洛宁抽水蓄能电站排沙洞出口岩质边坡安全控制研究

张兴彬，潘福营，张 钿，杜 藏，刘旭阳，覃卫民

（1.河南洛宁抽水蓄能有限公司，河南省洛阳市 471700；2. 国网新源控股有限公司，北京市 100161；3.中国科学院武汉岩土力学研究所，岩土力学与工程国家重点实验室，湖北省武汉市 430071）

0 引言

洛宁抽水蓄能电站位于河南省洛阳市洛宁县城东南的涧口乡境内，电站装机容量1400MW，电站枢纽包括上水库、下水库、输水系统、地下厂房四大建筑物。

泄洪排沙洞位于下水库右岸区域，地表高程470～780m，地形自然坡度一般为10°～60°。地表岩体大部分呈全～强风化，全至强风化岩体厚度约10m，沿线地质构造较简单，有1条断层F41出露，其与洞室轴线夹角约19°，节理裂隙以NE向为主。

洞线穿越岩体为斑状花岗岩，出口洞段围岩呈中等风化，岩体完整性较差，以Ⅲ类岩体为主，局部有Ⅳ类围岩（见图1）。其余部位洞室围岩为微新花岗岩，岩体较完整，以Ⅱ类围岩为主，节理裂隙密集带和断层影响带一般为Ⅳ类围岩，断层破碎带属Ⅴ类围岩。

图1 泄洪排沙洞出口边坡开挖初期风貌Figure 1 Appearance of slope excavation at the outlet of flood discharge and sand drainage tunnel

泄洪排沙洞出口边坡整体稳定性较好，不良地质在于边坡岩体节理及卸荷裂隙比较发育，局部存在受节理裂隙切割形成的楔形体以及少量危石（见图2）。

图2 边坡开挖后的坡面揭示Figure 2 The face of the slope after excavation is revealed

边坡原支护设计的支护高程由527m至478m，边坡支护高度约49m，主要采用4.5m长φ25锚杆的锚喷支护方式，锚杆间排拒均为2m。在边坡施作510m高程平台以上支护期间，510～504m高程之间的坡面出现局部垮塌（见图3），垮塌方量约60m3，所幸防范及时，没有造成人员伤亡。

图3 边坡出现局部垮塌Figure 3 Partial failure of the slope

根据施工图设计，边坡将开挖至478m高程，边坡还将继续下挖约25m，后期还将面临下方排沙洞出口隧道施工。考虑到边坡及隧道施工采用爆破开挖方式会加剧边坡保留体结构面的扩张，将会进一步影响边坡的安全。为消除排沙洞出口边坡存在的潜在安全风险，有必要对该处边坡进行专项研究及治理。

1 研究现状

关于岩质边坡开挖形成的潜在风险及防治，国内相关研究分别涉及岩质边坡稳定性、隧道口边坡稳定性、爆破振动效应、边坡治理等方面。

张伯艳等[1]以西部地区某水电工程岩质高边坡为研究对象，揭示地震作用下岩质高边坡滑块滑面的张合运动规律、地震波沿坡高的放大效应及高边坡失稳破坏机理，初步评价岩质高边坡的动力稳定性。郝社锋等以秦望山岩质边坡为研究对象，采用3DEC 数值模拟软件分析了边坡治理前后不同工况下边坡的稳定性[2]。陈明等[3]通过小湾水电站岩石高边坡爆破振动荷载下动力响应计算，确定小湾水电站岩石高边坡爆破振动控制的合理部位及安全阈值。胡英国等[4]针对岩石高边坡爆破振动安全控制标准的应用，分析上层台阶马道附近的爆破振动特性。王刚[5]以重庆市白市驿隧道附近一处陡高顺层岩质高边坡为例，通过计算该边坡在隧道施工爆破荷载作用下的动态稳定系数时程曲线，认为该边坡在爆破振动作用下可能会出现失稳破坏。逄铁铮等[6]以厦门梧村隧道明挖段深基坑边坡滑塌为例，认为深基坑采用钻爆法开挖时，需要进一步验证边坡支护设计参数选取的合理性。王毓春[7]以牡绥线某隧道出口左侧高边坡防护加固工程为依托，采用 GEO-SLOPE 软件对不同工况进行了稳定性计算，通过技术经济比较，确定了边坡防护加固措施。

