横江杨柳滩水电站左岸滑坡治理设计概述

2020-05-18

四川水利 2020年2期

(四川省水利水电勘测设计研究院规划设计分院，四川德阳，618000)

1 工程概况

杨柳滩水电站位于四川省宜宾县与云南省水富县的界河横江上，距水富县两碗镇下游约3.2km，控制集水面积14441km2，总库容3205×104m3，总装机容量3×18MW，是一座以发电为主，远期发展航运的中型水电工程。杨柳滩水电站是横江干流盐津至河口段水电开发的第四级，采用河床式开发：主河床段共布置3孔冲砂闸、5孔泄洪闸和1孔调节闸，泄流总净宽99.0m，最大挡水高度18.0m；利用左岸较缓的有利地形，在较开阔的二级平台处布置主厂房、副厂房及户外式升压开关站。

该工程于2004年11月开工建设，2009年8月完建，2010年1月完成下闸蓄水阶段验收和首台机组启动验收，2010年2月首台机组并网发电，2016年1月通过竣工验收。工程建成后多年平均年发电量达2.48亿kW·h，发电效益显著，对缓解当地电力不足、发展地方经济起到了积极的促进作用。

2 工程地质条件

左岸坡较开阔，为缓坡、台地与斜坡相连。地面高程319.0m～370.0m，自然坡度一般为15°～25°，局部达35°～40°。地表零星分布坡残积层(Q4dl+el)，组成物质为块碎石土，厚0.0～6.0m。下伏基岩为侏罗系中统上沙溪庙组(J2s2)粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩不等厚互层，局部相变明显。岩层产状为N15°～40°W/NE∠7°～25°。岩层倾向河流下游偏右岸，属缓倾角顺层岩质结构边坡。岩体中发育N1～N3泥化夹层和C2～C7岩块岩屑型软弱夹层。岩体强、弱风化带厚度分别为2m～5m和6m～12m。

河床至施工公路间地面高程为318.0m～340.0m，自然坡度一般为10°～15°，基岩陡坎局部达40°～50°，地表基岩裸露，仅零星分布坡残积层(Q4dl+el)之块碎石土，厚0～5.0m。施工公路至川云中路之间的地面高程为340.0m～388.0m，自然坡度一般为20°～25°；地表覆盖层为崩坡堆积层(Q4col+dl)，组成物质为粘土夹块碎石，厚18.0m～26.0m。基岩为侏罗系中统上沙溪庙组(J2s2)粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩不等厚互层，局部相变明显，基岩卧坡坡角为一般为10°～13°，局部达23°。在岩体中发育有N1～N3泥化夹层和C2、C3、C6、C7岩块岩屑型软弱夹层。岩层产状为N15°～40°W/NE∠7°～25°。岩层倾向河流下游偏右岸，属缓倾角顺层岩质结构边坡。岩体强、弱风化带厚度分别为2m～5m和6m～10m。

3 滑坡形成过程及成因分析

3.1 滑坡形成过程

2004年底左岸边坡开始开挖施工，施工方式为自下而上开挖，且开挖过程中未进行任何临时边坡处理措施。2005年5月发生滑坡，滑坡体顺坡向长170m～240m，宽50m～60m，厚15m～25m，采用平行断面法计算其方量约20×104m3。

2005年3月进入雨季后，滑坡体地表出现变形开裂。至2005年4月5日，现场统计拉裂缝约13条，地表张开宽度一般为0.5cm～3cm，最大张开宽度18cm；延伸长度一般10m～20m，最大延伸达32m；可探测最大深度28cm；铅直位移1cm～5cm。泥化夹层(N1)的上部岩体向坡外有微弱变形迹象，水平位移约3mm～5mm，变形位移方向与泥化夹层中擦痕方向基本一致。经参建各方共同协商，及时研究制定并实施了削坡减载、修建截(排)水沟等初步措施。

2005年5月中旬，因连降暴雨，坡体变形裂缝增多，原各条裂缝均加长、加宽并加深，一些裂缝互相贯通。内侧缘L7-L10向上游方向已延伸至泥化夹层处，下游至开挖边坡，张开宽度一般0.1m～0.5m，局部达1.0m；可探测深度一般1.5m～2.0m，局部达3.0m；垂直位移一般0.3m～0.6m，局部达1.0m；水平位移一般0.5m～0.8m，局部达1.2m。外侧缘L6向两侧延伸，张开宽度一般7cm～20cm，局部达0.5m；可探测深度一般0.7m～1.2m，局部达1.6m；垂直位移一般0.2m～0.3m，局部达0.5m；水平位移一般0.4m～0.7m，局部达1.0m。施工方在2#冲沟向上游延伸而设置的排水沟也被拉裂变形，集水坑中的水大部分下渗至滑坡体，未起到地表预期排水效果。施工方的生活用水也直排滑坡体后缘。

