两河口水电站库区特大桥边坡稳定性复核与治理

李 其 虎

(雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

高坝大库水电站工程库岸边坡的稳定性受水位涨落影响大[1]，严重者会引起滑坡和塌岸，危及穿越该区域基础设施的安全稳定运行。因此，水库蓄水前针对重要基础设施及敏感对象区域开展专项工程地质勘察与库岸边坡稳定性复核十分必要，二滩、锦屏一级[2]、三峡[3]、小湾[4]、溪洛渡[5]、瀑布沟、大岗山等一批高坝大库蓄水后的实际运行情况也印证了这一点。为了避免水库蓄水后库岸再造对库区重要基础设施及敏感对象安全稳定运行造成影响，两河口水电站在工程蓄水前4 a 就启动了库岸稳定性排查分析工作，通过无人机等地表初步勘察，查明不良地质体滑坡、倾倒变形体、堆积体等发育部位80余处，并针对可能危及库区重要基础设施安全及敏感区域安全的17处开展了专项钻探、硐探、物探勘探、试验与分析研究工作。在查明潜在不稳定库岸成因、变形破坏趋势的基础上，预先采取了具有针对性的工程措施处理，并取得了良好的效果。本文主要介绍了蓄水前库区哈格达沟特大桥工程现场查勘、补充勘探相关经验，结合所查明的哈格达沟特大桥工程工程地质条件，分析了可能出现的岸坡破坏模式，在充分考虑库岸岩体参数蓄水弱化及水位消落反向渗流作用的基础上，通过模型计算复核了边坡稳定性，提出了具有针对性的加固处理方案。

1 工程概况

两河口水电站为Ⅰ等大(1)型工程，正常蓄水位2 865.00 m，死水位2 785.00 m，最大坝高295 m。电站正常蓄水库岸线总长464 km，库水位消落高差达80 m。库区属高山区，谷坡陡峻，具有典型的高山峡谷地貌特征。库内出露基岩为三叠系浅变质砂板岩，包括两河口组和雅江组，其次为侏倭组、如年各组、杂谷脑组与杂尕山组。库区交通工程主要包括库区复建县道X037线(全长107.5 km)及省道S217线(全长5.9 km)、鲜水河库区的复建县道XV02线(全长114.5 km)。本文涉及的哈格达沟特大桥工程位于县道XV02线，距离两河口水电站坝址约63 km。

哈格达沟特大桥为2×10 m连续板+(110+200+110)m连续刚构+2×30 m T梁桥，全长507.52 m；桥面宽度为净-8.0 m(行车道)+2×0.5 m(防撞栏杆)；主跨下部为矩形双柱墩，嵌岩桩基承台；左右岸引桥下部为圆形双柱式桩柱墩，嵌岩桩基；桥梁位于公路直线段，桥面设计标高2 891.03～2 896.10 m，桥面纵坡1.0%，设计洪水频率1/100，设计荷载为公路Ⅰ级。哈格达沟特大桥位于鲜水河支流哈格达沟口跨越哈格达沟，桥址区河谷深切，地势陡峭，两岸斜坡局部覆盖薄层残坡积碎石土，大部基岩岀露，岩体风化卸荷较强烈，表层岩体较破碎，无浅埋的全新活动断裂及发震断裂通过，无自失稳条件，无影响工程稳定性的控制性不良地质现象。

2 地质条件排查

哈格达沟特大桥桥位右岸基本为基岩岸坡，局部表层覆盖坡积含碎石粉土，出露基岩岩性为薄层-中厚层状绢云母板岩，岩层产状为240°～250°∠30°～35°(倾南西)，岩层走向与哈格达沟大角度相交，岸坡相对哈格达沟总体属斜向坡，岩层顺倾向鲜水河下游及哈格达沟侧。受构造影响两岸岩层有明显揉皱现象，岩层产状存在一定变化。岸坡受卸荷裂隙及顺层结构面影响，表层存在蠕滑变形迹象，钻孔岩芯揭示局部岩体破碎，在高程2 837 m钻孔破碎带分布范围较长，深度较深，破碎带主要为岩块岩屑型，局部夹泥。

