象鼻岭水电站BT2堆积体治理设计

张海超,陈毅峰,刘 杰

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵阳 550002)

1 工程概况

象鼻岭水电站枢纽建筑物由碾压混凝土拱坝、右岸引水系统和地下厂房等组成。BT2堆积体位于象鼻岭水电站坝址右岸上游，其下游侧距进水口开挖边坡约50 m，堆积体分布高程1 410.00～1 520.00 m，顺河向最大宽度约250 m，面积约3.8×104m2，厚18～48 m，体积约115×104m3，其后缘为玄武岩陡壁。堆积体天然状态整体稳定，213国道改线段通过堆积体前缘，挖除了堆积体部分坡脚。2011年10月上旬，BT2堆积体产生变形，后缘拉裂、前缘剪出现象，不及时治理将影响施工期安全及运行发电进水口建筑物的安全。后经多方案研究比选，及时采取“上部减载挖除、中部坡面削坡+底部坡脚支挡+构筑排水系统”综合治理措施，边坡未进一步破坏。至今，治理后边坡经历了多次暴雨、水库蓄水和1次6.5级地震，通过巡视检查和监测表明堆积体治理后，处于稳定状态。

2 BT2堆积体地质条件

BT2堆积体整体厚度为18～48 m，牛栏江四级阶地后缘山体在长期地质应力作用下产生风化、蚀变，在重力作用下逐步卸荷、松弛，最后产生崩塌而形成。其主要由底部的原始残坡积层、中部崩塌堆积层及顶部残坡积层组成。残坡积层主要分布于堆积体顶部，主要为黏土夹碎石，厚2.5～6.3 m，碎石含量约占20%；崩坡积层分布于堆积体表层，主要为黏土夹碎、块石，厚2.3～16.6 m，黏土含量约占60%，偶见块石随机分布，结构松散；崩塌堆积层分布于堆积体中、下部，主要为块、碎石，厚6.8～30.5 m，结构松散，未见架空现象，中间局部见一层或多层碎石夹黏土层。堆积体为单向斜坡地形，其上下游侧均有冲沟[1-2]。

根据堆积体物质组成情况，分3种类型布置现场直剪试验：① 黏土为主的;② 碎石为主的;③ 黏土和碎石比例相当的，每一种类型按天然状态、饱和状态各做一组，共6组。BT2堆积体物理力学参数建议值见表1。

表1 BT2堆积体物理力学参数建议值表

3 BT2堆积体滑动模式分析

堆积体破坏模式主要为2种：① 堆积体与基岩接触带参数较低，堆积体沿接触带滑动失稳；② 沿堆积体内部圆弧滑动。

从堆积体参数来看，经初步计算BT2崩塌堆积体内部圆弧滑动安全系数相对较高，基本满足规范要求，且达到最小安全控制标准的剩余下滑力较小，不是控制模式。堆积体与基岩接触带存在泥化情况，参数较低，堆积体沿接触带滑动失稳的可能性较大，安全系数较低，达到最小安全控制标准的剩余下滑力较大，是BT2边坡稳定分析的重点。

4 BT2崩塌堆积体稳定分析

(1) 边坡等级

由于复建213国道通过BT2堆积体前缘， BT2堆积体既属于公路边坡，又属于水库边坡。综合公路路堑边坡与水电水利工程边坡的情况，BT2崩塌堆积体边坡按水电水利工程边坡B类Ⅱ级边坡进行边坡稳定设计，稳定设计安全系数取持久工况为1.15，短暂工况为1.10，偶然工况为1.05。

(2) 计算方法及工况

采用陈祖煜[3]的土质边坡稳定分析程序STAB2005对BT2崩塌堆积体进行分析计算。由于风化岩体碎裂，采用土质边坡稳定计算，采用Spencer法。

DL/T 5353-2006《水利水电工程边坡设计规范》中规定，B类水库边坡，边坡位于库水位上部，库水对其影响较小，地震设计烈度为Ⅶ度，考虑地震作用，根据运行期及施工期可能出现的情况，库岸边坡计算工况为蓄水后持久工况、短暂工况(暴雨或久雨)、偶然工况(地震)。

(3) 计算剖面

BT2崩塌堆积体从上游至下游的1-1′～5-5′共5个剖面进行计算。

(4) 213公路复建后BT2崩塌堆积体稳定计算成果详见表2。

据表2计算成果可知，2-2′～4-4′剖面各工况下安全系数均小于1， 1-1′和5-5′剖面安全系数大于1。BT2堆积体处于不稳定状态，计算与实际状态一致。

5 治理方案设计

5.1 方案选择研究

根据堆积体破坏模式及稳定分析成果，研究采取了2种治理方案。

方案1：上部减载挖除、中部坡面削坡(挖除局部陡区域，防止局部失稳)+下部坡脚抗滑桩锚索支挡+排水系统。

方案2：中、上部只进行少量削坡，防止局部失稳，而在中、下部坡脚采用大断面抗滑桩支挡+排水系统。

表2 213公路复建后BT2崩塌堆积体沿接触带稳定计算成果表

方案1，上部削坡减载后，安全稳定提高效果明显，安全系数从0.815～1.130(1～4剖面)提高到了1.067～1.280，基本满足控制设计标准，仅3-3′剖面持久工况不满足要求。考虑继续全面减载开挖工程量太大，局部减载多个开挖面，显然既不经济亦不美观，所以下部3-3′控制范围内布设小断面抗滑桩。抗滑桩为直径2 m的圆截面桩，桩平均长为22 m，共10根，顶部设预应力锚索。综合措施实现了边坡安全系数完全满足规范要求。

