浅析高山峡谷区水电站库区复建公路库岸再造影响区设计

2020-06-29高绍清王玉江

水电站设计 2020年2期

高绍清，王新，曹廷，王玉江

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 611130)

0 前言

随着水电站的建设与开发，水电站库区复建公路受使用功能限制，需要按照“原规模、原标准和原功能”原则抬高复建。按国家及行业规范规定，复建项目主要以三、四级公路及等外级公路为主，具有道路等级和建设标准较低的特点，并且其路线长度较长，多展布于高山峡谷地带，地形及工程地质条件复杂多变。

库区复建公路一般位于沿岸岸坡中下部，属于傍山临水路线。库区复建公路所在岸坡一般较为陡峻，同时库区蓄水后形成区域小流域气候，库区降雨量大幅增加。受自重、库水位及强降雨影响形成的库岸再造影响区，包括了库区塌岸、库区滑坡、库岸蠕变等类型。以上原因使库区复建公路在建设期及运营期产生较多病害，导致项目投资大幅增加。

1 水电站库区复建公路库岸再造影响区设计理念

由于水电站库区复建公路具有道路等级低、建设标准较低、路线长度长、地形地质条件复杂、易受库岸再造影响等特点，因此水电站库区复建公路库岸再造影响区应采用如下设计理念。

(1)坚持地形选线、地质选线原则。首先，应在室内地图中圈出“鸡爪”地形、深厚覆盖层、疑似滑坡等地段，对不良地质的成因、范围、规模及危害程度进行评估分析；然后，工作人员到现场对问题进行复核、对比及分析，在地形图上标出滑坡、崩塌、岩堆、库区塌岸影响区、库区滑坡影响区、岩质库岸蠕变影响区、深厚覆盖层变形影响区等，并在室内采用中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司(简称“成都院”)提出的库区塌岸分析法及公式法进行复核和修正库岸再造影响范围。值得注意的是，公路选线设计时应尽可能避开“鸡爪”地形、库区再造影响区等不良地质地段。

(2)公路设计高程适宜原则。库区蓄水后形成区域小流域气候，库区降雨量大幅增加，同时库水位频繁升降，导致库区复建公路产生库岸再造等现象，严重危害公路安全。为确保库区复建公路安全，覆盖层岸坡设计高程应高于库区正常蓄水位50 m；完整硬岩地段库区复建公路设计高程应高于库区正常蓄水位10～20 m；风化破碎硬岩、软岩地段设计高程应高于库区正常蓄水位30～40 m。

(3)新旧结合原则。库区复建公路设计应坚持新旧结合原则，在确保库区复建公路安全的前提下尽可能利用现有公路，减少施工便道开挖对岸坡的影响，降低公路开挖工程量及工程造价，缩短工程工期。

(4)抓重点原则。由于水电站库区复建公路按照“原规模、原标准和原功能”的原则抬高复建，因此其受工程造价控制较为显著。基于水电站库区复建公路的特点，水库蓄水及库水反复升降的影响是一个非常复杂且长期动态的过程，在工程造价严格控制的前提下很难做到完全避免库岸再造等地质病害。因此，公路设计时应坚持抓重点原则，做到整体可控、局部加强，在工程造价与公路安全中取得动态平衡。首先，应确保水电站库区复建公路桥梁、隧道等结构物的绝对安全可靠，严禁将桥梁、隧道放置于深厚覆盖层等库岸再造影响区；其次，深厚覆盖层岸坡不宜采用桩基托梁+挡土墙或扩大基础+挡土墙等可靠性较差结构物；再次，松散～稍密深厚覆盖层岸坡不宜采用高路堑边坡，同时应做好破碎岩质边坡、顺层岩质边坡或强倾倒变形岩质边坡的支护措施；最后，可适当减少中密～密实覆盖层边坡、弱胶结覆盖层边坡或较完整岩质边坡的支护工程量。

