超高土石壩塊石料場邊坡支護勘察設計

楊 國 華，馮 文 新，胡 金 山

(1.河南地礦職業學院，河南 鄭州 450000；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

超高土石壩一般壩高大于200 m[1]，壩體龐大，其對塊石料需求量大。同時由于大壩填筑進度較快，對支護進度要求高，很容易因支護不及時影響料場出料進度，從而影響大壩填筑。本文以深厚覆蓋層上最高壩長河壩水電站為例，詳細闡述了該電站塊石料場勘察支護設計。

長河壩水電站為大渡河干流水電規劃“三庫22級”的第10級電站，電站總裝機2 600 MW，總庫容10.75億m3。該電站為2017年12月全部建成。其大壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高240 m，壩基還下伏50～70 m覆蓋層，為深厚覆蓋層上世界上最高壩。

長河壩塊石料場包括兩個塊石料場，大壩上下游各一個，分別為響水溝塊石料場和江嘴塊石料場。由于壩體填筑方量超大，達3 417萬m3，兩料場邊坡均超過300 m，料場邊坡穩定問題較一般工程突出[2]。同時該電站連續21個月最高月填筑強度超過100萬m3/月[3]，填筑強度很高，對邊坡支護進度要求也高。

在前期料場勘察時查明了料源質量及儲量。在招標及技術實施階段，重點進行了料場邊坡勘察，查明了料場邊坡地質條件(包括強卸荷松動巖體及主要斷層分布情況)，分析了主要變形破壞模式和穩定性，提出了料場開挖及支護的建議。開采坡比根據地質條件而確定，隨著開挖揭示而進行動態調整。同時，根據不利結構面組合形成的塊體穩定性問題進行動態調整開挖及支護設計，在條件許可時將斷層帶挖除等。提出隨著大壩填筑高程的上升，料源富余系數越來越高，在料場中下部可將開挖坡比放緩，既保證邊坡穩定，又保證大壩填筑順利進行，大大節約了支護工程量[2]。

2 塊石料場

2.1 響水溝塊石料場

該料場位于壩區上游右岸響水溝溝口，距壩址3.5 km，地形形態為一山包，三面臨空，地形坡度一般40°～50°。料場后緣為一寬約60～90 m的埡口(見圖1)，前緣為高度100～200 m基巖陡壁，坡度70°～80°。

圖1 響水溝料場開采前全貌圖

料場絕大部分基巖裸露，出露一套晉寧期—澄江期的侵入巖，以花崗巖(γ2(4))為主，巖質致密堅硬。料場無區域性斷裂通過，地質構造以次級小斷層、擠壓破碎帶、節理裂隙(或裂隙密集帶)、巖脈(輝綠巖脈、石英巖脈)為特征。巖體中主要發育的構造裂隙有4組，一組順坡中傾坡外，一組順坡中傾坡內，一組與坡面斜交，另一組與坡面正交。巖體中發育一規模較大的斷層，F1：N35°W/SW∠65°～70°，順坡陡傾坡內，延伸長大，帶寬25～40 cm，主要由碎粉巖、碎粒巖組成，該斷層穿過料場后緣，形成埡口。

料場三面臨空，岸坡陡竣，基巖裸露，地表植被發育較差，巖體卸荷強烈，強卸荷水平深度多達46 m以上，料場后緣邊坡強卸荷表部可見松動巖帶(見圖2)。響水溝典型剖面見圖3。

圖2 響水溝料場后緣松動巖體圖

圖3 響水溝料場典型斷面圖

2.2 江嘴塊石料場

該料場位于壩區下游左岸磨子溝溝口左側，距壩址6 km。地形形態總體上為山包，地形上二面臨空，下游發育一淺沖溝，地形坡度一般40°～60°，料場后緣坡度30～35°，而后為基巖陡壁(見圖4)。料場大部分基巖裸露，淺表有約0.5 m～1.5 m的根植土層。出露巖體為一套晉寧期—澄江期的侵入巖，以石英閃長巖(δ02(3))為主，巖質致密堅硬。巖體中主要發育的構造裂隙有4組，兩組順坡中陡傾、陡傾坡外，一組與邊坡斜交，一組與坡面大角度相交傾下游。巖體中發育三條規模較大的斷層，其中對邊坡穩定性影響較大的為F3斷面，順坡陡傾，N35°E/NW∠65°～70°，帶寬40～60 cm，由碎粉巖及少量碎粒巖組成(見圖5)。

料場多臨空，岸坡陡竣，巖體表部卸荷強烈，強卸荷水平深度多達35 m以上，巖體淺表部有5～10 m厚的松動巖帶，下游沖溝溝壁全為松動巖帶。

圖4 江嘴料場全貌及下游沖溝圖

3 邊坡支護勘察設計及動態調整

3.1 兩料場天然條件下邊坡均基本穩定

響水溝料場表部巖體變形均較弱，控制性結構面為第①組順坡中陡傾裂隙，但由于其延伸長度有限，未見長大的順坡斷層等其他結構面，料場自然邊坡總體基本穩定。江嘴料場由于長大順坡斷層及順坡裂隙傾角大于坡角，順坡裂隙其延伸長度有限，邊坡天然狀態下未見大的變形破壞，整體基本穩定。

