0.   引言

中国西南地区建设的水电工程普遍存在高陡边坡,失稳将导致灾难性后果,严重影响人民生命财产安全。特别是因工程建设,高陡边坡因二次扰动而失稳,时有发生。精准预判、积极治理、实时监控、动态反馈的“全生命周期”法处理高陡边坡^[1]已成共识。

高陡边坡治理,总体遵循应急先行、勘探监测设计并行、分期治理的原则^[2]。永久措施和应急措施包括减载、锚固、坡面排水系统重构和坡面保护、深部排水系统设置等。基于各种理论的分析方法也提供了强大技术支撑。^[3]

1.   工程概况

罗闸河二级电站坝址位于云南省普洱市云县忙怀乡上游樱歌山河谷,拱坝最大坝高72.0 m。坝址河谷成V字型,地质条件复杂,公路以降陡直,河道狭窄。

勘察显示,基岩为岩浆岩,主要分布Jm1、Jm2及Jm3节理密集带：①Jm1: N30°W/NE∠38-400,为缓倾角结构面,倾向河床下游,断续交叉延伸,主要发育在坝顶以上山体；②Jm2: N350E/NW∠750,为陡倾角,倾向上游,地表上成槽形,935 m高程以下见集中挤压；③Jm3: N350E/NW∠650倾向上游,为小错动面,宽20~30 cm,风化泥充填。因右岸拱座开挖,2013年10月发生两次塌滑。幸导流洞发挥功效,未形成堰塞湖,无人员伤亡。滑坡最大高度逾百米,最大厚度近十米,共近五万方,多土夹碎石,属中型、中层滑坡。

2.   成因分析

滑坡形态发育,滑动面、滑坡周界、滑坡后壁、主滑线等结构显著。周界普遍存在岩体松动,碎裂现象,个别区域岩石被挤压呈凌乱块状、碎屑状等。裂隙间夹次生泥,分布不均匀,规律性差,局部见空洞,破碎带垂直厚度10~30 m,为典型的卸荷松动体。滑坡上部山体表面出现十数条张开裂缝,宽度2~35 cm不等,顶部高程为1105 m。坝肩以下及上下游延伸段,均有基岩出露,塌滑层除土层外,含卸荷松动岩石。

边坡下陡上缓,主滑段45°~50°,拱座开挖局部达60°,对坡脚破坏较大,为不稳定隐患。坡面覆土深厚、植被茂盛,时值雨季末期,覆盖层和卸荷岩体含水率高,个别区域见出水点。微风化带为较稳定的隔水层。弱风化带—强风化带存在陡倾和中倾的张裂面,为强透水带。弱风化带—强风化带裂隙有泥质充填密实,透水性弱。地下水位较高,且持续时间较长。

拱座开挖导致坡脚临空,上部岩土层在重力作用下产生拉裂变形,作用于下部基岩。在多重应力作用下,滑坡体脱离滑坡周界,出现了中上部表层失稳和下部卸荷带沿结构面的错动,致使整个边坡进入前拉后推的运动模式。

因此,从边坡地形条件、岩体结构特征、变形程度及坡面变形拉裂等现象综合分析,边坡岩体属卸荷倾倒松动变形。尚无深层滑动的迹象,但是必须重视开挖边坡上部深厚坡积层的稳定性,有可能在坡积层发生滑动的危险。

3.   治理方案及现场实施

根据本工程等别和边坡与主要建筑物的位置关系,按《水电水利工程边坡设计规范：DL/T5353—2006》,本工程边坡工程安全等级为A类Ⅱ级边坡。

3.1   应急措施

针对成因采取临时措施,改善短期内的边坡稳定条件。着重表部,兼顾深层,为后续工作提供支持。分减载、固脚、排水和观测四部分内容。

(1)减载

根据现场条件,从顶部和周界清除对坝肩威胁较大的滑坡体,尽可能清至滑坡壁,消减滑坡台地。

(2)固脚

完成减载后,对潜在滑裂面出口的坡脚进行加固：一是设置系统锚杆,对坝址区1037.50 m高程以下,强风化岩石出露处进行固脚；二是根据坝顶高程以下基岩出露处裂缝视宽度、深度、延伸长度、密集度,慎重选择注浆压力进行固结灌浆。

