水利工程高边坡的加固与治理

浅谈水利工程施工高边坡的加固与治理边坡稳定问题是水利水电工程中经常遇到的问题。边坡的稳定性直接决定着工程修建的可行性，影响着工程的建设投资和安全运行。我国曾有几十个水利水电工程在施工中发生过边坡失稳问题，如天生桥二级水电站厂区高边坡、漫湾水电站左岸坝肩高边坡、安康水电站坝区两岸高边坡、龙羊峡水电站下游虎山坡边坡等等。为治理这些边坡不但耗去了大量的资金，还拖延了工期，成为我国水利水电工程施工中一个比较严峻的问题，有的边坡工程甚至已经成为制约工程进度和成败的关键。我国正在建设和即将建设的一批大型骨干水电站，如三峡、龙滩、李家峡、小湾、拉西瓦、锦屏等工程都存在着严重的高边坡稳定问题。其中三峡工程库区中存在10几处近亿立方米的滑坡体，拉西瓦水电站下游左岸存在着高达700m的巨型潜在不稳定山体，龙滩水电站左岸存在总方量1000万m3倾倒蠕变体等。高边坡的地质构造往往比较复杂，影响滑坡的因素也很多，因此，我国广大水电科技人员在与滑坡灾害作斗争的过程中，不断总结经验教训，积极开展科技攻关，总结出了一整套水电高边坡工程勘测、设计和施工新技术，成功地治理了天生桥二级、漫湾、李家峡、三峡、小浪底等工程的高边坡问题。一、混凝土抗滑结构的应用㈠混凝土抗滑桩抗滑桩由于能有效而经济地治理滑坡，尤其是滑动面倾角较缓时，其效果更好，因此在边坡治理工程中得到了广泛采用。如：天生桥二级水电站于1986年10月确定厂房下山包坝址后，11月开始在厂房西坡进行大规模的开挖，加上开挖爆破和施工生活用水的影响，诱发了面积约4万㎡、厚度约25～40m、总滑动量约140万m3的大型滑坡体。初期滑动速度平均每日2mm，到次年2月底每日位移达9mm.如继续开挖而不采取任何工程处理措施，预计雨季到来时将会发生大规模的滑坡，为此，采取了抗滑桩等一整套治理措施。抗滑桩分成两排布置在厂房滑坡体上，在584m高程上设置1排，在597m高程平台上设置1排，桩中心距6m，桩深为25～39m，其中心深入基岩的锚固深度为总深度的1／4，断面尺寸为3m×；4m，设置15kg／m轻型钢轨作为受力筋，回填200号混凝土，每根抗滑桩的抗剪强度为12840kn，17根全部建成后，可以承受滑坡体总滑动推力218280kn.第一批抗滑桩从1987年3月上旬开工，5月下旬开始浇筑，6月1日结束。第二批抗滑桩施工是在1987～1988年枯水期内完成的。抗滑桩开挖深度达3～4m后，在井壁喷30～40cm厚的混凝土。对岩体较好的井壁采用打锚杆、喷锚挂网的方法进行支护，喷混凝土厚度10～15cm。对局部塌方部位增设钢支撑。抗滑桩开挖到设计要求深度后，进行钢筋绑扎和钢轨吊装。混凝土浇筑采用水下混凝土的配合比，由拌和楼拌和，混凝土罐车运输直接入仓，每小时浇筑厚度控制在1.5m内，特别是在滑动面上下4m部位，还需下井进行机械振捣。在浇到离井口5～7m时，要求分层振捣。每个井口设两个溜斗，溜管长度为10～14m，管径25cm。抗滑桩的建成，对桩后坡体起到了有效的阻滑作用。采用抗滑桩是稳定安康溢洪道边坡的主要手段，在263m高程平台上共设置了9根直径1m的钢筋混凝土抗滑桩，每根桩都贯穿几个棱体，最深的达35m，桩顶嵌入溢洪道渠底板内。为了不干扰平台外侧基坑的施工，桩身用大孔径钻机钻成，孔壁完整，进度较快，两个月就全部完成。这9根抗滑桩按两种工作状态考虑：在溢洪道未形成时，抗滑桩按弹性基础上的悬臂梁考虑，不考虑桩外侧滑面上部岩体的抗力；在溢洪道建成后抗滑桩桩顶嵌入溢洪道底板，此时按滑坡的下滑力考虑。抗滑桩混凝土标号为r28250号，钢筋为φ40ⅱ级钢。