某水利枢纽工程边坡塌滑原因分析及处理方案

某水利枢纽工程边坡塌滑原因分析及处理方案摘要：本文通过对某水利枢纽工程边坡塌滑的原因进行了详细分析，并对锚杆方案及削坡方案进行比较，从而发现削坡方案在施工、成本、维护等方面都有优势，且提出了边坡支护结构和其布置。关键词：水利枢纽；边坡塌滑；处理方案1工程概况该水利枢纽工程一个以发电、航运为主,兼有灌溉、供水、水产养殖、旅游等综合效益的工程,电站装机容量72MW。左岸布置1000t级船闸,船闸由上游引航道、上闸首、闸室、下闸首及下游引航道组成,全长706m,闸室及下闸首基本从下半山腰开挖而成,基坑底部高程66.30～69.0m,开挖形成的边坡高度达77.0～85.0m。2边坡塌滑及其原因分析2.1工程地质条件船闸高边坡主要地层为三迭系中统第六岩组(T2b6)中薄层砂岩、泥质粉砂岩夹泥岩,岩石半坚硬,节理裂隙发育密集,局部有方石脉充填。岩体受日晒干燥坚硬,遇水即易开裂软化。局部有受构造挤压褶曲,多组节理裂隙发育密集,有顺坡向的节理发育,卸荷节理发育非常明显,岩体受切割比较多,一旦被雨水的渗入裂隙面即易软化崩解。地下水类型主要为裂隙水,地下水位埋藏深度一般在3～15m,谷地冲沟或已开挖的坡面,局部有地下水溢出,形成季节性变化的间歇泉点。根据钻孔水位观测资料,未发现有地下承压水现象,地下水的补给来源于大气降雨入渗。针对不良部位进行补充勘探及现场岩体试验,边坡力学参数试验值见表1。表1边坡力学参数试验值项目试验值湿容重/(kN/m3)φ/°c/kPa坡残积碎石粘土层17．614．339质粉岩夹泥岩(全风化层)26．219．380质粉岩夹泥岩(强风化层)26．321．8110质粉岩夹泥岩(弱风化层)26．623．81802.2边坡塌滑过程该边坡工程基坑在刚开始施工过程中曾多次发生小塌滑,塌滑的桩号在0+090～0+170和0+190～0+260,高程在88.6m以下起始发生小的塌滑(如图1),然后慢慢向上发展,随着施工继续开挖,塌滑范围不断往山坡上扩展,最后追塌到145m高程,坡面喷护的C20砼层被拉裂变形,滑动体沉降约0.5m左右,裂缝宽0.2～0.35m,部分临时截水天沟受破坏,山顶上147.4m高程的高压线铁塔基础地基沉降开裂,危及高压线路的安全。图1边坡起始塌滑平面示意图2.3边坡塌滑原因分析造成边坡塌滑的原因是多方面的,经分析主要有以下几点成因:(1)边坡出露主要岩层为泥质砂岩夹泥岩,微鳞片泥质结构、水云母及绢云母含量81%,石英13%,方解石和绿泥石4%～6%,其余矿物成份含量均少于1%,从岩层的造岩矿物看,极易风化;加上岩层受到构造挤压破碎,加速了岩体的风化速度,致使边坡岩性稳定差。(2)边坡开挖揭露以后,发现岩石完整性较差,同时这种边坡表面裸露时间过长,加之该类地层抗日晒雨淋能力较差,临时排水设施未完善,遇雨季时,雨水直灌入坡面裂缝,在雨水的冲刷破坏作用,边坡容易崩塌。(3)边坡开挖后,由于原始应力平衡遭到破坏,需要通过蠕变来释放应力,以达到新的应力平衡,加之地层的弱膨性,加快了崩塌的速度,由小规模、小范围的垮落和塌滑,造成了新的裸露表面,为下一次较大规模的跨落和塌滑甚至滑动创造了必要的条件。(4)临时边坡较陡,如若不能及时回填封闭压脚处理,其局部稳定性较差。由于边坡局部塌滑影响闸墙施工,墙后未能及时回填压脚,使未塌滑部分临空面久置未能处理,进而影响边坡的稳定,造成恶性循环。3边坡稳定性分析3.1计算方法边坡稳定性计算方法一般根据边坡类型和可能的破坏形式进行确定,本工程边坡顶层为覆盖土层及强风化泥质砂岩层,下部为较大规模的碎裂结构岩质边坡,故采用圆弧滑动法进行整体性分析计算。计算采用岩土软件,用优化原理搜索边坡的最小安全系数,并找出相应于某一种方法最小安全系数值的圆弧及圆心。同时也对下部较碎裂结构泥岩层按勘探后的地质剖面及可能的最大折线滑动面来分析计算。3.2边坡力学参数的选取边坡力学参数取值对边坡稳定计算影响很大,需查明不良地质条件因素,分析复核边坡的稳定性,以确定边坡方案。考虑本工程地质条件较差,水文地质条件复杂,局部有受构造挤压褶曲,多组节理裂隙发育密集,对粘聚力C值影响较大,而对Φ值影响较小,故计算时假设Φ值不变。根据本工程对现状已塌滑深度情况,假设滑裂面进行初步试算,因塌滑区大都处于弱风化层,其岩层C,Φ试验值相对比较高,如若不考虑边坡受风化、裂隙水以及结构节理倾角等因素的影响,则其安全系数应为较高,边坡处于稳定状态。但实际边坡也已经塌滑,说明考虑各种因素的综合影响后,边坡稳定分析若采用试验C值则偏高。故假设此时滑裂面为临界状态(即安全系数K为1.0),应用力学分析的方法,对可能发生的滑动面,在各种荷载作用下进行理论计算和抗滑强度的力学分析。