老撾南俄3水電站廠房后邊坡綜合治理及穩定分析

魏興存 劉慧芳 李 翔

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

老撾南俄3水電站位于老撾中部山區，是湄公河一級支流南俄河干流梯級開發的第3級(自下游向上游)年調節水電站，水庫正常蓄水位723.00m，相應庫容14.11億m3，電站裝機容量480MW。電站屬Ⅰ等大(1)型工程，地面廠房建筑物等級為2級，位于壩址下游距首部直線距離約11.3km處的南俄河右岸，廠房后邊坡屬于A類Ⅱ級邊坡，最大開挖高度141.95m，開口高程503m，邊坡開挖設計坡比在高程398m以下為1∶0.25，413～398m為1∶0.5，443～413m為1∶1.0，443m以上為1∶1.25，每隔15～20m高程設置一條寬3.0m的馬道。

2 工程地質

2.1 地形地貌

廠房后邊坡總體為寬緩的、向SW228°方向凸出的脊狀山梁，邊坡下游側受小溪溝影響呈圓弧狀凸起，上游側基本順直，總體坡度30°，在450～540m高程處形成坡度約10°的較緩地形平臺，邊坡前緣至河邊為緩坡段，總高差約為110m。邊坡表現為陡緩相間的臺階狀特征，靠下游側(廠房右岸)發育沖溝。

2.2 地層巖性

廠房后邊坡巖性由第四系松散堆積物和基巖組成。

a.覆蓋層為全風化殘坡積層，層厚一般為4～8m，組成物質為含礫粉質黏土，以粉、黏粒為主，碎石次之，結構疏松，含植物根系等，土層干燥、堅硬，呈硬塑狀，具中低壓縮性，遇水易軟化，流變特性顯著，抗沖刷、抗浸泡性能差。下部基巖為片巖夾千枚巖層，片巖約占80%，巖體較新鮮完整；千枚巖約占20%，條帶狀發育，層厚一般為2～15m，巖石相對較軟，抗風化能力差。

b.施工開挖揭露地面廠房后邊坡高程415m以上均為強風化和全風化巖體，表面局部顯土黃色，巖體局部片理面不清。高程415m以下為中風化、微新的極薄層千枚巖(局部夾片巖)，片理面光滑新鮮，未擾動狀態下結合緊密；高程415m以下巖體受開挖影響，巖體質量變差。邊坡巖體中除片理面極發育外，其他組節理裂隙不發育，地質編錄未發現斷層結構面。揭露廠房后邊坡地質產狀為NW300°～350°傾向NE(略傾岸內)，穩定區傾角60°～80°，邊坡上部巖層傾角相對較緩，有傾倒跡象，河床部位巖層傾角較陡，緩傾角裂隙不甚發育，斷續出露，產狀為NW330°～340°NE/SW∠15°～20°。各風化巖體界線在邊坡中位置見圖1。

圖1 各風化線在開挖邊坡出露情況示意圖

巖石室內力學性質試驗成果表明，廠區石灰巖及石英巖的飽和單軸抗壓強度大于80MPa；新鮮的片巖和千枚巖飽和單軸抗壓強度僅為24.2MPa，為較軟巖。

2.3 地下水和巖體透性

鉆孔反映廠區地下水埋深變化較大，但均小于55m，基本反映了山高水高的特點。廠區巖體滲透性總體較強，從強透水到微透水具有明顯的區段性，片巖、千枚巖地層中巖體以強透水—中等透水為主，鈣硅質巖和火山巖地層以弱透水—微透水為主。強透水孔內深度在40～76m，中等透水深度50～95m；弱透水深度達100m；根據壓水試驗資料，大部分試驗段流量較大，中風化巖體呂榮值在7.7～14.29Lu，平均值為8.3Lu，屬弱—中等透水性(5～10Lu)，強風化巖體屬中等透水(10～20Lu)。

3 主要建設經過

3.1 較大變形和塌方

廠房后邊坡開挖于2016年1月開始，2017年5月開挖至408m高程時邊坡出現較大變形和局部垮塌。2018年3月中旬開挖至368m高程附近時，邊坡表層進行了錨桿加掛網噴混凝土處理，處理后的邊坡有滲水跡象。

隨后2018年5月21日在廠房后邊坡385m高程馬道以下、2號機組段后邊坡范圍突然發生較大范圍塌方，深度約2m，寬度約40m，高度10m，方量約100m3，見圖2、圖3，塌方部位剖面見圖4。千枚巖出現傾倒破壞，局部浸濕明顯，坡面噴混凝土鋼筋網拉斷，部分系統錨桿被拉出，鎖口樁未見注漿體。