2005年5月24日下午18∶30～19∶00近半个小时，整个滑坡体开始加剧变形，变形裂缝增多并延伸，在短短的半个小时内，滑坡体整体向下游方向滑移约2m～3m、向右岸方向滑移约3m～4m、沉陷高差3m～5m；在废品收购站房子处垂直位移约3.5m，排水沟处4m～5m，施工生活区3m～4m。滑坡前缘沿泥化夹层上部岩体剪出约0.1m～0.3m，各条裂缝张开宽度一般0.1m～0.4m，局部延伸长度达50m～60m，局部陡壁垮塌，在施工上坝公路处，地面出现鼓丘，长轴长6m～8m，短轴方向宽2m～3m，隆高0.6m～0.8m，短轴方向S75°E，从而形成工程滑坡。

2005年5月28日，整个滑坡体仍在滑移，后缘废品收购站房子处垂直位移达4.5m，排水沟处5.5m，施工生活区3.5m～4.5m；前缘鼓丘隆高达1.5m～1.8m。对覆盖层与基岩接触界面观测，未见有土层滑动的痕迹。据2005年6月份的补充勘探钻孔证实，在滑坡后缘，基岩与土层均未有滑动的痕迹。

整个滑坡直到2005年6月中旬才逐渐趋于临界稳定状态，在其前缘陡壁处泥化夹层(N1)上部的岩、土体有局部垮塌，鼓丘隆高达1.8m～2.0m。在滑坡体前缘，对施工开挖的基岩与土层形成的平台进行观测，未见覆盖层沿基岩接触面产生位移滑动的痕迹。

3.2 滑坡成因分析

根据开挖边坡的工程地质条件和特征，发生滑坡的主要原因有以下几方面：

(1)边坡岩体层面总体倾向下游略偏坡外，其中顺层分布的泥化夹层为滑坡的潜在控制性结构面，是产生滑坡的内在因素。

(2)开挖临空面过高过陡，形成人工高边坡，且未按设计要求对边坡采取支护、加固等工程处理措施，使边坡岩(土)体长期处于临空裸露状态，是产生滑坡的外在人为因素。

(3)施工放炮的震动作用和地表水的渗入，是产生滑坡的触发因素。据坡顶以上约100m处的村民介绍，施工放炮曾多次使其屋顶瓦块掉落，说明施工放炮装药量过大，对边坡岩(土)体的震动及变形危害甚大。

总之，左岸边坡由于自然及人为因素的影响，形成了工程滑坡。

4 滑坡体稳定性分析

根据地质条件和相应的岩体力学参数，采用岩质边坡稳定分析程序(EMU)对岩体力学参数进行了反算，并对各种可能的滑动形式(沿泥化夹层层面、沿软弱夹层层面)，分别按不同工况进行稳定计算。

4.1 边坡的级别及抗滑稳定最小安全系数的确定

边坡的级别根据相关水工建筑物的级别及边坡与水工建筑物的相互间关系确定，本工程厂房建筑物为3级，一旦厂房边坡失事将对厂房建筑物乃至水电站的运行造成极为严重的破坏，按SL 356-2007《水利水电工程边坡设计规范》确定边坡级别为3级。

由于边坡的破坏风险难以确定和查明，按SL 356-2007《水利水电工程边坡设计规范》表3.4.2确定正常运用条件、非常运用条件Ⅰ、非常运用条件Ⅱ三种工况下的抗滑稳定最小安全系数分别为1.20、1.15、1.10。

4.2 岩(土)体力学参数的反算

按地质专业的岩(土)体力学参数建议值，对选取的3个代表断面天然状态下的边坡稳定进行了计算，其稳定安全系数仅为0.7～0.8，与滑坡体处于临界稳定状态的实际情况不太吻合，稳定安全系数明显偏小，表明岩(土)体力学参数建议值不尽合理，需进行反算。根据边坡天然状态下处于临界稳定状态，可认为其稳定系数稍小于1，通过已知稳定系数及滑面等条件下反算滑面的岩土抗剪强度参数[1]。经反复试算，3个代表断面天然状态下的稳定安全系数为0.97～0.98时，滑坡体岩(土)体抗剪强度参数见表1，故将其作为计算采用的抗剪强度参数。

