老挝南俄3水电站厂房后边坡综合治理及稳定分析

魏兴存 刘慧芳 李 翔

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概况

老挝南俄3水电站位于老挝中部山区，是湄公河一级支流南俄河干流梯级开发的第3级(自下游向上游)年调节水电站，水库正常蓄水位723.00m，相应库容14.11亿m3，电站装机容量480MW。电站属Ⅰ等大(1)型工程，地面厂房建筑物等级为2级，位于坝址下游距首部直线距离约11.3km处的南俄河右岸，厂房后边坡属于A类Ⅱ级边坡，最大开挖高度141.95m，开口高程503m，边坡开挖设计坡比在高程398m以下为1∶0.25，413～398m为1∶0.5，443～413m为1∶1.0，443m以上为1∶1.25，每隔15～20m高程设置一条宽3.0m的马道。

2 工程地质

2.1 地形地貌

厂房后边坡总体为宽缓的、向SW228°方向凸出的脊状山梁，边坡下游侧受小溪沟影响呈圆弧状凸起，上游侧基本顺直，总体坡度30°，在450～540m高程处形成坡度约10°的较缓地形平台，边坡前缘至河边为缓坡段，总高差约为110m。边坡表现为陡缓相间的台阶状特征，靠下游侧(厂房右岸)发育冲沟。

2.2 地层岩性

厂房后边坡岩性由第四系松散堆积物和基岩组成。

a.覆盖层为全风化残坡积层，层厚一般为4～8m，组成物质为含砾粉质黏土，以粉、黏粒为主，碎石次之，结构疏松，含植物根系等，土层干燥、坚硬，呈硬塑状，具中低压缩性，遇水易软化，流变特性显著，抗冲刷、抗浸泡性能差。下部基岩为片岩夹千枚岩层，片岩约占80%，岩体较新鲜完整；千枚岩约占20%，条带状发育，层厚一般为2～15m，岩石相对较软，抗风化能力差。

b.施工开挖揭露地面厂房后边坡高程415m以上均为强风化和全风化岩体，表面局部显土黄色，岩体局部片理面不清。高程415m以下为中风化、微新的极薄层千枚岩(局部夹片岩)，片理面光滑新鲜，未扰动状态下结合紧密；高程415m以下岩体受开挖影响，岩体质量变差。边坡岩体中除片理面极发育外，其他组节理裂隙不发育，地质编录未发现断层结构面。揭露厂房后边坡地质产状为NW300°～350°倾向NE(略倾岸内)，稳定区倾角60°～80°，边坡上部岩层倾角相对较缓，有倾倒迹象，河床部位岩层倾角较陡，缓倾角裂隙不甚发育，断续出露，产状为NW330°～340°NE/SW∠15°～20°。各风化岩体界线在边坡中位置见图1。

图1 各风化线在开挖边坡出露情况示意图

岩石室内力学性质试验成果表明，厂区石灰岩及石英岩的饱和单轴抗压强度大于80MPa；新鲜的片岩和千枚岩饱和单轴抗压强度仅为24.2MPa，为较软岩。

2.3 地下水和岩体透性

钻孔反映厂区地下水埋深变化较大，但均小于55m，基本反映了山高水高的特点。厂区岩体渗透性总体较强，从强透水到微透水具有明显的区段性，片岩、千枚岩地层中岩体以强透水—中等透水为主，钙硅质岩和火山岩地层以弱透水—微透水为主。强透水孔内深度在40～76m，中等透水深度50～95m；弱透水深度达100m；根据压水试验资料，大部分试验段流量较大，中风化岩体吕荣值在7.7～14.29Lu，平均值为8.3Lu，属弱—中等透水性(5～10Lu)，强风化岩体属中等透水(10～20Lu)。

3 主要建设经过

3.1 较大变形和塌方

厂房后边坡开挖于2016年1月开始，2017年5月开挖至408m高程时边坡出现较大变形和局部垮塌。2018年3月中旬开挖至368m高程附近时，边坡表层进行了锚杆加挂网喷混凝土处理，处理后的边坡有渗水迹象。

随后2018年5月21日在厂房后边坡385m高程马道以下、2号机组段后边坡范围突然发生较大范围塌方，深度约2m，宽度约40m，高度10m，方量约100m3，见图2、图3，塌方部位剖面见图4。千枚岩出现倾倒破坏，局部浸湿明显，坡面喷混凝土钢筋网拉断，部分系统锚杆被拉出，锁口桩未见注浆体。