基于洛宁抽水蓄能电站泄洪排沙洞出口边坡的工程特点及潜在风险，拟采用风险分析、边坡稳定性计算、支护优化设计、现场监测相结合的技术手段，对泄洪排沙洞出口边坡进行综合研究，以信息化思路指导边坡及隧道施工，保障边坡的运营安全。

2 边坡安全控制研究

2.1 工程风险分析

泄洪排沙洞出口边坡地表出露以全风化、强风化岩为主，岩体裂隙发育。结合施工组织设计作出风险分析如下：

（1）该处边坡为两处结构面切割而成的锲形体，岩体表面裂隙发育，边坡开挖初期还出现小范围的崩落掉块现象，该处边坡存在一定的地质风险。

（2）边坡开挖采用钻爆法施工，爆破振动效应对岩土体及支护结构的影响很大，爆破振动可使岩体原有裂隙进一步扩张，甚至裂隙之间出现贯通；同时，爆破振动可降低锚杆锚固体与岩土体的黏结强度，从而降低锚杆锚固力，达不到设计要求；该处边坡存在较大的施工风险。

（3）边坡开挖后将形成切脚临空面，且爆破开挖方式会加剧岩体结构面的扩张，后期还面临下方排沙洞出口隧道施工，隧道开挖卸荷及爆破震动效应将会进一步影响边坡的安全。

2.2 边坡稳定性分析

由于工程现场地形复杂，仅选取泄洪排沙洞出口边坡典型断面，采用有限差分法进行边坡稳定性计算，通过对边坡变形规律及稳定性的定性分析，为边坡治理设计提供参考。

图4、图5分别为边坡静力计算的位移及剪应变增量云图，图6、图7分别为考虑了爆破震动影响的边坡动力计算位移及剪应变增量云图。

图4 静力计算位移云图Figure 4 Static calculation of displacement cloud map

图5 静力计算剪应变增量云图Figure 5 Static calculation of shear strain increment cloud map

图6 动力计算位移云图Figure 6 Dynamic displacement cloud map

图7 动力计算剪应变增量云图Figure 7 Dynamic calculation of shear strain increment cloud map

通过对比边坡静力和动力计算结果可以看出，静力计算出现的最大位移约为2.38mm，而动力计算出现的最大位移增大到9.21mm。动力计算出现的剪应变增量值为3.50×10-2，较静力计算出现的剪应变增量值为8.55×10-3增大了3倍。

根据江强强等[8]的研究：在干湿循环作用下，滑带土残余强度的劣化效应明显，黏聚力的劣化幅度明显大于内摩擦角的幅度。

由此可见，经过强降雨或持续降雨，岩体结构面强度会有一定程度的降低。而爆破施工引起的振动效应使得边坡的剪应变及位移增大，边坡岩体应力有可能超过岩体结构面抗剪强度，导致岩体沿结构面滑出。此次泄洪排沙洞出口边坡510～504m高程之间的坡面出现局部垮塌，与雨后边坡下方有爆破作业时间大致吻合，是爆破振动效应与岩土参数裂化共同作用的结果。

2.3 支护设计

基于以上工程风险分析及边坡稳定性分析，同时考虑到510m高程以上开挖边坡表层仍具有2～6m厚覆盖层，为加强边坡稳定性，避免局部垮塌，在初期采用6mφ28锚杆代替原设计4.5mφ25锚杆的锚喷支护基础上，对边坡采用贴坡混凝土配合长系统锚杆的加强支护方案。具体措施及注意事项如下：

（1）采用C30贴坡混凝土对边坡进行支护，贴坡混凝土厚300mm，表层采用φ16@200mm× 200mm单面双向配筋，钢筋保护层厚度50mm。

（2）采用9mφ32@3m×3m锚杆进行支护，锚杆外露总长570mm、弯折320mm，弯折段置于贴坡混凝土钢筋上部并与钢筋进行焊接。新增锚杆应尽量与原锚杆错开布置。