抗滑桩于1982年1月施工，3月完成后，基坑继续下挖，边坡上各棱体的基脚相继暴露。同年11月，在fb75与f22断层构成的棱体下面坡根爆破开挖后，发现在263m高程平台上沿fb75、f22断层及7号抗滑桩外侧近南北向出现小裂缝，且裂缝不断扩大，21天后7号抗滑桩外侧的fb75～f22棱体下滑，依靠7号抗滑桩的支挡，桩内侧山体得以保存。㈡混凝土沉井沉井是一种混凝土框架结构，施工中一般可分成数节进行。在滑坡工程中既起抗滑桩的作用，有时也具备挡土墙的作用。天生桥二级水电站首部枢纽左坝肩下游边坡，在二期工程坝基开挖浇筑过程中，曾于1986年6月和1988年2月两次出现沿覆盖层和部分岩基的顺层滑动。滑坡体长80m，宽45m，高差35m，最大深度9m，方量约2万m3。为了避免1988年汛后左导墙和护坦基础开挖过程中滑体再度复活，确保基坑的安全施工，对左岸边坡的整体进行稳定分析后，决定在坡脚实施沉井抗滑为主和坡面保护、排水为辅的综合治理措施。沉井结构设计根据沉井的受力状态、基坑的施工条件和沉井的场地布置等因素决定，沉井结构平面呈“田”字形，井壁和横隔墙的厚度主要由满足下沉重量而定。井壁上部厚80cm，下部厚90cm；横隔墙厚度为50cm，隔墙底高于刃脚踏面1.5m，便于操作人员在井底自由通行。沉井深11m，分成4、3、4m高的3节。沉井施工包括平整场地、沉井制作、沉井下沉、填心4个阶段。下沉采用人工开挖方式，由人力除渣，简易设备运输，下沉过程中需控制防偏问题，做到及时纠正。合理的开挖顺序是：先开挖中间，后开挖四边；先开挖短边，后开挖长边。沉井就位后清洗基面，设置φ25锚杆（锚杆间距为2m，深3.5m），再浇筑150号混凝土封底，最后用100号毛石混凝土填心。沉井工程建成至今，已经受了多年的运行考验。目前，首部边坡是稳定的，沉井在边坡稳定中的作用是明显的。㈢混凝土框架和喷混凝土护坡混凝土框架对滑坡体表层坡体起保护作用并增强坡体的整体性，防止地表水渗入和坡体的风化。框架护坡具有结构物轻，材料用量省，施工方便，适用面广，便于排水，以及可与其他措施结合使用的特点。天生桥二级水电站下山包滑坡治理采用混凝土护面框架，框架分两种型式。滑面附近框架，其节点设长锚杆穿过滑面，为一设置在弹性基础上节点受集中力的框架系统；距滑面较远的坡面框架，节点设短锚杆，与强风化坡面在一定范围内形成整体。下山包滑坡北段强风化坡面框架采用50×；50cm、节点中心2m的方形框架，节点处设置两种类型锚杆：在550～560m高程间坡面，滑面以上节点垂直于坡面设置φ36及φ32、长12m砂浆锚杆，在565～580m高程间坡面则设垂直于坡面的φ28、长6m的砂浆锚杆，相应地框架配筋为8φ20和4φ20。框架要求在坡面挖30cm深，50cm宽的槽，部分嵌入坡面内，表层填土并掺入耕植上，形成草本植被的永久护坡。在岩性较好的部位可采用锚杆和喷混凝土保护坡面。㈣混凝土挡墙混凝土挡墙是治坡工程中最常用的一种方法，它能有效地从局部改变滑坡体的受力平衡，阻止滑坡体变形的延展。在1986年6月，天生桥二级水电站工程下山包厂址未定之前，由于连降大雨（其降雨量达91.2mm），550m高程夹泥层上面的岩体滑动10余cm，584m高程平台上出现3条裂缝，其中最长一条55m长，2.2cm宽，下错2cm。为此采取了在550m高程浇筑50余m长的混凝土挡墙和打锚杆等措施。天生桥二级水电站厂房高边坡坡顶设置了混凝土挡土墙，以防止古滑坡体的复活，部分坡面采用浆砌块石护面加固，坡脚680m高程设置混凝土防护墙。在漫湾水电站边坡工程中也采取了浇混凝土挡墙及浆砌石挡墙、混凝土防掏槽等措施，综合治理边坡工程。