金川水电站泄洪洞进口边坡设计优化与效果评价

2022-08-10唐鹏程郭治国覃事河

西北水电 2022年3期

闫峰,唐鹏程,郭治国,覃事河

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065；2. 国能大渡河金川水电建设有限公司，四川金川 624100)

0 前言

高边坡安全监测是开挖、支护施工及运行期必须开展的监测项目，主要内容包括边坡岩体内部变形、锚固应力荷载、支护应力等[1-3]。根据金川水电站施工总进度安排，泄洪放空洞需要在2022年4月除进水塔上部混凝土施工外全部建成具备过水能力的要求。进口边坡位于2号变形体内，岩石条件差，原开挖高度施工难度大，工期长加之2020年初新冠疫情的影响等因素，为了达到预期的工程节点目标，泄洪洞进口边坡优化设计调整的必要性就显而易见。为了验证泄洪洞进口边坡优化支护合理性，本文结合金川水电站泄洪洞进口边坡安全监测资料分析成果，分析边坡优化设计开挖及支护措施效果，结果表明优化后的强锚少挖区域内及其他区域开挖支护锚固效果良好，可为金川水电站泄洪洞进口边坡施工提供支撑。

1 工程概况

金川水电站为大渡河干流规划的第6个梯级电站，上衔双江口水电站下接安宁水电站。金川水电站工程属Ⅱ等大(2)型工程，挡水、泄水、引水及发电等永久性主要建筑物为2级建筑物[4]。泄洪洞进口边坡山体陡峭，且位于Bxt2变形体内，为了尽量减少对泄洪洞进口边坡岩体扰动，采用少挖强锚方式，开挖坡比调整为1∶0.3，在2 205.00 m高程设置一级8 m马道，2 225.00 m高程以上设置一级马道宽度3 m。

2 工程地质条件

图1 泄洪洞进口地质分布

泄洪洞进口开挖边坡位于2 253.00 m正常蓄水位以下，水库蓄水后，边坡浅表部强卸荷、倾倒岩体可能会发生调整性变形，虽不至于影响进口边坡的整体稳定性，但仍需视具体情况考虑针对性的防护措施。需要注意地表水的疏排，防止雨水渗入从而降低进口边坡稳定性。

3 泄洪洞进口边坡设计优化调整开挖支护方案

泄洪洞进口边坡位于2号变形体内，岩石条件差。考虑到倾倒变形岩体破坏机理复杂，规模大，碳质千枚岩强度较低，遇水易软化等不利因素，可研阶段泄洪洞进口边坡开挖高度约130 m，施工难度大，施工工期长(见图2)。为了保证泄洪洞参与汛期(大于1 791 m3/s)导流洞、泄洪洞联合泄流的重要节点目标，施工期阶段采用“少挖强锚”设计思路，减小了对边坡的人工扰动原则，对进口高边坡开挖支护方案进行优化，同时缩短施工工期，降低了施工难度及安全风险。

图2 优化前施工支护方案单位：高程,m

为了验证优化设计的合理性，对进口边坡的整体稳定性计算分析并为开挖支护设计提供可靠依据。采用极限平衡法进行极限平衡分析，选取最高边坡位置剖面进行边坡稳定计算。根据岩体力学建议值并结合现场实际地质条件分析综合考虑天然、开挖+支护、蓄水等7种工况计算成果见表1。

表1 泄洪洞进口边坡最高位置剖面极限平衡计算成果表

根据以上的计算结果分析得出在有效工程措施下所有边坡稳定性均满足规范要求，说明开挖支护后变形体强度能满足工程需要，边坡稳定状况良好。

优化后最大边坡开挖高度约75 m，减少约55 m。优化后进口边坡顶部支护高程2 367.00 m，开口线高程为2 245.00 m，边坡开挖最大高度从130 m降至75 m(见图3)。

