑桩的长度，既保证边坡稳定，又确保抗滑桩长度最经济。对于个别地下水特别丰富的恶劣情况，无法将抗滑桩施工到设计深度，因此考虑增设部分预应力锚索补充抗滑桩的支护力。

图9 剖面2开挖支护设计（单位：m）

图10 剖面2开挖支护施工面貌

从边坡监测数据可以看出：BX1-60号多点位移计在2015年1—3月监测到大幅度的变形，为6 m深度范围内的浅层位移，经过现场短时间的停工和判断，确定主要原因是多点位移计附近进行了高负荷锚杆钻孔和灌浆施工（见图11）；其他部位的位移计和预应力锚索测力计均无明显变化，进一步确定，其仅对局部锚杆施工带来影响，现场采取降低锚杆施工强度措施后解决了该问题。另外，对抗滑桩内主受力钢筋设置钢筋计以测量钢筋的受力状态，从2015年5月开始收集监测数据，钢筋拉力经过4个月直到2015年9月基本收敛，拉力范围为6～22 kN，均小于钢筋的抗拉强度，因此抗滑桩受力完全在设计允许范围内。2016年4月在厄瓜多尔发生7.8级地震期间，边坡变形无异常，表明抗滑桩和锚杆的边坡支护策略是有效的，边坡是安全稳定的。

图11 多点位移计监测结果

4 结 论

对CCS水电站尾水渠边坡稳定及支护方案关键技术进行研究，得出以下主要结论：

（1）采用现场局部施工先行，取得边坡临界状态后，经过多参数真值反演分析得到符合实际的地质参数，弥补了散粒体土工试验精度有限的不足，为边坡稳定分析提供了可靠的基础数据。

（2）在桩号C0+000.00—C0+042.00段，受道路限制，覆盖层边坡不得已采取1∶0.3～1∶0.5的坡比，强风化直立开挖，该段边坡采取地连墙，预应力锚索、预应力锚杆和砂浆锚杆联合支护方案，上部覆盖层预应力锚索通过前期吨位控制和监测数据反馈确定最终预应力锚索吨位。监测数据显示边坡位移和预应力锚索应力均在短时间内收敛，认证了边坡整体设计理念及支护方案的合理性，保证了道路通畅，避免了另设进厂道路对厂房施工工期的重大延误。

（3）在桩号 C0+042.00—C0+160.00段覆盖层深厚，预应力锚索施工难度大、耗时长、成本高，经方案论证，最终采用以抗滑桩为主，预应力锚索、砂浆锚杆为辅的联合支护方案。监测数据显示，边坡位移收敛，抗滑桩受力在设计允许范围内，且短时间内收敛，证明了边坡整体设计理念及支护方案的合理性，保证了道路通畅，避免了另设进厂道路对厂房施工工期的重大延误。

（4）CCS电站厂房尾水渠边坡开挖支护设计于2014年6月被批准实施，2015年7月基本完成施工。CCS电站尾水渠边坡因多种客观原因而非常少见地集多种难点和复杂条件于一身，是疑难边坡设计的典型案例，对国内外类似工程设计和研究具有极大的参考意义。