（3）贴坡混凝土浇筑时应注意对边坡排水孔的保护，避免排水孔堵塞，保证排水孔孔田出漏。

（4）垮塌部位用C20混凝土进行回填，表面采用φ16@200mm×200mm进行单层双向配筋，并与锚杆焊接。

考虑到501～510m高程边坡坡面发生全强风化岩石沿夹泥软弱结构面滑动、垮塌情况，为避免坡面垮塌影响上部边坡稳定和危及下部边坡施工安全，结合现场实际情况，采取以下措施进行处理：

（1）在510m高程马道、501m高程马道图示范围内侧增设锚筋桩3φ28@0.75m，L=12m，锚筋桩向坡内倾角5°。

（2）在510m高程马道锚筋桩施工完成后，清理垮塌部位的全强风化岩石、软弱夹泥层、浮渣及松动块体，501m高程马道锚筋桩施工完成后进行下级边坡开挖。

（3）501～510m范围内边坡支护系统锚杆长度由原设计4.5mφ25更改为6mφ28，其中，垮塌区域锚杆间距调整为1.5m×1.5m，锚杆端头与原设计坡面齐平，其余支护参数与原设计一致。

（4）垮塌部位用C20混凝土进行回填，表面采用φ16@200mm×200mm进行单层双向配筋，并与锚杆焊接。

2.4 监测设计

基于边坡工程风险分析及支护设计，依据国家技术标准以并参考国内工程经验[9-11]，泄洪排沙洞出口边坡的监测设计如下：

（1）在边坡各级马道上设置位移监测点。

（2）在边坡马道510m高程设置竖向深部位移监测孔1个，孔深20m，用以监测边坡在各垂直深度方向上的水平位移。

（3）在510m高程平台上下方边坡坡面上钻孔埋设水平向多点位移计监测孔3个，孔间距8～10m，钻孔为孔，根据地质条件确定孔深26m，每个监测孔测点数4点，用以监测边坡在各水平深度方向上的轴向位移。

（4）在边坡501～518m高程间设置锚杆应力计，监测锚杆受力状态变化。

（5）在边坡各平台设置爆破振动监测点若干，通过埋设三分量速度传感器，获得该次爆破对支护结构及岩土体的振动速度，用以指导爆破施工。

主要监测项目布置见图8。

图8 深部位移监测点布置示意图Figure 8 Schematic diagram of deep displacement monitoring site layout

3 边坡治理实施

3.1 施工组织及实施

泄洪排沙洞出口方案开挖支护施工顺序如下：510m马道锚筋桩施工→527～510m边坡φ32锚杆施工→501m马道锚筋桩施工→501m以下边坡开挖、支护。

泄洪排沙洞出口边坡为洞口段三级边坡，洞口至挑坎段四级边坡。开挖顺序先施工洞口洞顶段三级边坡至洞顶493m高程处，开挖自上而下施工，不得采取对岩石层面切脚或造成岩体倒悬的开挖方式进行，支护紧随开挖施工，开挖一级，支护一级，每开挖一级，立即清除表层上的松动岩层、表面呈薄片状或尖角状的突出岩石及裂隙发育或具有水平裂隙的岩石；洞顶段边坡开挖支护完成后施工洞口至挑坎段边坡，为进洞施工提供工作面。

在边坡恢复开挖施工前，按监测设要求安装埋设监测元器件，取得监测初始值后方可进行开挖。

3.2 边坡治理效果

边坡恢复开挖至泄洪排沙洞进洞期间，边坡没有出现局部滑塌事件，边坡无异常迹象发生。

目前排沙洞出口隧道进尺50余米，边坡阵列位移计的竖向最大位移约为3mm，多点位移计的水平向最大位移约为4mm。

现场监测及巡视结果表明：隧道口区域的边坡及隧道均处于安全状态。

4 结束语

（1）针对泄洪排沙洞出口边坡出现的问题，采用风险分析、边坡稳定性计算、支护优化设计、现场监测相结合的技术手段进行综合研究，以信息化思路指导边坡及隧道施工，取得较好的治理效果，保障了边坡的运营安全。

（2）泄洪排沙洞出口边坡510～504m高程之间的坡面出现局部垮塌，是爆破振动效应与岩土参数裂化共同作用的结果。

图9 边坡治理后现状Figure 9 Current situation after slope treatment

（3）对于节理裂隙发育的边坡工程，要充分考虑岩土力学参数劣化对边坡稳定性计算的影响，以便更好地指导边坡支护设计。