图3 施工期优化后的施工支护方案单位：高程,m

为了尽量减小对岩体扰动，采用少挖强锚的方式，高程2 359.00～2 367.00、2 326.00～2 334.00 m分别布置3排1 000 kN预应力锚索，高程2 278.00～2 298.00 m布置6排1 000 kN预应力锚索，山梁右侧范围在高程2 278.00～2 286.00 m布置3排锚索；高程2 205.00 m以上开挖坡面采用4.5 m/9.0 m系统锚杆、1 000 kN锚索+混凝土贴坡进行支护；高程2 205.00 m以下坡面采用4.5 m/9.0 m系统锚杆、2排1 000 kN锁口锚索。为保证施工期安全，每层坡面达到设计坡比要求后及时初喷5 cm厚C20混凝土对坡表岩块进行粘结和封闭。优化后土石方开挖减少67 417 m3，锚杆减少1 076根，锚索减少31束，钢筋用量减少142 t，混凝土量减少2 780 t，防护网增加8 290 m2，详细见表2。

表2 泄洪洞进口边坡土建工程量优化对比

4 安全监测布置及成果分析

为了解“少挖强锚”优化支护后的边坡稳定效果，可研阶段布置了4个监测断面。1-1监测断面布置在泄洪洞进口上游，2-2及3-3监测断面布置在泄洪洞进口处，4-4监测断面布置在泄洪洞进口下游，各断面测点布置最大高程位于倾倒变形体上缘。对边坡支护区域布置多点位移计监测边坡内部变形，布置锚索测力计、锚杆应力计监测支护应力变化情况。

根据施工期开挖支护优化方案调整对边坡监测进行了对应的调整(见图4)，可研阶段主要监测断面未做调整。原开挖区域布置的多点位移计仍在原位置附近安装。根据新的锚索支护方案，共布置了30套锚索测力计(可研阶段监测方案布置16套)，除布置在断面上各表面变形测点附近的锚索测力计外，另按照5%的土建锚索比例选取各区域土建锚索布置测力计监测各区域锚固应力荷载支护情况，锚杆应力计由原方案布置6套减少为3套[5]。

图4 施工期优化后的施工支护监测布置方案单位：高程,m

根据泄洪洞进口边坡支护优化调整，按照施工阶段的优化调整与现场实际要求，泄洪洞进口边坡4个主要监测断面，布设多点变位计、锚杆应力计、锚索测力计、表面变形墩等主要监测设备。监测进口边坡的表面、深度变形、应力、锚固支护吨位等情况共布设实施约64台/套监测设备。根据DL/T 5178-2016《混凝土坝安全监测技术规范》[2]及枢纽区边坡安全监测技术要求的1次/周的监测频次，发现异常情况加密观测、及时反馈相结合的方式。为开挖支护实时提供有效的数据分析[6]奠定基础，同时对指导安全施工提供有力的监测数据支持。

按照强锚少挖的设计原则，锚固开挖支护完成后根据监测仪器所测得的监测数据分析综合分析：进口边坡强锚少挖区域范围内表面变形水平累计位移在5.63～133.75 mm(见图5)；垂直累计位移-13.18～78.47 mm(见图6)；岩体内部位移累计位移在-0.86～3.28 mm(见图7)；岩体深层锚固荷载在912.4～1110.6 kN以内(见图8)；浅层锚固应力在-2.70～43.66 MPa之间，监测数据未见明显变化过程。

图5 泄洪洞进口边坡表面位移曲线

图6 泄洪洞进口边坡垂直位移曲线典型图

图7 泄洪洞进口边坡内部位移曲线典型图

图8 泄洪洞进口边坡锚固荷载曲线典型图

由图4、5中泄洪洞进口边坡表面水平位移计及垂直位移显示可知，位于1-1断面低高程表面变形点2021年8月间由于泄洪洞进口与导流洞进口开挖支护双重因素影响出现变形数据增加情况。随着后期开挖支护完成后泄洪洞进口表面变形数据趋于稳定。泄洪洞进口深部位移、锚固支护、表面变形监测仪器显示监测数据增长与进口边坡开挖时序具有高度一致性。在2021年9月后完成开挖支护后(见图4～8)，边坡深部变形、锚固应力进入应力重新调整阶段。各测点数据变化都基本趋于稳定，泄洪洞进口边坡监测仪器显示：进口边坡锚固应力、表面变形整体稳定。从深部位移、锚固支护、表面变形监测仪器所揭示的数据分析显示优化后的强锚少挖区域内及其他区域开挖支护锚固效果良好。