图2 基坑后边坡塌方

图3 塌方段上部空腔

图4 塌方段横剖面

3.2 塌方特征及失稳模式分析

塌方部位边坡岩体为千枚岩，局部夹片岩，片理面总体产状NW300°～320°，倾向NE，倾角75°～82°，片理面走向与开挖边坡走向成小角度相交，倾向坡里。岩体中片理极发育，多呈小于5mm薄层状构造，遇水表面易软化。塌方体从顶部到下部片理面倾角从中缓倾角向高倾角变化，基本上向SW方向变化失稳，失稳体残存片理面间具错动痕迹，坡面挂网锚杆头滑脱。塌方堆积体多呈散体状，向下部逐渐变成碎裂体。塌方体上部里侧可见多处水流痕迹，塌方后有渗水点。综合后边坡揭露岩性、设计开挖边坡、塌方情况、边坡稳定计算分析分析认为：

a.塌方失稳模式为典型的松弛岩体、受重力影响、地下水软化岩体的倾倒蠕变变形失稳模式。

b.揭露千枚岩及片岩干燥状态下呈低硬岩，饱和状态下微新岩体为较软岩。

3.3 主要支护措施

厂房后边坡支护主要目的是地表水防渗、降低地下水位，通过控制千枚岩及片岩水接触和表面深层锚固来遏制岩体变形稳定。主要采取如下措施：

a.地表水防治措施。主要包括：ⓐ边坡挂网喷10cm厚C25混凝土支护封闭，马道排水疏导；ⓑ厂房右岸冲沟主水源引排，厂房段设置排洪渠减少下渗。

b.地下水降低措施。主要包括：ⓐ设置644.8m纵深排水洞(至压力钢管起点阻水帷幕)，ⓑ458.0m高程马道正下方排水洞左右岸设旁洞，并在458.0m高程马道打排水孔形成宽90m、高50m的排水孔帷幕，见图5；ⓒ后边坡坡面设4.5～6m深排水孔。形成深、浅联合排水，降低坡体地下水位。

图5 后边坡综合治理纵剖图

c.岩体变形被动约束措施。ⓐ设置6排共计80束预应力锚索，在布置锚索边坡区域设置混凝土板，预应力锚索具体参数指标见表1；ⓑ设置φ25系统锚杆，L=6m，间排距2.0m×2.0m；锁口φ28锚杆，L=8.0m。

表1 预应力锚索参数指标

d.降低后边坡高度措施。基坑混凝土结构施工完成后尽快实施石渣回填及回填体固结灌浆，降低后边坡临边高度。

e.持续监测措施。持续进行边坡变形监测，跟踪分析变形规律，进行进一步的后边坡整体稳定分析。

图6 排水孔帷幕横剖图 (单位：mm)

4 后边坡稳定性分析

4.1 施工期监测成果分析

按照边坡监测结果，并结合边坡施工和加固情况，整个边坡过程可以分为三个阶段。

4.1.1 缓慢增长阶段

2017年11月之前(边坡开挖至395m高程之前)。主要受边坡施工影响，在开挖卸荷以及岩体蠕变的共同作用下，前期变形增长缓慢；后期受降雨和施工爆破等因素影响，加之厂房边坡岩性主要为页岩夹千枚岩，经水侵蚀后容易软化，导致整个厂房边坡位移有增大的趋势，边坡整体变形速率有所增加。

4.1.2 加速变形阶段

2017年11月—2018年5月(边坡自395m高程开挖至368.4m高程)。该阶段边坡开挖量大，开挖后形成的边坡较陡，卸荷效应显著且该部位坡脚开挖，造成坡脚支撑作用明显减小，导致变形快速增长，尤其是从4月开始进入雨季后，边坡卸荷岩体受到降水入渗导致的性能劣化也在一定程度上加速了变形的增长，千枚岩出现倾倒破坏。

4.1.3 稳定发展到收敛并趋于稳定阶段

2018年6月至今(雨季，边坡无大规模开挖活动)。该阶段边坡开挖活动少，随着边坡一系列加固措施的完成，以及厂房四周墙结构和基坑回填固结灌浆完成，边坡变形速率有所降低，变形主要受降雨及岩体蠕变影响，并最终趋于收敛。

加速变形阶段符合边坡的开挖导致的卸荷变形机理，即变形方向朝向开挖体临空面；稳定发展到收敛并趋于稳定阶段符合雨季中开挖后强卸荷岩体受到降水入渗导致的劣化变形机理，边坡下部监测点增量变形朝向潜在下滑风险区域。