通过反复计算和分析比较,求出对应的C值,采用该C值作为计算整体稳定的计算C值。边坡稳定性分析计算采用力学参数值见表2。表2边坡稳定性分析计算采用力学参数值项目试验值湿容重/(kN/m3)φ/°c/kPa坡残积碎石粘土层17．614．335．1全风化层26．219．372强风化层26．321．899弱风化层26．623．8162注:稳定性分析计算时对试验的C值折减。3.3计算成果及评价根据边坡力学参数,采用圆弧滑动方法及最大折线滑动面法,取原设计边坡典型剖面进行计算,整体性稳定计算时,即使考虑船闸闸室左边墙后回填土夯实压脚后,其安全系数均不能满足一级边坡稳定要求,即安全系数1.30;同时临时边坡与永久边坡衔接部分也未能满足最大折线滑动面的安全系数要求,即安全系数ks1.35,故需对边坡进行加固或进行削坡卸荷处理。4边坡整治方案鉴于局部边坡顶部已有滑裂的痕迹,因此须及时治理。整治方案设计以经济、高效、安全为原则,提出削坡及锚杆支护两种方案进行比较。4.1削坡方案根据边坡实际情况,对高边坡进行重新削坡卸荷,包括对已发生塌滑的滑裂体进行挖除,并移走边坡顶147.4m高程的高压线铁塔,对153.8m高程高压电线杆临坡面采用钢筋桩围护。削坡方案见图2。图2削坡方案剖面示意图经稳定计算,削坡后边坡圆弧滑动最小安全系数为1.316,最大折线滑动线最小安全系数为1.353,均满足要求。4.2锚杆方案根据该边坡工程地质条件,如果成孔效果很好,则采用普通锚杆;对局部地层采用一般钻机施工很难成孔,即便能成孔,在经过一段时间后,局部容易出现塌孔现象,则采用自钻式中空预应力锚杆支护,锚杆间用砼网格梁连接成整体,网格内挂钢筋网喷浆来保证边坡稳定性以满足设计要求。根据计算,对边坡分主受力区、一般受力区和次要受力区,设计张拉力290～140kN。主要受力区布置于89.3～106.1m高程,锚杆采用2Φ25钢筋,孔径D110mm,锚固长度≥5.0m,锚杆长度25m。一般受力区布置于66.3～89.3m,设计张拉力200kN,锚杆采用Φ32钢筋,孔径D80mm,锚固长度≥4.6m,锚杆长度15～25m。次要受力区布置于106.1m高程以上部分,设计张拉力140kN,锚杆采用Φ25钢筋,孔径D80mm,锚固长度≥3.5m,锚杆长度10～15m。锚固梁砼按间距2.5×2.5m进行布置,断面为0.45×0.45m,面板砼采用C20砼,厚200mm。锚杆方案见图3。图3锚杆方案剖面示意图4.3方案比选两个方案的技术经济比较详见表3。表3削坡方案与锚杆方案比较项目方案削坡方案锚杆方案工程投资土方开挖6.2万m3;石方开挖15.3万m3,工程投资1060万元,投资较少砼4480m3;钢筋130t;锚杆2450根束,工程投资1367万元,投资较多施工技术施工比较简单,要求技术难度较低锚杆的施工工艺技术要求较高,且岩石破碎,容易塌孔,难度相对较大,同时边坡局部还存在塌滑,施工时存在安全隐患工期机械化连续施工,工期相对较短锚杆施工需搭钻孔平台,工期较长工程美观坡面重新修整后,边坡坡面较美观,平顺,无凹凸感坡面只是局部修,边坡坡面美观性较差,与上下游衔接不平顺,凹凸不平结论推荐方案由表3知,削坡方案在投资、技术、施工、运行维护、美观等方面有优势,故设计推荐采用。5边坡支护结构及布置削坡后强风化层坡面采用M7.5浆砌石衬护,衬砌厚0.4m,对破碎带岩层地段的坡面除了M7.5浆砌石衬护外,每隔10m增设一道(1.0m×0.4m)里肋。在全风化层坡面采用方格型浆砌片石骨架内种植草皮护坡。在结构破碎带有水渗出的地方,用镀锌花管深入岩层体内将深层渗水导出,间距6m,呈梅花型布置,渗水导出坡面后再通过排水沟集中排水,最终导出坡外。此外,设置了边坡马道排水沟、顺坡排水沟及坡外截水天沟等,为了维护和便于观测边坡,在适当的位置设置一些步级。6结语(1)水是影响边坡稳定性和造成边坡失稳的主要因素之一,因此应采取工程措施,在布置完善的支护结构的同时,也需布置完善的边坡内外排水系统,在结构破碎带有水渗出的地方,宜用导水管将水引排并导出坡面以外。(2)泥岩质高边坡开挖达到设计坡比后,坡面不要裸露过长,应及时衬护,以防坡面岩层风化和雨水冲刷与渗入软化而塌滑。(3)对于施工过程中出现一些小的塌滑要引起重视,应及时支护处理;采用机械施工时,较陡临时边坡不宜大面积开挖基坑,为保持临时边坡稳定,建议采用分段跳槽施工。(4)本工程高边坡整治已完成并运行一段时间后,且经历了多次洪水的考验,船闸运行情况仍然正常,左岸高边坡及船闸边墙稳定,说明该边坡整治是成功的。