水庫施工高邊坡安全防護結構的探究

惠 康 梁 峰

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概 述

阿爾塔什水利樞紐位于新疆喀什地區莎車縣境內的葉爾羌河上，為大(1)型Ⅰ等工程，該工程是以生態、灌溉、防洪、發電為開發目標的控制性水利樞紐工程。水庫總庫容22.45億m3，正常蓄水位1820m，死水位1770m，最大壩高164.8m，電站裝機容量755MW。

1號深孔泄洪沖沙隧洞出口及生態廠房均布置在壩后右岸，后邊坡高度30m處布置有一條永久交通道路3-1號道路。該道路位于壩址下游右岸，起點位于右岸交通道路，經2號深孔出口、生態廠房后邊坡連接大壩壩后之字道路第一級轉彎平臺，施工期承擔壩體填筑物料運輸的交通任務，運行期承擔永久上壩交通及生態廠房進場交通功能。按主要運輸車輛為汽車-60級自卸汽車估算，高峰期行車密度大于25輛/h，道路設計采用《水利水電工程施工組織設計規范》(SL 303—2017)場內二級道路標準，路基斷面組成為：1.0m路肩+2×4.5m路面+1.0m路肩，橫斷面采用直線型路拱，路拱橫坡度2.0%，路肩橫坡3.0%；路面結構均采用厚度30cm水泥混凝土路面+20cm級配礫石基層。

1號深孔泄洪沖沙隧洞出口及生態廠房開挖與3-1號道路開挖采用結合形式，沿線斜切右岸3號沖溝左側高邊坡下部，沿線基巖裸露，結構面為層面及卸荷裂隙，但由于邊坡開挖以來的長期卸荷作用，坡表巖體局部穩定性較差，在重力及外水的作用下易產生局部滑塌。開挖邊坡以上自然邊坡高約200～300m，坡度45°～60°，大部分基巖裸露，為溝梁相間地形，坡面及沖溝內廣泛分布松石、危石，粒徑小于1.5m。

整體邊坡開挖完成后，邊坡整體穩定，上部局部產生卸荷變形，易產生小量塌滑；加之開挖邊坡以上自然邊坡危石在自然力作用下形成的滾石，對過往車輛及人員安全構成極大危害，施工期經現場實際運行使用反應，經雨水沖蝕后，邊坡易發生掉塊。為探究該處高邊坡的安全性，確保1號深孔泄洪沖沙隧洞出口及消力池段、生產廠房的安全性，分別擬定了邊坡支護+主、被動防護網結合方案，以及3-1號道路沿線設置柔性鋼架棚洞的方案，經現場實施運行對比分析[1-4]，總結出兩個方案的優劣，為后續水利工程高邊坡處理提供理論依據及實施參考依據。

2 高邊坡防護設計方案探究

1號深孔泄洪沖沙隧洞出口及生態廠房與3-1號道路之間邊坡已采用貼坡混凝土澆筑的形式進行加固處理，3-1號道路以下部分邊坡整體穩定，且無掉塊、落石等。道路上坡邊坡斜切右岸3號沖溝左側高邊坡下部，沿線基巖裸露，為中石炭統卡拉烏衣組(C2k2)灰巖、石英砂巖、泥晶灰巖，巖層產狀350°SW∠50°～70°，走向與開挖邊坡交角多在40°左右，主要結構面為層面及卸荷裂隙，開挖邊坡整體穩定，但由于邊坡開挖以來的長期卸荷作用，坡表巖體局部穩定性較差，在重力及外水的作用下易產生局部滑塌。3-1號道路開挖邊坡以上自然邊坡高約200～300m，坡度45°～60°，大部分基巖裸露，為溝梁相間地形，坡面及沖溝內廣泛分布松石、危石，粒徑小于1.5m，分布范圍為開挖邊坡以上1950m高程左右。

道路中段處于邊坡轉彎段附近，開挖邊坡高約40m，邊坡坡度約70°～85°，巖層走向與坡面交角相對較小，易沿層面產生卸荷松弛，局部穩定性較差；工程施工期間已產生過3次小量塌滑，該段邊坡是沿線開挖邊坡穩定性相對較差地段。

開挖邊坡以上自然邊坡危石在自然力作用下形成的滾石，對過往車輛及人員安全構成極大危害，為此分別擬定了兩種方案并在施工期加以實施。

3 邊坡支護+主、被動防護網方案

為確保設計開挖范圍內邊坡穩定，在3-1號道路上部設計開挖范圍內，全斷面增設掛網噴護及錨桿結合的邊坡處理措施；道路中段處于邊坡轉彎段附近，設計開挖范圍外側30m范圍內，增設錨筋樁群的設計，用以加固開挖范圍外側，針對邊坡穩定性較差段進行加固處理。

