進出口高邊坡施工期穩(wěn)定性研究及加固技術(shù)

小浪底水利樞紐進口高120m的邊坡上，共布置15條大斷面隧洞的進口，出口邊坡上布置9條泄洪洞和正常溢洪道出口，最大泄量達17000m3/s。進、出口高邊坡地質(zhì)條件復雜，地位重要，因而其穩(wěn)定問題成為本工程最具挑戰(zhàn)性的課題之一。一、工程地質(zhì)條件1．進口邊坡進口邊坡走向NE23°傾向NW，前緣寬約280m，開挖坡度為1:0.2。出露地層為三疊系下統(tǒng)T13～T15，其平均飽和抗壓強度大于60Mpa，巖層傾向下游，傾角8°~12°,屬反向坡。該區(qū)發(fā)育四組節(jié)理中，走向10°~20°、傾向NW及走向50°~60°、傾向NW，傾角80°以上的兩組節(jié)理對進水塔后邊坡的穩(wěn)定起控制作用。2．出口邊坡出口邊坡出露地層主要為三疊系T16地層，其中軟巖地層占61％。巖層傾向下游，開挖坡度為1：0.85，為順向坡。出口邊坡寬319m，F(xiàn)236(F238)斷層及其分支斷層在此交會并發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在三個亞區(qū)中，以2、3號明流洞中心線之間的Ⅱ區(qū)邊坡地質(zhì)條件最差。在出口區(qū)發(fā)育的三組節(jié)理中，走向17°、傾向NWW、傾角71°的一組節(jié)理對邊坡的穩(wěn)定起控制作用。二、節(jié)理巖體抗剪強度的研究1．節(jié)理巖體抗剪強度指標的確定在小浪底工程中主要采用以下兩種方法確定節(jié)理巖體的抗剪強度指標。(1)以節(jié)理連通率為權(quán)值的巖體抗剪強度取值方法按下式計算巖體的抗剪強度指標：fi=α[fj·k+f0(1-k)],ci=b[cj·k+c0(1-k)]式中fi、ci為巖體的摩擦系數(shù)、凝聚力；fi、ci為節(jié)理面的摩擦系數(shù)、凝聚力;f0、c0為巖橋部分的摩擦系數(shù)、凝聚力；α、b為折減系數(shù)；k為節(jié)理的連通率?？紤]到巖體的破壞是在力的長期作用下的漸進過程，且抗剪強度指標中凝聚力會有很大的削弱，為此將求得的fi取其0.8倍，ci取其0.1倍作為建議值。(2)用Hoek—Brown經(jīng)驗準則確定抗剪強度指標上述兩種方法求得的節(jié)理巖體的抗剪強度指標見表1。表1各巖組巖體的抗剪強度指標2．泥化夾層抗剪強度的試驗研究(1)類型按其泥化程度、顆粒組成和厚度變化，大致可分為五種類型：全泥型、泥夾角礫型、泥夾粉砂或粉砂夾泥型、泥膜型、角礫夾泥型。(2)抗剪強度試驗研究①中型剪固結(jié)快剪試驗。試件尺寸20cmx20cm，試驗成果見表2。表2泥化夾層中型固結(jié)快剪試驗成果注：括號內(nèi)的數(shù)為平均值。②中型剪固結(jié)慢剪試驗。剪切速率0.02～0.002mm/min，使泥化夾層在剪切過程中充分排水，其試驗成果為T=0.0071+0.2580σ。③現(xiàn)場大型直剪試驗試件尺寸50cmx50cm、70cmx70cm，個別為100cmx100cm。試驗結(jié)果為：飽和固結(jié)快剪，c=0，tgφ=0.19；飽和固結(jié)快剪，限制側(cè)向膨脹，c=0.004MPa，tgφ=0.23；固結(jié)慢剪，c=0.005MPa，tgφ=0.25。1．進口邊坡三、穩(wěn)定性研究1．設(shè)計標準建筑物等級：I級。設(shè)計地震：施工期7度，水平地震加速度0.10g；運用期8度，水平地震加速度0.215g?？够€(wěn)定最小安全系數(shù)標準見表3。表3最小安全系數(shù)2．破壞模式(1)進口邊坡根據(jù)進口邊坡出露地層巖性、巖層及節(jié)理裂隙產(chǎn)狀判斷，其可能的破壞模式有：NNE向節(jié)理與NW走向的節(jié)理相互交切形成的分離體穿過軟巖TlS-J或坡腳處T13-2塑性剪切區(qū)或“層間剪切破碎帶”的切層滑動形式；局部破碎巖體的崩塌和卸荷板裂。(2)出口邊坡可能的破壞模式有：I、Ⅲ區(qū)邊坡無斷層通過，其破壞形式為以NNE向節(jié)理為后緣與巖層層面或泥化夾層組成的順層滑動；Ⅱ區(qū)邊坡由于斷層發(fā)育、巖體破碎，除以NNE向節(jié)理或斷層為后緣的順層滑動破壞外，另一種破壞形式為沿破碎巖體的圓弧滑動。3．分析方法進口邊坡主要采用三種方法：用剛體極限平衡方法確定穩(wěn)定安全系數(shù)和需要施加的錨固力；用非線性有限元法，分析整個邊坡的應(yīng)力、變形狀態(tài)及塑性區(qū)的范圍，據(jù)此確定加固的范圍及錨索長度；按單一巖體(T15-1巖層為進口邊坡軟巖含量最大的巖層)指標，用二維邊界元法分析邊坡內(nèi)安全系數(shù)的分布情況，以驗證加固設(shè)計的合理性。