(5)统筹考虑原则。库区复建公路不同于普通公路，具有一定特殊性。首先，库区复建公路基本以三、四级公路为主，工程造价相对较低，属于较低等级公路。从我国低等级公路的设计理念来讲，低等级公路应尽量避免或减少隧道、大桥等结构物，以降低公路造价，但这也导致了部分路线未能完全或者有效地避开不良地质路段或陡崖路段。在开工建设后，库区复建公路还存在地方政府政策、移民搬迁、宗教影响、老路保通、材料运输、鱼类保护、水保环保等问题，建成后又面临水库蓄水及库水升降的影响。因此，在库区复建公路设计时，应统筹考虑政府政策、工程造价、不良地形地段、地方政府要求、移民搬迁、宗教影响、水保环保等问题，并最终取得一个最优设计方案。

(6)环境保护原则。库区复建公路基本都是沿水库库岸布设，属于“近岸”公路。对于平面线形，应在满足规范的前提下，尽量适应地形，避免过多的高填深挖地段，减少对环境的破坏，并在工程造价可控范围内选取合适地段修建观景台(停车休息区)；同时，选择本地优生树种、草种及花种进行边坡坡面绿化美化工程。

2 库区复建公路典型工点分析

西南地区水电站库区复建公路库岸再造影响主要分为库区塌岸、库区滑坡及库岸蠕变三种类型。

2.1 库区塌岸

以溪洛渡金阳复建公路通山路K99+114.53 m～K100+094.44 m段工点为例，该段公路位于冲洪积覆盖层阶地外缘，上覆全新世冲洪积砂卵砾石层，结构松散～稍密，层厚40～50 m。该工点库区复建公路设计高程615 m，正常蓄水位高程600 m，岸坡坡度约40°，岸坡自然坡度大于水下稳定坡度30°～34°。由于该段岸坡水库蓄水后受库岸再造影响，随着水库水位的反复升降，受库水浸泡、浪蚀及强降雨等作用，产生了库区塌岸，其中K99+900 m～K100+025 m段挡墙已完全垮塌，路基内侧斜坡产生覆盖层浅表层坍塌。由于道路外缘路基受到淘刷，该段塌岸向上下游有扩展迹象，路基外侧浆砌石挡土墙有进一步垮塌的可能，塌岸区向后缘也有扩展趋势，对公路路基的稳定性将产生较大影响，车辆、行人通行存在极大的安全隐患。

基于公路库区塌岸这一情况，设计人员做出了如下处理方案。水下部分岸坡受库水升降带走表层砂砾土，现有稳定岸坡属于巨粒类漂石、卵石土，目前测量得出水下稳定坡度为34°。根据库区塌岸分析法，采用水下、水上稳定坡度推测库区塌岸影响范围，并调整布置于冲洪积覆盖层阶地非塌岸区范围内的路线，在保证道路路基稳定的前提下减少路线向山体一侧开挖的工程量。库区复建公路选线设计时应坚持地形选线、地质选线原则，适当抬高公路设计高程，避开库区塌岸影响区，确保公路安全。库区塌岸公路布线合理范围见图1。

图1 库区塌岸公路布线合理范围示意

2.2 库区滑坡

2.2.1 绕避方案

以溪洛渡水电站金阳复建公路西金路葫芦坪子滑坡工点为例。金阳复建公路西金路K10+550 m～K13+800 m段原施工道路位于古滑坡中部，地面横坡26°，坡度较缓，原复建公路为了控制工程造价，设计方案利用旧路展线，并考虑蓄水后根据塌岸规模进行路线调整优化。

2013年，溪洛渡电站蓄水后产生库岸再造影响，其上游K12+630 m～K13+200 m段产生库区塌岸，呈断崖状塌岸，其中380 m长度复建公路路基整体垮塌至库区，已失去使用功能，并有可能发生较大范围失稳。其下游侧原设计K11+050 m～K12+630 m古滑坡体复活形成葫芦坪滑坡，滑坡顺河长约350～405 m，横河宽约1 020 m，前缘剪出口高程约480 m，滑坡后缘高程约960 m。滑坡平面呈不规则树枝状，滑坡所在覆盖层上薄下厚，厚度约30～70 m，覆盖层为含孤石块碎石土。葫芦坪子滑坡地表从高向低分布有六处较明显的拉裂缝。通过表面变形和深部位移测斜孔监测，平面累积合位移测值为660.0 mm，沉降累积位移测值为246.8 mm，深部测斜管位移变化明显，距孔口约27 m、31～34 m处发现明显剪切面，深部测斜管受剪切破坏，库水下降过程中变形速率较快，葫芦坪滑坡有整体垮塌的风险。葫芦坪子滑坡纵断面示意见图2。