方案2，根据堆积体滑动特点，分别在中部偏下和下部坡脚各布设1排抗滑桩。上排抗滑桩断面为5 m×7 m，平均深度34 m，共需要12根；下排抗滑桩断面为3 m×5 m，平均深度22 m，共需要20根。方案2工程量大，投资大，且需要在边坡处于失稳过程中、尚未实现新的平衡情况下进行施工，安全风险较大。

经综合比较采用方案一作为BT2推荐治理方案，详见图1～2。

图1 BT2治理方案平面布置图

图2 BT2治理方案典型剖面布置图

5.2 推荐方案详细设计

(1)上部减载挖除、中部削坡治理设计

高程1 470.00 m以上全部挖除减载； 1 470.00～1 405.00 m按1∶2坡比削坡减载，在1 430.00 m和1 440.00 m分别设置马道，且1 440.00～1 470.00 m之间原布设1条施工道路，马道宽约2～3 m，施工道路宽5 m，减载后稳定计算成果详见表2。

(2)下部坡脚支挡

在堆积体3-3′剖面约50 m范围内213国道路肩内侧设置1排锚拉抗滑桩，平均桩长为22 m、直径2 m的圆截面桩，桩间距5 m，桩身嵌入基岩约为1/3桩长。在距桩顶1 m的位置设置1根2 000 kN级锚索，锚索伸入基岩，入射角20°，锚索平均长度40 m，锚索预加应力为1 000 kN。坡脚支挡处理后稳定计算成果详见表2。

(3) 坡面防护设计

削坡减载后出露基岩面采用锚喷、挂网、排水孔和随机锚杆措施。基岩面采用直径28 mm、L=9 m的锚杆与直径25 mm、L=4.5 m的锚杆间隔布置，间距4 m×4 m；设置排水孔，排水孔间距3 m×3 m，排水孔长度L=5 m,水平仰角10°，梅花形布置。喷C20混凝土厚度10 cm，挂网钢筋直径6.5 mm，间距0.2 m×0.2 m。削坡减载后覆盖层边坡坡面采用草皮护坡，并且设置排水孔，排水孔间距3 m×3 m，排水孔长度L=5 m，水平仰角10°，梅花形布置。

(4) 排水系统

堆积体边坡开口线周边布设截水沟、马道内侧布置截排水沟，与坡面的排水孔组成边坡综合排水系统。

6 安全监测设计及监测成果分析

在BT2堆积体设置2个主监测断面，代表性主监测断面详见图3。每个监测断面布置2套4点式多点位移计，3个表面观测墩和2个测斜孔；设置2个辅助监测断面，各布置3个表面观测墩。BT2主要监测成果详见表3，表3监测数据显示，BT2堆积体总体处于稳定状态。

BT2堆积体边坡治理后经历了2014—2017年共4 a多次暴雨；2014年8月昭通市鲁甸县6.5级地震，距离工程大约20 km，在工程区域范围影响烈度6度；2017年6月水库蓄水，2018年水位接近堆积体坡脚。经多次现场巡视检查未发现开裂、变形情况，多点位移计、测斜孔、钢筋计、锚索测力计监测数据均平稳，说明边坡处于稳定状态。

图3 BT2主监测断面图

监测设备监测时段累计数据范围评价锚杆测力计蓄水前(2013.06～2017.03)-12.82～13.40 MPa蓄水后(2017.04～2017.11)-12.82～11.23 MPa累计应力整体不大,变化过程相对较平稳,暂无异常变化情况,蓄水前后累计应力变化不大,蓄水影响较小。多点位移计蓄水前(2014.07～2017.03)-0.43～2.03 mm蓄水后(2017.04～2017.11)-0.87～3.92 mm累计位移整体较小,变化过程较平稳,暂无异常变化情况,蓄水前后累计位移变化不大,蓄水影响较小。钢筋计蓄水前(2014.11～2017.03)-39.8～-9.46 MPa蓄水后(2017.04～2017.11)-46.26～-4.69 MPa累计应力整体不大,变化过程相对较为平稳,暂无异常变化情况,蓄水前后累计应力变化较小,蓄水影响较小。锚索测力计蓄水前(2015.08～2017.03)33.5～68.39 kN蓄水后(2017.04～2017.11)32.17～70.16 kN荷载累计损失量整体较小,变化过程较为平稳,体现该部较为稳定,暂无异常,蓄水前后累计应力变化不大,蓄水影响较小。测斜孔蓄水后(2017.05～2017.11)0.14～46.91mm累计位移整体不大,堆积体整体呈现稳定状态。

7 结 语

BT2堆积体形成机理是上部岩石逐步卸荷、松弛，最后产生崩塌，堆积于阶地斜坡上，处于临界稳定状态。由于“切脚”开挖，边坡稳定失稳，发生变形、开裂但未发生大范围滑动。经及时采取“上部减载挖除、中部坡面削坡+底部坡脚支挡+构筑排水系统”综合治理措施，安全系数得到明显提高，满足设计控制标准。堆积体边坡治理后经历了暴雨、地震及蓄水影响，通过巡视检查与监测表明，边坡处于稳定状态。采取的治理方案有较好的安全提升效益、费用效益和快速消除安全隐患效益，有一定借鉴意义。