出口邊坡穩(wěn)定分析主要采用兩種方法。對于I、Ⅲ區(qū)邊坡，主要為順層滑動的失穩(wěn)模式，故采用傳統(tǒng)的剛體極限平衡分析方法；Ⅱ區(qū)邊坡為斷層交會帶，巖體破碎，采用改進的Sarma法和相應(yīng)的EMU計算程序。出口邊坡采用的計算參數(shù)如表4所列。表4出口邊坡采用的抗剪強度指標四、加固設(shè)計系統(tǒng)砂漿錨桿：Φ32錨桿，長8～12m相間布置，間、排距均為3m。噴混凝土：210m高程以上噴鋼纖維混凝土厚10cm，鋼纖維含量60kg/m3，分三層施噴。墊層厚3cm，噴素混凝土；中層噴鋼纖維混凝土，厚4cm；面層噴素混凝土，厚3cm。鋼纖維長度20～50mm，長徑比25～100，抗拉強度大于500MPa。210m高程以下噴素混凝土，厚10cm。排水：210m高程以上布置0100的排水孔，間排距均為3m?？咨?～2m，并上仰10°。預應(yīng)力錨索：250m高程以上，為防止邊坡巖體沿NNE一組節(jié)理的卸荷板裂，在不同部位布置600kN、800kN、1200kN、1500kN級錨索，錨索長度20～35m，錨索間、排距均為6m；250～210m高程間，該區(qū)位于邊坡的腰部，1000kN級錨索長30m、35m相間布置，間、排距均為6m。250～230m高程間，采用全長黏結(jié)式錨索；230m高程以下采用一次注漿的雙層保護錨索。210m高程以下的坡腳部位，為隧洞進口區(qū)，位置重要，該區(qū)布設(shè)2000kN級雙層保護錨索，錨索間、排距6～9m，長35~40m相間布置，錨索傾角大多數(shù)為上仰15°。2．出口邊坡出口邊坡的穩(wěn)定，施工期主要是控制工況。排水：在消力塘周邊的邊坡內(nèi)115m高程布置一條貫通性排水隧洞，布設(shè)Φ100排水孔，孔深lO～15m。位于節(jié)理密集帶、斷層帶內(nèi)的排水孔內(nèi)設(shè)置組合過濾體。掛網(wǎng)噴混凝土：噴混凝土厚0.1m，掛鋼筋網(wǎng)為Φ6，間距0.2mx0.2m。系統(tǒng)砂漿錨桿：NNE向一組節(jié)理與巖層層面或泥化夾層組合，形成很多潛在的不穩(wěn)定楔形體，為此設(shè)置Φ32、長10m、12m相間布置的系統(tǒng)砂漿錨桿，間距1.0～2.0m。預應(yīng)力錨索：采用錨索作為出口邊坡的主要加固措施，出口邊坡共布設(shè)2000kN、3000kN級雙層保護預應(yīng)力錨索372根，錨索長35-55m，根據(jù)不穩(wěn)定巖體條件，錨索方向下傾10°~25°?？够瑯叮孩騾^(qū)邊坡由于斷層交會，巖體破碎，泥化夾層發(fā)育，巖層傾角由9°變?yōu)?4°~21°,惡化了該區(qū)邊坡的穩(wěn)定條件，雖布置了大噸位系統(tǒng)預應(yīng)力錨索，但邊坡的穩(wěn)定仍處在臨界狀態(tài)。經(jīng)綜合分析比較，最終選定增加5根抗滑樁，采用錨索和抗滑樁等綜合加固措施。抗滑樁為2.0mx5.5m的橢圓形斷面。其他加固措施：①減載；②加大、加高消力塘2號中隔墻上游端斷面；③加強3號排沙洞出口洞段混凝土襯砌的整體性，分塊間加連接鋼筋和鍵槽；④增加三道鋼筋混凝土支擋墻，墻厚2m，墻頂高程165.0m；⑤用混凝土蓋板封閉坡頂170m高程平臺等：五、預應(yīng)力錨索設(shè)計1．技術(shù)標準采用美國材料試驗學會ASTMA416-87A標準，270級。每股鋼絞線由7根φ5低松弛高強鋼絲組成，公稱直徑15.24mm，單股鋼絞線最小破斷力260.7kN。2．材料保證強度利用系數(shù)護護構(gòu)進、出口邊坡雙層保護預應(yīng)力錨索材料保證強度利用系數(shù)如表5所列。表5材料強度利用系數(shù)3．內(nèi)錨固段長度設(shè)計內(nèi)錨固段長度由以下三個條件確定：①保證水泥凝固體不沿孔壁產(chǎn)生剪切破壞；②保證水泥凝固體與鋼絞線有足夠的握裹力；③對雙層保護錨索，PVC波紋管內(nèi)、外壁與水泥凝固體不產(chǎn)生剪切破壞。滿足上述三個條件裸露的鋼絞線長度分別為L1、L2、L3，并取其大者。Li由下式計算Li=kP/πdici(ij=1,2,3)上式中k為安全系數(shù)，取2.0；P為錨索的最大張拉荷載；di為計算直徑，對于鋼絞線di=n·d，n為鋼絞線股數(shù)，d為鋼絞線的公稱直徑；ci為黏結(jié)力，對于砂巖、黏土巖，c1=1.0MPa；水泥凝固體與鋼絞線，c2=2.0MPa；水泥凝固體與PVC波紋管，c3=5.0MPa。進、出口邊坡雙層保護錨索內(nèi)錨固段長度、鉆孔直徑詳見表6。表6