圖2 基坑后邊坡塌方

圖3 塌方段上部空腔

圖4 塌方段橫剖面

3.2 塌方特征及失穩模式分析

塌方部位邊坡巖體為千枚巖，局部夾片巖，片理面總體產狀NW300°～320°，傾向NE，傾角75°～82°，片理面走向與開挖邊坡走向成小角度相交，傾向坡里。巖體中片理極發育，多呈小于5mm薄層狀構造，遇水表面易軟化。塌方體從頂部到下部片理面傾角從中緩傾角向高傾角變化，基本上向SW方向變化失穩，失穩體殘存片理面間具錯動痕跡，坡面掛網錨桿頭滑脫。塌方堆積體多呈散體狀，向下部逐漸變成碎裂體。塌方體上部里側可見多處水流痕跡，塌方后有滲水點。綜合后邊坡揭露巖性、設計開挖邊坡、塌方情況、邊坡穩定計算分析分析認為：

a.塌方失穩模式為典型的松弛巖體、受重力影響、地下水軟化巖體的傾倒蠕變變形失穩模式。

b.揭露千枚巖及片巖干燥狀態下呈低硬巖，飽和狀態下微新巖體為較軟巖。

3.3 主要支護措施

廠房后邊坡支護主要目的是地表水防滲、降低地下水位，通過控制千枚巖及片巖水接觸和表面深層錨固來遏制巖體變形穩定。主要采取如下措施：

a.地表水防治措施。主要包括：?邊坡掛網噴10cm厚C25混凝土支護封閉，馬道排水疏導；?廠房右岸沖溝主水源引排，廠房段設置排洪渠減少下滲。

b.地下水降低措施。主要包括：?設置644.8m縱深排水洞(至壓力鋼管起點阻水帷幕)，?458.0m高程馬道正下方排水洞左右岸設旁洞，并在458.0m高程馬道打排水孔形成寬90m、高50m的排水孔帷幕，見圖5；?后邊坡坡面設4.5～6m深排水孔。形成深、淺聯合排水，降低坡體地下水位。

圖5 后邊坡綜合治理縱剖圖

c.巖體變形被動約束措施。?設置6排共計80束預應力錨索，在布置錨索邊坡區域設置混凝土板，預應力錨索具體參數指標見表1；?設置φ25系統錨桿，L=6m，間排距2.0m×2.0m；鎖口φ28錨桿，L=8.0m。

表1 預應力錨索參數指標

d.降低后邊坡高度措施?；踊炷两Y構施工完成后盡快實施石渣回填及回填體固結灌漿，降低后邊坡臨邊高度。

e.持續監測措施。持續進行邊坡變形監測，跟蹤分析變形規律，進行進一步的后邊坡整體穩定分析。

圖6 排水孔帷幕橫剖圖 (單位：mm)

4 后邊坡穩定性分析

4.1 施工期監測成果分析

按照邊坡監測結果，并結合邊坡施工和加固情況，整個邊坡過程可以分為三個階段。

4.1.1 緩慢增長階段

2017年11月之前(邊坡開挖至395m高程之前)。主要受邊坡施工影響，在開挖卸荷以及巖體蠕變的共同作用下，前期變形增長緩慢；后期受降雨和施工爆破等因素影響，加之廠房邊坡巖性主要為頁巖夾千枚巖，經水侵蝕后容易軟化，導致整個廠房邊坡位移有增大的趨勢，邊坡整體變形速率有所增加。

4.1.2 加速變形階段

2017年11月—2018年5月(邊坡自395m高程開挖至368.4m高程)。該階段邊坡開挖量大，開挖后形成的邊坡較陡，卸荷效應顯著且該部位坡腳開挖，造成坡腳支撐作用明顯減小，導致變形快速增長，尤其是從4月開始進入雨季后，邊坡卸荷巖體受到降水入滲導致的性能劣化也在一定程度上加速了變形的增長，千枚巖出現傾倒破壞。

4.1.3 穩定發展到收斂并趨于穩定階段

2018年6月至今(雨季，邊坡無大規模開挖活動)。該階段邊坡開挖活動少，隨著邊坡一系列加固措施的完成，以及廠房四周墻結構和基坑回填固結灌漿完成，邊坡變形速率有所降低，變形主要受降雨及巖體蠕變影響，并最終趨于收斂。

加速變形階段符合邊坡的開挖導致的卸荷變形機理，即變形方向朝向開挖體臨空面；穩定發展到收斂并趨于穩定階段符合雨季中開挖后強卸荷巖體受到降水入滲導致的劣化變形機理，邊坡下部監測點增量變形朝向潛在下滑風險區域。