表1滑坡体岩(土)体抗剪强度参数

4.3 各剖面稳定复核

根据上述选定的力学参数分别对3个代表性剖面在各种计算工况下的稳定进行了复核。其计算工况如下：

①天然状态；

②开挖至设计边坡；

③开挖至设计边坡+设计工程措施(正常运用条件)；

④开挖至设计边坡+设计工程措施+暴雨(非常运用条件Ⅰ)；

⑤开挖至设计边坡+设计工程措施+七度地震(非常运用条件Ⅱ)。

初拟各代表性剖面的设计工程措施为：1剖面为A类2000kN、B类1500kN抗滑桩各1排，850kN级预应力锚索3排，2000kN级预应力锚索4排；2剖面为A类2000kN、B类1500kN抗滑桩各1排，850kN级预应力锚索8排，2000kN级预应力锚索2排；3剖面为A类2000kN、B类1500kN抗滑桩各1排，850kN级预应力锚索6排。

代表性剖面各种工况下稳定安全系数计算成果见表2。

表2代表性剖面各种工况下稳定安全系数计算成果

计算工况1剖面2剖面3剖面沿N3泥化夹层沿C2软弱夹层沿N3泥化夹层沿C2软弱夹层沿N3泥化夹层沿C2软弱夹层①0.981.201.250.970.981.80②0.941.161.210.930.951.75③1.331.231.431.241.381.88④1.301.201.371.201.351.83⑤1.281.161.351.191.271.76

据表2可知：

(1)代表性剖面在天然状态下的最小稳定安全系数分别为0.98、0.97、0.98，与滑坡体在天然状态下处于临界稳定状态的实际情况基本吻合，采用反算后的岩(土)体力学参数进行滑坡体稳定分析计算是合适的。

(2)1、3剖面边坡稳定主要受N3泥化夹层控制，而2剖面受厂房深基坑开挖影响，其稳定主要受下部C2软弱夹层控制。

(3)各剖面采用拟定的抗滑桩与预应力锚索的设计工程措施后，其稳定安全系数均能满足要求。

5 治理方案设计

滑坡体治理依据临时与永久相结合、先易后难、分步实施、确保安全的总体原则，首先根据滑坡体治理区的地形地貌，确定了削坡减载、排水、钢管桩的临时措施；再根据初拟的设计工程措施及各代表性剖面稳定计算成果，确定了抗滑桩、预应力锚索、护坡的永久措施。

5.1 临时措施

在覆盖层与基岩接触面设3.5m宽马道，马道以上覆盖层采用1∶1.0的开挖边坡削坡减载，削坡处的开口面距公路3.0m以上，且不影响民房。

为加强滑坡体地表水的引排，在边坡上部前缘沿周边修建一道截水沟，结合公路涵洞排水沟及上坝公路排水沟将地表水引出滑坡体外，以抑制地表水的入渗，降低地下水的渗透压力。

钢管桩作为一种抗滑支挡工程，由于其灵活、有效、及时、施工方便、对坡体扰动小且可以提供较大的支护力，能实现对变形中滑坡快速有效地支挡，能提高滑坡稳定，为滑坡永久治理工程提供时间[2]。为确保川云中路的安全，在滑坡体前缘、川云中路外侧共布置了181根钢管桩，其孔距为1.0m，伸入N1泥化夹层以下深度不小于5m。钢管桩采用钻机打孔下钢管，钢管直径127mm，钢管内设φ28钢筋3根，在钢管内下导管灌注C30豆石混凝土。

5.2 永久措施

5.2.1 抗滑桩

根据稳定分析计算成果，对滑坡体采用抗滑桩和预应力锚索的联合治理措施，在该范围内布置两排共49根抗滑桩。抗滑桩短轴中心线间距均为6m，桩体采用C30混凝土浇筑，总方量约9427m3，钢筋总计约1296t。

抗滑桩根据滑动面位置分为三类，其中A类、C类抗滑桩以N3软弱夹层作为滑动面进行设计计算；B类抗滑桩以C2软弱面作为滑动面进行设计计算。A类、B类抗滑桩布置于左岸主厂房上部的设计永久边坡上；C类抗滑桩布置于进水池左岸边坡上。