(3)排水

结合地表裂缝的分布,沿周界设置临时截水沟,汇集雨水导出潜在滑坡区域。采用塑料防雨布覆盖拉张裂缝,避免大量雨水渗入,使潜在滑裂面更加发育。

图  1  滑坡原状图

Figure  1.  Original landslide

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表  2  各工况边坡安全系数计算成果

Table  2.  Safety factor of slope under different working conditions

工况		边坡稳定性系数	边坡稳定安全系数	滑逸前缘
1	1-1	0.95 <不支护,继续开挖	1.2(施工期)	坝顶高程以下(挖哪,滑哪)
	1-2	≥1.24先完成支护,再开挖		1025高程左右
	1-3	≥1.29先部分支护,开挖,再支护		1022高程左右(滑弧较1-2略深)
2		1.41拱坝完建+设计洪水位	1.3(正常运行工况)	坝顶高程以上
3		1.15死水位+遭遇7°地震	1.1(非正常运行工况)	坝顶高程以下至死水位之间

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(4)观测

对坡面裂缝编号,记录其发现日期、宽度、深度、走向、倾向、延伸长度等,并在图上标示,记录后进行回填处理。每日排查一次,遇雨加大频次。此外还在滑坡体及后山坡上布置变形观测简易标点,建立变形监测网。结合钻孔,设置重点部位测斜、测水位等。确保边坡基本稳定,方才复工,转施工期常态化观测。

3.2   永久治理

实施应急工程、设计并行,分析研究过程中所揭示,作为永久支护和系统监测方案的技术支撑。

(1)方案评估

摸清滑坡形态和各岩土层材料物理力学参数。主要是通过钻探、物探、原位测试和室内试验,获得基本物理力学参数和滑动面的形态^[4]。还原原始地层、地貌,建立计算模型,模拟工程扰动,反演用于分析和永久支护设计的材料力学参数,详见表1。

表  1  各岩土材料饱和状态下物理力学参数

Table  1.  Mechanical parameters of geotechnical materials

地层分类		重度γ/(kN·m-3)		c/kPa	φ/(°)
		湿	饱和
覆盖层(土石混合)	1010 m高程以下	17.9	18.2	16.47	33.7
	1010~1050 m高程	17.6	18.0	15.65	32.3
	1050 m高程以上	17.0	17.5	15.22	30.8
强风化层		20.0	21.0	100	30.0
弱风化层		21.7	22.9	220	45.0
微风化层		23.6	24.1	350	50.0

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根据掌握,经工程类比,基本确定底部基岩系统锚杆,中、上部覆盖层系统土钉+预应力锚索支护、降低地下水位的治理方案。模拟施工过程,分析支护措施和实施步骤。基于Morgenstern-Price法分析,滑裂面通过自动搜索和钻孔资料指定获得。研究了主、副两滑面在3种工况下的安全稳定：①分析右岸拱座继续开挖对现有边坡影响,决策边坡永久支护后拱座开挖,抑或仅对拱座加强支护；②研究满库,山体高地下水位对边坡影响,确定支护措施和范围；③研究遭遇7度地震、库水位骤降至死水位、山体高地下水位,评估支护抗风险能力。

结果显示：现有边坡不能满足拱座进一步开挖要求,必须先进行支护处理；支护、开挖、再支护的模式比先支护再开挖的模式更有优势,安全系数由1.24提高到1.29,提高了4%,满足规范要求；经永久治理的边坡在正常运行、地震工况下安全系数分别能达到1.41, 1.15,均大于规范要求的1.3和1.1。此外针对滑弧贯穿的岩土层重度γ,抗剪强度c和f(tanφ)、地下水位高度敏感性分析显示：c变化最为敏感,其次是水位线高度,再次为f和γ。可靠度分析采用Mont Carlo法,对地下水位线上、下变幅5 m进行了5000次的试算得出：正常运行工况95%的概率安全系数大于1.3；施工期近乎100%的概率安全系数大于1.0。