2.1 桥基地质条件

桥梁右岸墩台均采用桩基础，桩基为嵌岩桩，基础持力层为中风化板岩，属较硬岩，桥基承载力满足设计要求。3号主墩桩长为44 m，为9根直径2.2 m群桩基础，主墩桩基开挖表层岩体较破碎，下部中风化-微风化岩体较完整，层间结合较好。钻孔未揭示有层间破碎带及卸荷张开裂隙。4号交界墩桩长30 m，为4根直径1.8 m群桩基础，4号交界墩开挖至26～29 m时(典型照片见图1)，4根桩基均揭示有卸荷张开裂隙，裂隙1产状：180°∠65°，迹长1～3 m，张开5～10 cm；裂隙2产状：220°∠70°，迹长2～4 m，张开10～15 cm，裂隙局部充填岩屑夹泥。

图1 4-4号桩基岩体(26～29m)Fig.1 The bedrock of No.4-4 pile at 26 ～ 29 m depth

2.2 桥基地质复核

从哈格达沟特大桥右岸开挖坡面揭露围岩情况看，桥位位于三面临空的山脊部位(见图2)，岩层产状N10°～30°W/SW∠20°～30°，倾向与山脊方向基本一致，桥台临空部位可见沿层面向哈格达沟蠕变迹象，岩体后缘见断续拉裂缝。电站蓄水前，为进一步查明该部位蠕变深度及范围，共布置了6个钻孔(见图3)并进行了孔内电视成像及声波检测等相关物探检测[6-7]。勘察揭示的主要不良地层情况如下：SZK01钻孔在17.4～19.6，36.6～38.8，48.3～49.5 m范围存在软弱结构面；SZK02钻孔在15.0～16.0，25.3～25.6 m范围存在软弱结构面；SZK03钻孔在13.4～17.3，21.2～21.5，24～24.4，33～37 m范围内存在软弱结构面；SZK04钻孔在8.6～10.1，20.0～20.4 m范围内存在软弱结构面；SZK05钻孔在5.0～6.4，30～32.2，40.0～41.0，48.8～52.8 m存在软弱结构面(见图4)；SZK06钻孔在11.2～12.6，26.6～27.2 m范围内存在软弱结构面。软弱结构面以岩块岩屑型为主，局部夹泥、锈染较严重。

图2 桥头部位蠕变Fig.2 Creep at bridge head

图3 大桥右岸边坡钻孔布置Fig.3 Drilling boreholes at right bank slope of bridge

图4 SZK05钻孔48.8～52.8 m破碎带Fig.4 The broken zone of boreholes SZK05 at the depth of 48.8～52.8 m

结合复核钻孔勘察成果对地质剖面进行了复核。桥梁3号主墩和4号交界墩桩基终孔高程进入中风化-弱风化岩体均大于20 m，当前基础处于稳定状态。主墩桩基仅在桩深10 m和20 m存在弱结构面，终孔高程以下无控制性软弱结构面，在库水位涨落过程中桩基可能承受沿结构面的剪切作用。4号交界墩桩基终孔高度以下仍存在3层软弱结构面，在库水位涨落过程中存在沿深部滑面整体失稳风险。

3 稳定性复核分析

3.1 定性分析

结合现场地表调查及钻孔揭示岩体地质条件，初步分析认为哈格达沟特大桥右岸浅表部岩体沿软弱破碎层面往鲜水河临空方向存在蠕变现象(见图5)。蓄水后，浅表部破碎岩体在库水反复升降浸泡软化及消落作用下，岩体力学性能降低，存在变形失稳的可能。从钻孔揭露的地质情况看，可选择两个典型剖面进行岸坡稳定性分析评价，层间底滑面按破碎带贯通考虑，其中A-A′剖面为沿层面顺倾向鲜水河剖面，主要有以下3种滑动模式(见图6)：模式1为底滑面分别穿过SZK05钻孔5.0～6.4 m破碎带、SZK01钻孔17.4～19.6 m破碎带、SZK02钻孔15.0～16.0 m破碎带，底滑面倾角按岩层面倾角30°考虑，前缘剪出口按岩体抗剪段强度搜索得到最不利位置。模式2为底滑面分别穿过SZK06钻孔26.6～27.2 m破碎带、SZK02钻孔25.3～25.6 m破碎带，底滑面倾角按岩层面倾角30°考虑，前缘剪出口按岩体抗剪段强度搜索得到最不利位置。模式3为底滑面穿过SZK01钻孔36.6～38.8 m破碎带，底滑面倾角按岩层面倾角30°考虑，前缘剪出口按岩体抗剪断强度搜索得到最不利位置。A-A′剖面显示深部软弱结构面沿岩层面深入河床，在坡脚剪断岩体形成剪出口条件的可能性较小。

