我国水利水电工程高边坡的加固与治理
摘要：
关键词：
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。这些工程的规模和所包含的技术难度都是空前的。因此，加快水利水电边坡工程的科研步伐，开发出一套现代化的边坡工程勘测、设计、施工、监测技术，已经成为水利水电科研攻关的重大课题。
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。本文仅就水利水电工程岩质高边坡的加固与整治措施作一简要介绍。
1、混凝土抗滑结构的应用
1.1混凝土抗滑桩
我国在50年代曾在少量工程中试用混凝土抗滑桩技术。从60年代开始，该项技术得到了推广，并从理论上得到了完善和提高。到80年代，高边坡中的抗滑桩应用技术已达到了一定的水平。
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m2、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597 m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1.5 m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。
天生桥二级水电站厂房高边坡采用打抗滑桩、减载、预应力锚杆、锚索、排水、护坡等综合治理措施后，坡体的监测成果表明：下山包滑坡体一直处于稳定状态，而且有一定的安全储备。
安康水电站坝址区两岸边坡属于稳定性极差的易滑地层，由于对两岸进行了大规模的开挖施工，所形成的开挖边坡最大高度达200余m，单坡段一般高度在30～40m.大量的开挖造成边坡岩体的应力释放，断面暴露，再加上雨水的侵入，破坏了边坡的稳定，致使边坡开挖过程中发生十几处大小不等的工程滑坡，严重地影响了工程的施工，成为电站建设中的重大技术难题。
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。
1.2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。
1.3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。
1.4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。
1.5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2 m×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。
2、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1 000 kN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2.0 MPa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1 229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。
预应力锚杆也是常见的一种加固形式，如天生桥二级水电站厂房高边坡工程中实施了减载、排水、抗滑桩等技术后，滑坡位移速度虽有明显减小，可未能完全停止。为了确保雨季在滑坡体前方的施工安全，稳定抗滑桩到滑坡体前缘的约20～40m长，10余万m3的滑坡体，决定在565m高程马道上设置300 kN预应力锚杆。锚杆分两排，孔距2m、孔径90mm，孔与水平成60°夹角，用36的钢筋，共实施了152根预应力锚杆，保证了工程的安全。
3、减载、排水等措施的应用
3.1减载、压坡
在有条件的情况下，减载压坡应是优先考虑的加固措施。如天生桥二级水电站厂房高边坡稳定分析结果表明，滑坡体后缘受倾向SE的陡倾岩层影响，将向S（24°～71°）E方向滑动。该方向与滑坡前缘滑移方向有近20°～60°的夹角，将部分下滑力传至滑坡体前缘及治坡建筑物上，对滑坡整体的稳定不利，因此能有效控制后坡滑移也就能减缓整体滑坡。
在滑坡体后缘覆盖层最厚的部位，在保证施工道路布置的前提下，尽量在后缘减载。第一次减载14万余m3，至610m高程，第一次减载后，滑动速度明显降低。紧接着再减载12万余m3，至600m高程。两次减载共26万余m3，滑坡抗滑稳定安全系数提高约10%.乌江渡水电站库区左岸岸坡距大坝约400m，有一石灰岩高悬陡坡构成的小黄崖不稳定岩体。滑坡下部软弱的页岩被库水淹没，地表上部见有多条陡倾角孔缝状张开裂隙，最大的水平延伸长度达200m，纵深切割190m.4年多的变形观测结果表明，裂隙顶部最大累计沉陷量达171.1mm，最大累计水平位移量达56.0mm，估计可能滑动的体积约50～100万m3.为保证大坝的安全，对小黄崖不稳定岩体先后进行了两次有控制的洞室大爆破，共爆破石方20.8万m3.从处理后的变形资料可以看出，已达到了削头、压脚、提高岩体稳定性的目的。
3.2排水、截水
地表水渗入滑坡体内，既增加滑坡体的重量，增加滑动力，又降低了滑动面上岩层的内摩擦力，对滑坡体的稳定是不利的。对于滑坡体以外的山坡上的地表水，采取层层修建拦水沟、排水沟的方法排水。在坡体范围内的地表水，对开裂的地方用黄土封堵，低洼积水地方用废碴填平，顺地表水集中的地方设排水沟排走地表水。如天生桥二级水电站厂房边坡工程治理中总共修建拦水沟、排水沟近10km.地下水的排除采取在滑坡体的后缘开挖总长384m的两条排水洞（距滑动面以下5～10m），并相联通，形成一个∪形环，在排水洞内再设排水孔，把滑动体内地下水引入排水洞。
漫湾水电站边坡工程深层排水采用在坡面打深15～20m的排水孔，每6m×6m设一孔，利用施工支洞和专设排水洞排水，并在洞内向上、向坡外方向打辐射形排水孔，深15 m.三峡船闸高边坡稳定分析结果表明，地下水是影响边坡稳定的主要因素。三维渗流分析成果表明：船闸高边坡形成之后，在坡面喷混凝土防渗条件下遇连续降雨，若无排水设施，边坡山体地下水均在较高位置出逸；当设置排水洞后，地下水位较无排水情况有所降低，但不明显；当在排水洞中设置排水孔幕之后，地下水位有较大幅度降低，南北坡地下水出逸点已接近闸室底板高程，排水效果显著。为此，三峡船闸高边坡采用地表截、防、排水与地下排水相结合的综合排水方案，以地下排水为主，地表截、防排水为辅，有机结合，通过截、防、导、排，尽可能降低边坡岩体地下水位，减小渗水压力，改善边坡稳定条件，提高边坡稳定性。
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