(2)方案实施

根据以上研究成果,提出永久支护方案：①应急工程排除隐患后方可进行坝址区施工作业；②拱槽自上而下分段开挖,采用短进尺、小药量、预裂等方式爆破,减小对边坡的进一步扰动；③适当延长相邻槽段作业时间间隔,削弱变形叠加效应,对不稳定的松动岩体及时加固；④调整原设计3 m长随机锚杆为长4.5 m,间距2 m的系统锚杆；⑤根据声波测试成果,优化固结灌浆孔间距及深度。永久支护采用预应力锚索、护面墙及系统锚杆等综合手段。高程1030 m以上采用系统土钉支护,高程1030 m以下采用系统锚杆支护。在高程1000 m以上设置3组预应力锚索,锚索采用六束Φ15.24 mm低松弛普通钢绞线,钻孔直径150 mm,按1.05~1.10倍设计预应力值进行超张拉锁定。索长根据取芯与钻孔电视成果确定,要求贯穿风化及破碎岩层,进入完整岩体一定深度且长度不小于40 m。锚索外露端部,通过格构梁、挂网锚喷连接成片。采用DN100 mm深埋式排水软管,间距5 m,以2%的坡比倾向坡外,伸入坡体长度不小于30 m,降低坡体内地下水位。

图  2  滑坡体及影响范围

Figure  2.  Landslide body and affected area

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最后在方案实施阶段,随着工作的深入,发现边坡松动时间、范围超预期。及时修改分析模型,调整初始支护方案,清除高程1037.5, 1050 m马道内侧覆盖层。预应力锚索实施时,由于覆盖层和强风化层存在大量空隙,孔底漏气、卡钻、塌孔等现象时有发生,造孔困难。为了节约成本、加快进度,采用先局部固结灌浆再钻进造孔的方法予以解决。在造孔时发现边坡所在山体地下水位分布复杂,水面缺乏连续性,局部存在“孤峰”现象。为此在高程1036 m增设一排深层排水孔,深入弱风岩石以下1 m,孔距5 m；高程1035 m以下边坡根据锚索钻孔的渗水情况随机增加深层排水孔。

图  3  主滑断面及支护方案

Figure  3.  Main sliding section and support plan

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4.   效果分析

边坡安装了3组多点位移计,每组6个测点,监测2017年1月1日至2018年9月11日,图4为其中变位最显著的一组^[5]。孔口实测位移量最大值为1.27 mm,最小值为-0.75 mm。各监测点数值随时间沿中心线趋同,反映现状条件下边坡处于稳定状态。为监测预应力锚索的受力情况,分别于4个高程,各布置3只,共12只锚索测力计。数据时间段从除1053 m高程的从2017年9月8日起,其余均为从2017年1月1日至2019年5月31日,预应力锚索监测成果见图5^[5]。

图  4  多点位移计监测成果

Figure  4.  Monitoring results of multi-point displacement meter

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图  5  锚索测力计监测成果(1038 m高程)

Figure  5.  Monitoring results of anchor cable dynamometer

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锚索测力计监测成果显示：锚索锁定后,各锚索荷载变化不大,荷载损失率也较小。大坝蓄水至正常蓄水位时段后,对所有的锚索均有不同程度的影响,影响最大的是1038 m高程中部锚索,其荷载先呈增大趋势波动,而后降低,并趋于稳定。

应急工程实施前,边坡中、下部观测孔地下水位波动受降雨影响显著,2013年10月底的长历时强降雨过程引起边坡中部地下水位上升逾5 m。2013年4月初应急工程实施完成后,边坡下部所有观测孔的地下水位均接近河面高程,几次较大的长历时降雨过程,引起地下水位的上升幅度均不足3 m；边坡中部所有观测孔的地下水位未见明显变化,详见图6^[5]。可见坡面截排水和深埋式排水系统效果良好,边坡主体入渗补给减弱、中下部排水通畅。水库蓄水后,近一年观测数据表明,边坡最高地下水位和库水位相关性更高,且基本保持稳定。5 a来遭遇6.6级地震和3 h降97.1 mm暴雨,运行良好。

图  6  地下水监测成果

Figure  6.  Monitoring results of groundwater

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5.   结论

(1)本工程高陡型边坡,因扰动发生滑坡。及时采取固脚、减载、截水等临时措施,趋于稳定,避免坝址重调,确保工程顺利推进。

(2)通过计算,制定了坝顶高程以上实施自下而上、由表及里的动态支护措施；坝顶高程以下实施加长、加密锚筋等措施,加固边坡。

(3)蓄水后,监测显示：整体变形量级适中、收敛。锚索应力计受力与地形、地质趋同。深埋式排水软管效果良好,地下水维持低位,边坡稳定性显著提高。

(4)工程运行后,边坡成功抵御暴雨、地震等极端自然地质灾害,有借鉴意义。