奴尔水利枢纽工程高边坡防护处理设计

班懿根

(新疆塔里木河流域奴尔水利枢纽建设管理局，新疆 策勒 848300)

1 工程概况

奴尔水利枢纽工程位于奴尔河中下游河段，属新疆和田地区策勒县境内。奴尔河发源于昆仑山中段卡拉塔什山北坡，全长约120 km，其中,奴尔水文站以上河道长度为43 km，流域面积734 km2，平均河宽200～500 m，平均纵坡约20‰。奴尔河奴尔水文站以下河道出山口后，河床骤然放宽，部分河段河床不明显，洪水在广阔的冲积扇上漫流，很快损失殆尽。

奴尔水利枢纽是奴尔河上的控制性工程，是承担灌溉、发电综合利用任务的枢纽工程。水库总库容为0.69亿m3，正常蓄水位为2497 m，死水位为2465 m，电站总装机容量为6.2 MW，多年平均年发电量为0.217亿kW·h。工程由拦河坝、导流兼泄洪冲砂洞、溢洪洞、发电引水系统及电站厂房等组成。大坝为碾压式沥青混凝土心墙坝，最大坝高80 m。工程地震设防烈度为Ⅷ度。

2 工程边坡现状

奴尔水利枢纽工程区左右岸主要地层为西域组砾岩(Q1)、第四系中更新统冲积(Q2al)砂卵砾石、第四系上更新统冲积(Q3al)砂卵砾石、第四系上更新统冲积(Q3eol)低液限粉土。

低液限粉土具有密度小、抗剪强度低、透水性差的特点，易发生地震液化等不良地质问题[1-3]。坝后右岸上坝公路回车平台上部粉土边坡和左岸厂房上部约高程2485 m处粉土边坡受雨水侵蚀、风力侵蚀时常出现小规模坍塌及扬尘等现象。

坝址区西域砾岩主要由大小不等的漂石、卵砾石构成，以泥质胶结为主，局部泥钙质胶结。西域砾岩具有软化系数较大、颗粒组成不一、易风蚀风化等特点[4-5]。坝顶左岸至联合进水口交通洞进口平台处暴露的西域砾岩和联合进水口附近高边坡暴露的西域砾岩时常出现风蚀掉块等现象。

3 工程左右岸地质条件

左岸山顶高程约2680 m，坡高180 m，岸坡走向53°，高程2620 m以上坡度较缓，为12°～15°；高程2620 m以下逐渐变陡，地形坡度为20°～32°。在高程2440 m(Ⅲ级阶地前缘)以上表部的风积粉土在坝线附近已被清除，其余部分岸坡被风积低液限粉土覆盖，厚30～53 m；在高程2440 m(Ⅲ级阶地前缘)以下为阶地陡坎，出露第四系冲积砂砾石及西域砾岩。

据试验资料：风积低液限粉土颗粒粒径大于0.075 mm的细砂含量平均值3.19%，0.075～0.005 mm的粉粒含量平均值91.66%，小于0.005 mm 的黏粒含量平均值5.15%，黏粒含量低，液限平均值28.23%，塑限平均值18.80%，塑性指数平均值9.4，天然干密度1.29 g/cm3，天然含水率为4.4%，比重为2.70 g/cm3，纵波速度Vp为300～530 m/s，天然状态下直剪试验内摩擦角为19°～20°，黏聚力为12.7～20.6 kPa；饱和状态下内摩擦角为17.5°～28.0°，黏聚力为16.9～26.1 kPa。天然状态下压缩系数为0.26 MPa-1，饱和状态下压缩系数为0.34MPa-1，为中～高压缩性土。易溶盐含量为0.38%～1.00%，属盐渍土。

右岸山顶高程大于2730 m，坡高大于300 m，岸坡走向39°，高程2610 m以上岸坡坡度为2°～28°，高程2610 m以下岸坡坡度37°左右，上覆粉土较厚，据前期勘探及施工阶段资料，表层风积低液限粉土厚36～78 m，下部为冲积砂卵砾石及西域砾岩。

据试验资料：风积低液限粉土颗粒粒径大于0.075 mm的细砂含量平均值占3.19%，0.075～0.005 mm的粉粒含量平均值占91.66%，小于0.005 mm 的黏粒含量平均值占5.15%，黏粒含量低，液限平均值28.23%，塑限平均值18.80%，塑性指数平均值9.4，天然干密度1.29 g/cm3，天然含水率为4.4%，比重为2.70 g/cm3，纵波速度Vp为300～530 m/s，天然状态下直剪试验内摩擦角为19～20°，黏聚力为12.7～20.6 kPa；饱和状态下内摩擦角为17.5～28.0°，黏聚力为16.9～26.1 kPa。

4 工程边坡处理

4.1 坝后粉土边坡处理

坝后粉土边坡局部较陡，在受雨水侵蚀、风力侵蚀时，常出现小规模坍塌及扬尘等现象[6-7]。根据工程区粉土边坡的处理经验，将边坡开挖至1∶1.75 坡度并布置土工格室可有效解决边坡侵蚀问题。经计算，如开挖至1∶1.75坡度，粉土开挖量达25万m3，工程区内无如此规模弃渣场，故此方案不可行。结合库区改建道路的设计施工经验，边坡可采用植入土锚钉，表面封闭等加固处理措施。该方案弃渣量为2.77万m3，规模小，可将弃渣弃于坝坡脚处。因此，针对坝后右岸回车平台上部粉土边坡，总体上采取开挖+锚固+表层封闭的处理措施，边坡处理大致分为3段，具体为：