由于設計開挖范圍以外，自然邊坡高度較高，且廣泛分布松石、危石等，為對該類型掉塊進行處理，根據地形情況，分別在3-1號道路沿線橫切的五條溝梁相間的地形凹點范圍，架設被動防護網；利用地形的天然坡度，確保部分松動的石塊在滑落過程中，首先匯入凹處的沖溝內，既而通過開挖邊坡與自然邊坡交界處的被動防護網攔擋，起到防護功能。

為處理沿線地形凸點的松石、危石等，對于地質條件較差段，鋪設主動防護網，用以加固邊坡和限制落石范圍。該方案采用邊坡支護+主、被動防護網的防護形式[5-6]，在工程施工期短時間起到了較好的作用，確保了高邊坡以下部分建筑物施工及交通通行的安全；但隨著被動防護網攔擋石塊的增多，被動防護網在安裝2年后均被石塊砸毀，由于防護網設置高度較高，清理較困難，致使堆積的石塊逐步壓垮了被動防護網。

工程進入施工末期階段，高邊坡落石、掉塊的問題并未完全解決。為此，提出在建筑物后邊坡3-1號道路平臺一定范圍內設置柔性鋼架棚洞的設計思路，為落石提供緩沖平臺并確保通道內的通行安全。

4 柔性鋼架棚洞方案

柔性鋼架棚洞的設計思路是在道路上首先設置鋼架棚，其次在鋼架棚上增加防護網，通過鋼架棚洞與柔性防護網的結合[7-8]，確保道路行車安全，柔性防護網為邊坡掉塊提供了緩沖帶，從而有效確保了道路以下建筑物的安全。

柔性鋼架棚洞平面以1號深孔泄洪沖沙隧洞出口及生態廠房后邊坡平臺段，以及3-1號道路中心線為基準布置，棚洞軸線與道路軸線相同，鋼架基座設置于道路兩側路肩，確保道路可以安全行車。柔性鋼架棚洞設計主要結構部件采用鋼拱架+鋼絲繩+環形網+雙絞六邊形格柵網+支座。

為確保結構在地震作用下的穩定性，特設計柔性鋼架棚洞為輕型結構，對地震作用不敏感，確保在地震時的穩定性。為起到安全防護及安全通行的功能，實施過程中通過混凝土基礎高度保證鋼架底座穩定，保證棚架內部的凈空，滿足安全通行的條件。

鋼棚架作為骨架，結構設計采用類似于隧道的設計理念[9-10]，通過焊接型鋼實現功能，為提高整體性，采用連接鋼筋、連接鋼板等措施，將混凝土基座與鋼架棚連接成為整體，組合為整體受力結構。經阿爾塔什水利樞紐工程實施驗證，該項設計有效解決了由于落石、掉塊問題導致的交通中斷問題，起到了棚架防護網的緩沖作用，確保了1號深孔泄洪沖沙隧洞出口及生態廠房的安全，落渣位于道路周邊，便于隨時清理。棚架柔性防護網為可拆卸拼裝結構，便于后期維修及更換，運行效果及防護效果顯著(見圖1)。

圖1 柔性鋼架棚洞三維結構設計

5 結 語

水利工程高邊坡防護技術一般根據邊坡巖性采用掛網噴護錨桿的處理措施，或采用主動防護網、被動防護網等，該類方式邊坡處理范圍有限，邊坡較高時施工難度大，后期不易檢修維護，投資較高。本文以阿爾塔什水利樞紐工程高邊坡處理及實施情況為研究對象，提出了柔性鋼架棚洞防護方案，解決了超百米高邊坡難以進行邊坡防護處理的問題，以及主、 被動防護網施工難度大，防護范圍受限的難題；通過棚洞行車通道的防護解決了高邊坡下部行車通道的安全問題。

本設計將鋼架棚洞與柔性網相結合，引入了新型設計思路，可對邊坡落石產生緩沖，檢修維護較便利，運行成本較低。該傍山道路高邊坡安全防護柔性鋼架棚防護網結構，在對道路進行防護時，對掉落的碎石起到了緩沖效果，提高了安全性。本文研究成果為后續水利工程高邊坡防護及高邊坡下行車通道的防護，提供了理論依據及實踐經驗，后續設計中可參照本項目設計及實施經驗進行高邊坡防護設計。