图2 葫芦坪子滑坡纵断面

针对葫芦坪子滑坡的具体情况，设计人员提出了以下处理方案。结合K12+630 m～K13+200 m段库区塌岸治理方案，如后期改为隧道绕避方案，将大幅增加工程造价。因此，公路路线方案设计时，应坚持“地质选线”原则，绕避该古滑坡体及深厚覆盖层地段，路线内靠，并且适当抬高路线高程，即路线从古滑坡后缘基岩出露处通过，这样既确保了公路安全，又大幅降低了工程造价。

2.2.2 明线“柔性路基”方案

以溪洛渡水电站S307雷波段小务基滑坡工点为例(见图3)。小务基老滑坡是由新老崩坡积堆积而成的古滑塌体，滑体顺河长100～200 m，横河宽700 m，厚约30～60 m，主要以灰岩块碎石构成。滑坡前缘高程约400 m，后缘高程约750 m，体积约525万 m3，属大型滑坡体。20世纪80年代，当地在古崩滑体中上部修建引水渠，由于防渗措施不到位，大量渠水下渗引起部分砂质泥岩滑面抗剪强度降低，导致古崩滑体底部为砂质泥岩的右侧局部段产生滑动。这一滑动使S307省道外移，最终将水渠废弃。由于前缘金沙江岸边斜向外厚层状灰岩体的坚强阻挡，且水渠废弃后无沟水下渗，该老滑坡未出现整体变形滑移现象。根据稳定性分析结果显示，小务基老滑坡适当减载后，在各种工况下均处于稳定状态。库水作用对该老滑坡浅表具有一定的再造影响，但不会对整个坡体产生大规模、长距离的快速滑动。

针对小务基老滑坡，设计人员做出以下处理方案。考虑到滑坡体后缘高程(750 m)较高，又受附近上田坝移民安置点高程控制，路线不能从塌岸区顶部通过；同时根据稳定性计算结果，滑坡体在库区蓄水后大规模快速滑动的可能性较小。为方便上田坝安置点居民出行，节省工程投资，路线选择放弃了隧道绕避滑坡体方案，采用明线“柔性路基”方案，从滑坡体中部通过。水库蓄水后，2～3年为沉降变形期，公路路基随滑坡体的蠕滑而产生不同程度的沉降变形。因此，该段公路在蓄水后3年内采用泥结碎石路面，暂不铺设混凝土路面。根据现场测量，小务基老滑坡明线段最大沉降量3～4 m，在沉降变形期内，需加强路基路面监测与维护，在路基沉降值影响行车顺畅时，及时采用碎石土和级配碎石垫高路基或将路线向坡体内侧扩挖，实施动态保通，待沉降及变形趋于稳定后，重新铺筑路面。对于库区内大型滑坡体，应加强前期勘探及分析评价工作，若库区蓄水不会造成滑坡体大规模快速滑移且在公路等级较低的情况下，可按特殊路基处理，将长期沉降观测及动态维护相结合，待滑坡体及公路路基自行趋于稳定。