圖5 江嘴料場F3斷層圖

3.2 工程邊坡開挖及支護均采用動態設計

3.2.1 開采坡比隨開挖揭示而動態調整

前已述及，由于超高土石壩塊石需求量大，且開挖進度快，邊坡支護不容易及時，因此在儲量滿足規范要求的情況下盡量放緩開采坡比，減少支護工程量。強卸荷帶及斷層帶內開采坡比均緩于1∶0.75，弱卸荷巖體1∶0.5，微風化及新鮮巖體1∶0.3。兩側巖體風化卸荷較強烈，相應的坡比也緩于中間巖體。

巖體開采坡比也隨結構面發育情況而動態調整。如響水溝料場中下部發育一順坡小斷層，按原設計坡比將要切穿它，施工時確保儲量充足情況下將坡比放緩(見圖6)，使它不在邊坡出露，確保了邊坡穩定。

圖6 響水溝料場中下部順坡小斷層圖

3.2.2 料場開采坡比隨大壩填筑進度而動態調整

眾所周知，為確保料源充足，現行《水電水利工程天然建筑材料勘察規程》(DL/T5388-2007)對料源儲量進行了有關規定，如它規定各種天然建筑材料詳查儲量應達到設計需要量的1.5～2.0 倍，并應滿足施工可開采儲量的要求[4]。即規程規定了一定富余量。隨著大壩填筑進行，料源富余量也一直在動態變化。料場剩余地質儲量與大壩剩余設計需求量之比值(K)可以下面公式表示，即K=(A-X+B)/(A-X)，式中A為大壩總設計需求量，B為富余量，X為大壩填筑量。據該公式可知，隨著大壩填筑量(X)上升，料場剩余地質儲量與大壩剩余設計需求量之比值越來越大，即料場富余系數越來越大，可將料場中下部開挖坡比放緩，減少支護工程量，甚至可以不支護。

響水溝料場中下部即1 580～1 670 m高程開挖坡比由原來1∶0.3～1∶0.5調整為1∶0.75～1.20，取消此高程內所有邊坡支護，原設計為普通砂漿錨桿Ф28，L=6 m和Ф32、L=9 m、間排距2×2 m，交替布置、矩形布置；掛網(φ6.5@15×15 cm)、噴護(C25混凝土、厚度12 cm)支護，隨機錨索支護，噸位T=1 000/2 000 kN，L=40/50 m。共節約錨桿2 500根，噴混凝土2 100 m3，錨索30束。

江嘴料場中下部即高程1670 ～1715m開挖坡比由原來1∶0.3～1∶0.5調 整 為1∶0.75～

1.0，取消此高程內所有邊坡支護，原設計為垂直于坡面梅花形 交 替 布 置C28，L=6 m及C25，

L=4.5 m普通砂漿錨桿、間排距均為2.0 m；掛網鋼筋采用Ф6.5@15 cm×15 cm；噴C25混凝土，厚度12 cm，隨機錨索支護，噸位T=1 000/2 000 kN，L=40/50 m；共節約錨桿1 560根，噴混凝土1 400 m3，錨索20束。

長河壩水電站兩個塊石料場中下部均放緩了開挖坡比，既確保了邊坡穩定，保障了大壩填筑順利進行，又大大節省了支護工程量及支護時間。此經驗值得正在施工的超高土石壩借鑒。

3.2.3 清除及繞避強卸荷帶內松動巖帶

強卸荷松動巖帶巖體破碎[5]，工程性狀極差，易產生滑塌等工程地質問題，危及料場開采安全及施工進度。一般情況下，料場邊坡不可能像工程邊坡那樣采取非常強的支護措施，只能因地制宜，具體情況具體分析。

如響水溝料場后緣松動巖帶，因后緣較高，挖除較困難，采取錨索+框格梁措施代價太大且施工工期長，本電站基于該料場后緣為一埡口特點，在確保料源儲量滿足規范要求下，在邊坡頂部設置一寬40 m的平臺，前緣設置擋護結構，不再對松動巖帶進行直接處理(見圖7)。實施過程中，松動巖帶巖體雖不斷垮塌，但均順埡口進入沖溝內，未進入料場開采取區內，確保了施工安全，處理效果良好。

圖7 響水溝料場開口線上松動巖帶及開采平臺

江嘴料場下游沖溝溝壁松動巖體采取了避讓方法。在確保料源儲量情況下，調整開采布置，將下游側開采方向往上游調整，形成折線型開挖(見圖8)，從而將該沖溝避開。施工過程中該沖溝雖不斷垮塌，但均順沖溝而下，進入不了開采區域，不影響施工安全。頂部地形較緩，對強卸荷松動巖帶，開挖坡比緩于1∶1以下時再進行挖除處理。

圖8 江嘴料場開采后全貌圖

4 結 語

事實證明，隨著大壩填筑量上升，料場富余系數就越大，因此，可將料場中下部開挖坡比放緩，減少支護工程量，甚至可以不支護。針對工程地質性狀極差的強卸荷帶內松動巖帶，需因地制宜采取清除及繞避辦法。

以上成果實施以后，確保了施工安全，很大程度上節約了工程量，同時又保障了大壩順利填筑，使大壩填筑提前6個月，取得了良好的經濟效益及社會效益，可為今后類似工程提供經驗借鑒。

鑒于長河壩工程的成功經驗，今后可多總結類似工程經驗，以期修改現有規程規范中對料場儲量的規定，可適當降低料場富余度。同時，針對有些電站塊石料場開采完全不考慮地質條件盲目采用固定坡比這一普遍現象，建議料場開采應與現場地質條件相適應，并盡可能采用穩定坡比或較緩開挖坡比，并動態調整，以減少支護工程量。