A类抗滑桩共计20根，提供设计抗滑力为2000kN/m，采用2.5m×3.5m或2.5m×4.0m矩形截面，桩长20m～25m；B类抗滑桩共计20根，提供设计抗滑力为1500kN/m，均采用2.5m×3.5m矩形截面，桩长25.5m；C类抗滑桩共计9根，提供设计抗滑力为1500kN/m，采用2.0m×3.0m矩形截面，桩长16m。

抗滑桩均为人工挖孔钢筋混凝土悬臂桩。桩井基岩或坚硬孤石段采用少药量、多炮眼的松动爆破方式，每次剥离厚度不宜大于30cm。孔口开挖后应做好锁口，孔口以下分节开挖，每节开挖1m～2m后立即支护。

5.2.2 预应力锚索

滑坡体边坡锚索均为双层保护无粘结式预应力锚索，布置有850kN级和2000kN级两种，分两次实施。

850kN级预应力锚索布置在钢管桩下部的厂房边坡上。锚索共计176根，间排距4m，沿方位角261°布置，设计锚固角为下倾30°。单孔锚索由6束φ15.2mm、公称抗拉强度1860MPa、截面积139mm2的钢绞线组成。设计锚索钻孔直径110mm，注浆材料采用M35水泥砂浆。锚索间距为4m～4.4m，锚索设计锚固力为850kN，设计张拉力为设计锚固力的1.2倍。锚索的锚固段长度为8m，锚固段置于弱风化或新鲜的泥质粉砂岩中。根据被加固滑坡体承载力较低及地形实际情况，采用框格梁及地梁作为外锚结构。框格梁梁宽120cm，高80cm，锚头固定在纵横梁节点处；地梁梁宽200cm，高80cm。

2000kN级预应力锚索布置在第一排抗滑桩上部的边坡上。锚索共计92根，间排距4m，沿方位角261°布置，设计锚固角为下倾30°，总长度约4626m。其中2剖面上游约12m至1剖面上游约30m范围内布置4排共计52根锚索，锚索长度48.2m～70.5m；余下范围内布置2排共计40根锚索，锚索长度39.1m～64.8m。每根锚索由12根φ15.2mm、公称抗拉强度1860MPa、截面积139mm2、极限张拉荷载259kN的钢绞线组成，锚索最小钻孔直径150mm。自由段伸入N3泥化夹层以下长度不小于2m，采用涂油脂和PE管包裹双层防腐的保护措施，每隔1m设置隔离架对锚索定位；锚固段长度不小于12m，每隔50cm将钢绞线用紧箍环(无锌铅丝)和隔离架固定，胶结式固结，用纯水泥浆做胶结材料，为加快施工进程可在浆液中掺加0.5%(占水泥质量)的早强剂。为保证锚固效果，减少预应力损失，锚墩采用棱台形钢筋混凝土结构，置于强、弱风化的粉砂质泥岩或泥质粉砂岩基岩上。墩底应力均满足地基承载力的要求。

5.2.3 护坡工程

对抗滑桩、预应力锚索区间范围内及其下部的永久边坡采用混凝土框格或挂钢筋网喷混凝土并辅以砂浆锚杆的加固处理措施；对厂房开挖过程中的临时边坡采用喷混凝土对边坡加固。

5.3 试验及监测设计

为验证预应力锚索设计，检验其施工工艺，指导安全施工，在锚固工程施工初期进行了预应力锚索锚固试验。预应力锚索锚固试验分为破坏性试验(拉拔试验)和非破坏性试验(张拉试验)两类。

为了验证补充治理工程的加固效果，监测左岸边坡加固后的稳定性，在预应力锚索安装时在其中5-10根锚索上安装锚索测力计，另设2套测斜管，3组多点位移计。

6 滑坡治理效果

左岸厂房边坡治理工程在滑坡体范围内设置了地面、地下位移监测网，共布置了3组多点位移观测计和2套测斜管，监测频率为每月2-3次，施工期加密至每天1次。抗滑桩于2007年8月施工完毕，预应力锚索于2008年2月全部张拉完毕。

工程于2010年2月投产运行，运行期间电站运行管理单位还加强了对左岸滑坡体的地表巡查，滑坡体周界和抗滑桩后侧岩土体未出现新的裂缝，原有裂缝已逐步愈合；同时通过自2007年2月以来对3组多点位移计共9个观测点的不间断观测，滑坡治理前左岸厂房最大位移为每月15.2mm～23.4mm，滑坡治理后则逐步减小到每月0.1mm，并趋于稳定。表明滑坡得到有效治理，变形得到抑制，整体效果明显。