4.2 稳定性分析

为进一步开展边坡变形参数反演，对厂房后边坡作出变形分析和安全评价，工程先在三维模型稳定性分析基础上，开展了多种二维模型稳定性分析，尽管二维稳定性计算相对三维稳定性计算存在一定时效和空间差异，但整体而言两者计算成果保持一致。地质专业和水工设计专业二维计算成果如下。

4.2.1 地质二维计算(利用Slide 6软件)

按照综合建议参数、RMR分级最低参数进行厂房后边坡稳定性计算，成果见表2。

表2 厂房后边坡稳定性计算成果

地震属于偶然工况，其他为持久工况。ⓐ按地质建议参数无论是持久工况还是偶然工况，安全系数满足规范最低要求，边坡总体处于安全范围内；ⓑ按RMR确定的岩体力学参数最低值进行风险分析时，无论是持久工况还是偶然工况，安全系数均不满足规范最低要求，但是这样低的岩体力学参数不符合岩体相应特性，以地质建议参数进行边坡稳定性计算为宜；ⓒ无论采用哪种岩体力学参数，总体是全风化及以上边坡存在强度稳定问题，各种方法最小安全系数位置略有差别。

利用Hoek-Brown破坏准则计算参数评价边坡稳定性，无论是持久工况还是偶然工况，安全系数均满足规范最低要求，边坡总体处于安全范围内，后边坡是稳定的。

4.2.2 水工设计二维计算(利用RS 2软件)

在不考虑厂房混凝土结构情况下，考虑运行期正常工况、运行期暴雨工况、运行期地震工况三个工况。边坡在各工况条件下的安全系数均满足要求，但暴雨工况安全系数最低，为控制工况。暴雨工况变形区域主要集中在边坡399m高程以上区域，增量变形量最大值为33cm，最大的锚索主要为386m高程的锚索，数量超过180t。反演得到的边坡岩体力学参数见表3。

表3 强度这件计算结果

5 处理后监测情况

在厂房开挖边坡398m高程以上共布设10个表面变形测点、2套3点式多点位移计，后期陆续增加了2套3点式多点位移计、1套4点式多点位移计、5套锚索测力计、4个永久表面变形测点和24个临时表面变形测点。

5.1 表面变形监测

2018年6月开始，边坡位移增速逐渐降低，总体从最大3mm/d到0mm/d，各测点的时效分量已趋于收敛，表明当前厂房后边坡变形趋于稳定。其中，最大累计位移在厂房主边坡428m高程马道的TPC2-3测点，达到458.6mm，当前位移速率稳定在0.1mm/d，介于慢速到非常慢速之间，TPC2-3位移变化过程及位移矢量见图7、图8。

图7 TPC2-3位移变化过程线

图8 TPC2-3变形监测点位移矢量图

5.2 内部变形监测

图9 厂房边坡多点位移计位移变化曲线

5.3 预应力锚索荷载监测

目前，405m高程锚索拉力超过锚索设计拉力1500kN,达到2192.14kN，但荷载损失率在逐步降低，当前荷载损失为776.78kN，荷载损失率-54.88%。依据锚索荷载增量-时间曲线(见图10)，可以判断总体锚索测值趋于稳定。

图10 锚索荷载增量-时间曲线

5.4 其他

厂房主边坡443m高程马道水位观测在34～40m，随降雨情况和季节浮动。

6 结 语

老挝南俄3水电站地面厂房后边坡稳定问题不受结构面控制，不存在大范围的块体稳定问题，是岩体本身风化程度较深、开挖坡高、饱和状态岩体强度变低的变形稳定问题；398m高程以下开挖坡比较大，加剧了下部坡体变形，从而引起边坡不同高程部位岩体变形。因此，后边坡稳定问题属于岩体变形稳定问题，而非强度稳定问题，按变形稳定问题分析边坡可能的累计变形量和变形速率，支挡结构完成后变形趋势及变形速率，工程进行了三维和多种二维模型计算，分析了边坡的变形稳定问题，属按强度稳定问题进行分析计算的典型案例，通过开挖过程和后续工程监测，整个边坡变形机制从缓慢增长到加速变形，再到稳定发展，最终收敛趋于稳定达到运行标准。但仍需继续跟踪监测，并根据稳定需要增加锚索等合理的加固措施。本文千枚岩高边坡工程的分析处理措施可为类似工程提供借鉴。