(1)桩号0+696.00处,右侧及下游粉土边坡坡度较陡，且边坡较高。需将边坡开挖至1∶1坡度，采用在边坡布置土锚钉及挂网喷护等措施。

(2)桩号0+646.00～0+696.00处，边坡高度逐渐降低，且边坡自然坡度约为1∶1，此段边坡需将坡脚坍塌松散堆积的粉土挖除后，采用布置土锚钉及挂网喷护等措施。

(3)桩号0+646.00至河床坝脚处，边坡高度不高，且自然边坡坡度较缓，约为1∶1.25左右，此段边坡仅采用挂网喷护等措施。

本工程大坝为2级建筑物，坝后回车平台上部边坡的安全性对坝体整体稳定影响较小，影响程度属较轻，按照《水利水电边坡工程设计规范》(SL 386—2007)的要求，此处边坡等级为5级。

计算参数如表1所示。

表1 边坡稳定分析计算参数

采用理正软件对边坡处理方案进行复核，结果见表2。

表2 边坡计算结果

4.2 左岸厂房上部粉土边坡处理

左岸厂房上部粉土边坡经开挖及自然坍塌，边坡坡度较缓。根据枢纽区边坡处理经验，可采用高度为100 mm的土工格室进行处理。

施工时，钢钎成孔位置必须位于格室对角上方，钢钎间排距2.0 m，长1.5 m；固定钉间排距1.0 m，长0.4 m。

4.3 坝顶左岸至联合进水口平台处西域砾岩边坡处理

坝址区西域砾岩主要由大小不等的漂石和卵砾石构成。西域砾岩具有软化系数较大、颗粒组成不一、易风蚀风化等特点[8]。坝顶左岸至联合进水口平台处西域砾岩边坡时常出现风蚀掉块等现象。考虑此部位在枢纽码头附近，以后运行期车辆及人员较多，需加强此部位开挖坡面支护。

此段西域砾岩边坡采用主动防护网防护，采用APS-100/P型，双层布置，内层为格栅网，外层为绞索网。

4.4 联合进水口上游高边坡西域砾岩边坡处理

对此处边坡进行挂网喷护处理，从联合进水口引渠左侧2490 m开始至边坡顶部，2501.2 m高程以下采用φ25砂浆锚杆，孔间距2.0 m×2.0 m,长4.0 m，深入岩石3.9 m，呈方形分布，C25混凝土挂网喷护(φ8@200)，喷护厚度100 mm；布置排水孔，孔径40 mm，间排距3 m，埋PVC管，长650 mm，入岩500 mm，深入岩石部分采用无纺布进行包裹，包裹长度为200 mm，排水孔仰角5°。2501.2 m高程以上采用C25混凝土喷护，喷护厚度50 mm；布置排水孔，孔径42 mm，间排距3 m，入岩500 mm，排水孔仰角5°。

4.5 边坡处理具体要求

边坡处理的具体要求如下：

(1)将陡于1∶1的粉土边坡开挖至1∶1坡度，并在1∶1坡度边坡上布置土锚钉。当开挖边坡高度大于50 m时，土锚钉深度为25 m，当开挖边坡高度小于50 m时，土锚钉深度为20 m。土锚钉按梅花形布置，间排距1.5 m。锚头采用500 mm×500 mm×10 mm钢板。边坡同时进行挂网喷护，并布置排水孔。

(2)土锚钉施工时，如在设计长度内遇西域砾岩或Q2砂砾石层，则无须继续钻孔，以实际长度为准。

(3)排水孔内布置排水管，并以5%坡度倾向坡外，孔内侧管口设无纺布，以防细颗粒流失。排水管采用外径50 mm、壁厚2.4 mm、公称压力0.1 MPa的硬聚氯乙烯管，孔眼间排距2 m，排水孔深入边坡30 cm。

(4)开挖粉土可堆至右岸下游坝体与山体之间的空间，堆弃粉土顶高程低于上坝公路2 m，临空面坡度为1∶2。堆弃粉土表面覆盖20 cm厚砂砾石。回填的粉土及砂砾石会覆盖原坝坡边缘处的排水沟，待回填施工完成后，在边缘处重新修建排水沟。

(5)边坡高度不高，且自然坡度较缓(坡度陡于1∶1.25，缓于1∶1)，边坡仅布置挂网喷护、排水孔等措施。此类边坡布置砂浆锚杆，采用Φ16自进式锚杆，间排距2 m，长度4.5 m。边坡布置Φ8间距200 mm的钢筋网，并喷护C30混凝土10 cm。

5 结 语

奴尔水利枢纽是承担灌溉、发电综合利用任务的枢纽工程，对于促进当地乡村振兴、维护社会稳定与长治久安具有重要意义。由于库区为低液限粉土，有密度小、抗剪强度低、透水性差的特点，易出现地震液化等不良地质问题，这将对工程建设期与运行期的水库安全生产造成较大隐患。鉴于此，为消除事故隐患，采用理正软件对水库坝后、左岸厂房上部、坝顶左岸至联合进水口平台、联合进水口上游四处隐患点进行了边坡处理方案复核，提出了不同的处理措施，为保障大坝施工及后期安全运行提供了重要的技术支撑。