图5 蠕滑变形范围Fig.5 Creep deformation range

图6 A-A′剖面滑动模式Fig.6 Sliding mode of A-A′ section

B-B′剖面为垂直等高线倾向哈格达沟剖面，主要有以下4种滑动模式(见图7)：模式1为底滑面分别穿过SZK05钻孔5.0～6.4 m破碎带、SZK03钻孔10.4～17.3 m破碎带，滑面前缘为高程2 795 m处。模式2为底滑面分别穿过SZK05钻孔30～32.2 m破碎带、SZK03钻孔24～24.4 m破碎带，底滑面倾角按层面视倾角22.5° 考虑，后缘为高程2 910 m处，后缘破裂角按卸荷裂隙倾角65°考虑。模式3为底滑面分别穿过SZK05钻孔40.0～41.0 m破碎带、SZK03钻孔33～37 m破碎带，底滑面倾角按层面视倾角22.5°考虑，后缘为高程2 910 m处，后缘破裂角按卸荷裂隙倾角65°考虑。模式4为底滑面分别穿过SZK05钻孔48.8～52.8 m破碎带、SZK04钻孔20.0～20.4 m破碎带，底滑面倾角按层面视倾角22.5°考虑，后缘为高程2 910 m处，后缘破裂角按卸荷裂隙倾角65°考虑。B-B′剖面显示浅表部岩体破碎，风化卸荷较强烈，往哈格达沟临空方向存在卸荷松动变形迹象。

图7 B-B′剖面滑动模式Fig.7 Sliding mode of B-B′ section

3.2 定量分析

水库建成后库岸地下水位抬升会显著改变岩土体内部水文地质条件，同时库水位涨落带来的岩体参数弱化、反向渗流作用也恶化了库岸边坡稳定条件。基于现行规范中尚缺乏针对水库中建设桥梁受库水影响的具体要求的情况，本文在研究比选DL/T5353 2006《水电水利工程边坡设计规范》、JTG D30-2015《公路路基设计规范》、JTG/T 3334 2018《公路滑坡防治设计规范》及JTG B02-2013《公路工程抗震规范》等相关规范的基础上，综合考虑哈桥达沟特大桥失稳后影响对象及后果，并结合水库运行调度情况，确定了库区桥梁边坡稳定计算工况及相应的安全系数如表1所列。

表1 库区桥梁边坡稳定性计算工况及安全系数Tab.1 Calculation condition and safety factor of reservoir bridge slope stability

采用刚体极限平衡法中的摩根斯坦—普莱斯法进行A-A′剖面、B-B′剖面稳定计算。根据该电站大坝工程中岩体边坡岩层结构面特征，结合程度等进行工程类比，参考相关规范及类似试验成果，按蓄水后黏聚力折减系取0.80、内摩擦角减小2°考虑岩体参数弱化效应，稳定计算采用的参数见表2，水平地震动加速度按GB18306-2015《中国地震动参数区划图》取0.20g。

表2 岩土体物理力学计算参数取值Tab.2 Calculation parameters of physical mechanics of rock and soil

计算结果表明：水库蓄水前后A-A′剖面滑动模式1计算结果均不满足要求，蓄水后在持久工况及短暂工况下处于基本稳定状态，偶然工况下处于不稳定状态；蓄水后滑动模式2在持久工况、偶然工况下的计算结果不满足要求，其余计算结果均满足要求。水库蓄水前后B-B′剖面滑动模式1计算结果均不满足要求，蓄水后在持久工况及短暂工况下处于基本稳定状态，偶然工况下处于不稳定状态，蓄水后滑动模式2，3，4计算结果均满足要求(见表3)。

表3 稳定系数计算成果Tab.3 Calculation results of stability coefficient

4 治理措施

4.1 治理原则

根据定性分析与定量计算成果，右岸岸坡蓄水后桥位区浅层卸荷松动岩体可能产生变形失稳，为了预防其对桥梁墩台的影响，需要对桥位区岸坡进行预加固处理，处理原则如下：

(1) 以“安全可靠，施工可行，经济合理，工期不影响蓄水”为基本原则，预加固处理在库水位蓄至2 785.00 m 前完成。

(2) 基于目前所分析的滑移变形模式，结合库区蓄水后顺层岩质岸坡的变形破坏特征，原则上重点保护桥梁桩基稳定性，兼顾坡面大变形牵引导致桩基大面积变形破坏，拟采用抗滑桩、框格梁、锚索、注浆加固等工程措施对岸坡进行综合治理，并结合破坏趋势进行必要延伸加固处理。