图3 小务基老滑坡体断面

2.3 库岸蠕变

2.3.1 溪洛渡岩脚复建公路K8+890 m～K10+070 m段基岩库岸变形

溪洛渡岩脚复建公路K8+890 m～K10+070 m段岸坡(岩脚分场镇)为基岩岸坡(见图4)，浅表覆盖层较薄、地面横坡陡峭。其外侧至金沙江江底为斜逆向岩质岸坡，根据后期地质勘探发现，公路路基主要位于强风化白云岩、白云质灰岩上。通过勘探揭示，基岩库岸变形区内公路下游段岸坡下部至高程570 m岩体岩性极其破碎，钻孔岩芯多呈碎块、角砾和砂状，局部为5～15 cm的柱状，少量柱长10～30 cm，挤压破碎带普遍发育。加之该套地层中夹石膏、泥岩等软弱岩层遇水易软化，在蓄水工况下对岸坡稳定不利。溪洛渡水库蓄水前，岩脚岸坡位于金沙江天然水位高程约450 m处，蓄水后，岸坡最大淹没高度达150 m。2015年11月初，在库水作用下700 m高程以下岸坡发生较大范围垮塌，靠山内侧裂缝在库水的软化作用下发展进一步加剧。故岸坡岩性破碎和含软弱岩层等欠缺的地质条件及水库蓄水作用为岩脚集镇下游变形体变形的根本原因，变形区为水库影响区。

针对这种情况，工作人员做出以下现场处理对策。集镇区域为了确保房屋居住安全，采用锚索框格梁进行治理。由于公路长度约1 180 m，需要对公路区域处理的面积较大，同时考虑沉降变形较小，如若采用锚索框格梁治理方案，工程造价特别大，因而目前采用保通观察的方式。工程前期，应加强对基岩软弱结构面的勘察工作，针对存在可能整体滑移变形的区域，路线设计时应当合理避让。当路线通过遇水软化的岩石区域时，应该进行合理预判，道路适当向山体布线，预留足够的崩塌安全距离。公路设计应坚持高程适宜原则，对于风化强烈、破碎硬岩岸坡应适当抬高路线高程，避开岩质岸坡变形影响范围。

2.3.2 溪洛渡雷波S307徐家坪库岸变形

徐家坪塌岸变形影响区系由新老崩坡积堆积而成的崩坡积体，地形呈典型坡积裙。崩坡积体长约900 m，高约90～140 m，坡度约30°～40°，坡脚高程约570～590 m，坡顶高程约680～730 m。崩坡积体下方为徐家坪平缓基座阶地，崩坡积层厚20～50 m，表层结构松散，坡体表面崩积碎石处于极限平衡状态，局部发育次级滑塌。崩坡积堆积体上方为岩质陡壁，金沙江左岸岸坡坡脚基岩出露，岩性为泥灰岩。

图4 岩脚基岩库岸变形剖面

根据地质勘察，徐家坪塌岸区表层崩坡积体目前整体处于基本稳定状态，局部浅表有小规模溜滑，水库蓄水后可能产生局部塌岸及变形，产生整体快速滑塌的可能性极小。若采用隧道绕避该塌岸区，工程投资较大，且隧道进出口需穿越深覆盖层，施工难度较大；水库蓄水后，塌岸区变形对隧道进出口洞身段结构安全存在不利影响。由于崩坡积体下方徐家坪阶地较为平缓、开阔，且属于基座阶地，有条件对塌岸区进行堆渣反压处理，故考虑对本段路线路基内侧崩坡积中上部进行挖方卸载，同时利用卸载弃渣对崩坡积坡脚进行堆渣反压。为提高反压效果，反压渣体应适当碾压。堆渣反压边坡为了适应水库浸泡引起的沉降变形，抵抗库水淘蚀，坡面采用了大块石码砌护坡(见图5)，坡脚设置了仰斜式混凝土护脚。目前，溪洛渡水电站蓄水五年来治理效果良好。

库区复建公路设计应坚持地质选线原则、抓重点原则、统筹考虑原则，在判断徐家坪塌岸变形影响区产生整体快速滑塌可能性极小的基础上，根据徐家坪属基座阶地且地形宽缓的特点，充分利用附近明线段弃渣中块石含量较多这一有利因素，采用大块石码砌进行反压护坡，形成填石高路堤。这样既有效消化了弃渣，又提高了路堤稳定性，且对原崩坡积岸坡干扰较小。相较隧道方案，其工程造价大幅降低，工期较短，施工难度相对较小，可取得良好的经济价值及社会效应。