㈤锚固洞在漫湾水电站边坡工程中，采用各种不同断面的锚固洞64个，形成较大的抗剪力。在左岸边坡滑坡以前，已完成2m×；2m断面小锚固洞18个，每个洞可承受剪力9000kn.此外，还利用地质探洞回填等增加一部分剪力。由于锚固洞具有一定的倾斜度，防止了混凝土与洞壁结合不实的可能性，同时采取洞桩组合结构的受力条件远较传统悬臂结构合理，可望提供较大的抗力。二、锚固技术的应用采用预应力锚索进行边坡加固，具有不破坏岩体，施工灵活，速度快，干扰小，受力可靠，且为主动受力等优点，加上坡面岩体抗压强度高，因此，在天生桥二级、漫湾、铜街子、三峡、李家峡等工程的边坡治理中都得到大量应用。在漫湾水电站边坡工程中，采用了1000kn级锚索1371根、1600kn级锚索20根、3000kn级锚索859根、6000kn级锚索21根，均为胶结式内锚头的预应力锚索，采取后张法施工。预应力锚索由锚索体、内锚头、外锚头三部分组成。内锚头用纯水泥浆或砂浆作胶结材料，其长度1000kn级为5～6m，3000kn级为8～10m，6000kn级为10～13m；外锚头为钢筋混凝土结构，与基岩接触面的压应力控制在2.0mpa以内。为提高锚索受力的均匀性，漫湾工程施工单位设计了一种小型千斤顶，采用“分组单根张拉”的方法，如3000kn锚索19根钢绞线，每组拉3根，7次张拉完；6000kn锚索37根，10次张拉完，既简化操作程序，又提高锚索受力均匀性。锚索在补偿张拉时可以用大千斤顶整体张拉（如3000kn锚索），也可继续用分组单根张拉方法（如6000kn锚索），都不会影响锚索受力的均匀性。在小浪底工程中大规模采用的无粘结锚索具有明显的优点，其大部分钢绞线都得到防腐油剂和护套的双重保护，并且可以重复张拉。由于在施工时内锚头和钢铰线周围的水泥浆材是一次灌入的，浆材凝固后再张拉，因此减少了一道工序，提高了工效，但其价格相对较高。在高边坡施工过程中为保证开挖与锚固同步施工，必须缩短锚索施工时间，及早对岩体施加预应力，以达到加快工程进度，确保边坡稳定的目的。为此，结合八五科技攻关，在李家峡水电站高边坡开挖过程中，成功将1000kn级预应力锚索快速锚固技术应用于工程中。室内和现场试验表明，采用n-1注浆体和y-1型混凝土配合比可以满足1000kn级预应力锚索各项设计技术指标，而施加预应力的时间由常规的14～28d缩短到3～5d.该项成果对及时加固高边坡蠕变和松弛的岩体具有重要的现实意义，充分体现了“快速、经济、安全”的原则。三峡永久船闸主体段高边坡工程规模之大、技术难度之高均为国内外边坡工程所罕见，其加固过程中，采取了喷混凝土、挂网锚杆、系统锚杆、打排水孔、设置排水洞、采用3000kn级预应力锚索等综合治理措施，其中，3000kn对穿锚束1924束，在国内尚属首例。系统设计3000kn级预应力对穿锚束1229束，孔深22.1～56.4m，主要分布在南北坡直立墙和中隔墩闸首及上下相邻段。南北坡直立墙布置两排，水平排距10～20m，孔距3～5m，第一排距墙顶8～10m，第二排距底板高20m左右，均于两侧山体排水洞对穿。中隔墩闸首布置3排，排距10m，孔距3.5～6.4m，第一排距墙顶10m。此外，动态设计3000kn级预应力对穿锚束695束，孔深16～66m，主要布置在中隔墩闸室和竖井部位。对穿锚束分为无粘结和有粘结两种型式，其结构主要由锚束束体和内外锚头组成。由于锚索采取对拉锚索的形式，将内锚头放在山体内的排水廊道中，因此，内锚头不再是灌浆锚固端，而是置于廊道内的墩头锚或双向施加张拉的预应力锚。这类加固方式将排水和锚固结合起来，减少了约占锚索长度1／3～1／4的内锚固段，是一种理想的加固形式。