(3) 结合专家咨询意见，为预防蓄水岸坡变形对位于蠕变区范围内4号交界墩的影响，重点对4号交界墩区域进行加固处理，同时考虑到坡体变形破坏可能对3号主墩造成影响，对变形区前缘进行了加固以保护3号主墩。

4.2 治理措施

(1) 在3号主墩上方坡体(高程2 829 m)设置单排6根抗滑桩对岸坡前缘进行加固，加固范围为桥轴线两侧各10 m，桩长35 m，桩径2 m，桩中心间距4 m，在桩顶设置冠梁(H=1.5 m)连接形成整体，在桩顶设置单根1 500 kN锚索(L=60 m)。

(2) 在4号交界墩外侧(高程2 860 m)设置单排17根抗滑桩对进行加固，桩长55 m，桩径2 m，桩中心间距5 m，在桩顶设置冠梁(H=1.5 m)连接形成整体，在桩顶设置单根1 500 kN锚索(L=60 m)。其中，为A-A′剖面侧稳定，在4号交界墩侧增加两根抗滑桩，并对坡面进行延伸加固处理(见图8)。

图8 加固处理平面Fig.8 Plane map of reinforcement treatment

(3) 对4号交界墩外侧布置两排注浆孔进行固结灌浆，注浆孔间距2.5 m，排距1.5 m，交错布置，长度L=60 m，注浆高程范围为高程2 805～2 840 m，注浆宽度为4号墩基础范围20 m×20 m，结合注浆孔在孔内插入3φ28锚筋束(L=36 m)。

(4) 在4号墩内边坡设置3排7列锚索框格梁，锚索设计张拉力为1 500 kN，锚索长度L=60 m，间排距为5 m×5 m，呈矩形布置，支护范围为桥轴线两侧各15 m(见图9)。

图9 加固方案剖面Fig.9 Sectional drawing of reinforcement solution

(5) 分别在3号、4号、9号、14号、19号抗滑桩桩顶锚索锚头部位安装测力计，4号墩内边坡锚索框格梁支护中选2根锚索安装测力计。

4.3 治理效果

针对水库蓄水后持久、短暂、偶然3种工况，就哈格达沟特大桥右岸岸坡经上述加固处理措施加固处理后的稳定性进行了复核。结果表明，边坡经加固处理后处于稳定状态(见表4)。

表4 加固处理后的稳定系数计算成果Tab.4 Calculation results of stability coefficient after reinforcement

在治理过程中哈格达沟大桥库岸边坡埋设了表面位移监测点8个(5个位于治理保护区域外、3个位于治理保护区域内)、在3号主墩上方坡体(高程2 829 m)平台抗滑桩顶端锚索设置锚索测力计2支，目前观测频次为1次/周。两河口水电站二期蓄水以来，库区水位最高至2 791.09 m，对应桥位水位抬升了96 m，监测数据显示治理保护区域内各监测点三向位移值均在2倍位移量中误差以内，变形不明显；锚索测力计测得锚固力损失均为4.4%，治理区域边坡无明显变形。

5 结 语

大型水电工程库岸稳定受库水位变化影响大、不确定性高，现行有关规范中对库区内道路桥梁边坡稳定计算工况、计算参数和安全系数的选取针对性尚不成熟，库岸再造及库区重要交通设施稳定安全仍是水电站蓄水期、运行期长久研究的课题。本文结合两河口库区哈格达沟特大桥边坡稳定性复核与加固处理，探索提出了一套蓄水前“超前专项地质勘察复核”“综合水电与交通规范要求对库区桥梁边坡开展稳定计算”以及“抗滑桩支护、灌浆加强与监测反馈相相结合”的库区重要设施边坡勘察、设计与施工处理体系。经过处理后的哈格达沟特大桥已经受住了近100 m库水位抬升考验，各项监测数据均满足设计要求，边坡无明显变形，保障了复建道路在蓄水期、水库运行期安全稳定运行。本文库区特大桥梁岸坡处理案例可为同类工程处理提供借鉴。