4.2 穩定性分析

為進一步開展邊坡變形參數反演，對廠房后邊坡作出變形分析和安全評價，工程先在三維模型穩定性分析基礎上，開展了多種二維模型穩定性分析，盡管二維穩定性計算相對三維穩定性計算存在一定時效和空間差異，但整體而言兩者計算成果保持一致。地質專業和水工設計專業二維計算成果如下。

4.2.1 地質二維計算(利用Slide 6軟件)

按照綜合建議參數、RMR分級最低參數進行廠房后邊坡穩定性計算，成果見表2。

表2 廠房后邊坡穩定性計算成果

地震屬于偶然工況，其他為持久工況。?按地質建議參數無論是持久工況還是偶然工況，安全系數滿足規范最低要求，邊坡總體處于安全范圍內；?按RMR確定的巖體力學參數最低值進行風險分析時，無論是持久工況還是偶然工況，安全系數均不滿足規范最低要求，但是這樣低的巖體力學參數不符合巖體相應特性，以地質建議參數進行邊坡穩定性計算為宜；?無論采用哪種巖體力學參數，總體是全風化及以上邊坡存在強度穩定問題，各種方法最小安全系數位置略有差別。

利用Hoek-Brown破壞準則計算參數評價邊坡穩定性，無論是持久工況還是偶然工況，安全系數均滿足規范最低要求，邊坡總體處于安全范圍內，后邊坡是穩定的。

4.2.2 水工設計二維計算(利用RS 2軟件)

在不考慮廠房混凝土結構情況下，考慮運行期正常工況、運行期暴雨工況、運行期地震工況三個工況。邊坡在各工況條件下的安全系數均滿足要求，但暴雨工況安全系數最低，為控制工況。暴雨工況變形區域主要集中在邊坡399m高程以上區域，增量變形量最大值為33cm，最大的錨索主要為386m高程的錨索，數量超過180t。反演得到的邊坡巖體力學參數見表3。

表3 強度這件計算結果

5 處理后監測情況

在廠房開挖邊坡398m高程以上共布設10個表面變形測點、2套3點式多點位移計，后期陸續增加了2套3點式多點位移計、1套4點式多點位移計、5套錨索測力計、4個永久表面變形測點和24個臨時表面變形測點。

5.1 表面變形監測

2018年6月開始，邊坡位移增速逐漸降低，總體從最大3mm/d到0mm/d，各測點的時效分量已趨于收斂，表明當前廠房后邊坡變形趨于穩定。其中，最大累計位移在廠房主邊坡428m高程馬道的TPC2-3測點，達到458.6mm，當前位移速率穩定在0.1mm/d，介于慢速到非常慢速之間，TPC2-3位移變化過程及位移矢量見圖7、圖8。

圖7 TPC2-3位移變化過程線

圖8 TPC2-3變形監測點位移矢量圖

5.2 內部變形監測

圖9 廠房邊坡多點位移計位移變化曲線

5.3 預應力錨索荷載監測

目前，405m高程錨索拉力超過錨索設計拉力1500kN,達到2192.14kN，但荷載損失率在逐步降低，當前荷載損失為776.78kN，荷載損失率-54.88%。依據錨索荷載增量-時間曲線(見圖10)，可以判斷總體錨索測值趨于穩定。

圖10 錨索荷載增量-時間曲線

5.4 其他

廠房主邊坡443m高程馬道水位觀測在34～40m，隨降雨情況和季節浮動。

6 結 語

老撾南俄3水電站地面廠房后邊坡穩定問題不受結構面控制，不存在大范圍的塊體穩定問題，是巖體本身風化程度較深、開挖坡高、飽和狀態巖體強度變低的變形穩定問題；398m高程以下開挖坡比較大，加劇了下部坡體變形，從而引起邊坡不同高程部位巖體變形。因此，后邊坡穩定問題屬于巖體變形穩定問題，而非強度穩定問題，按變形穩定問題分析邊坡可能的累計變形量和變形速率，支擋結構完成后變形趨勢及變形速率，工程進行了三維和多種二維模型計算，分析了邊坡的變形穩定問題，屬按強度穩定問題進行分析計算的典型案例，通過開挖過程和后續工程監測，整個邊坡變形機制從緩慢增長到加速變形，再到穩定發展，最終收斂趨于穩定達到運行標準。但仍需繼續跟蹤監測，并根據穩定需要增加錨索等合理的加固措施。本文千枚巖高邊坡工程的分析處理措施可為類似工程提供借鑒。