進(jìn)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(jìn)口高120m的邊坡上，共布置15條大斷面隧洞的進(jìn)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(dá)17000m3/s。進(jìn)、出口高邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，地位重要，因而其穩(wěn)定問(wèn)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(jìn)口邊坡進(jìn)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(qiáng)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(duì)進(jìn)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(huì)并發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在三個(gè)亞區(qū)中，以2、3號(hào)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(duì)邊坡的穩(wěn)定起控制作用。二、節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度的研究1．節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)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(qiáng)度指標(biāo)。(1)以節(jié)理連通率為權(quán)值的巖體抗剪強(qiáng)度取值方法按下式計(jì)算巖體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：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(zhǎng)期作用下的漸進(jìn)過(guò)程，且抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中凝聚力會(huì)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(yàn)準(zhǔn)則確定抗剪強(qiáng)度指標(biāo)上述兩種方法求得的節(jié)理巖體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表1。表1各巖組巖體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)2．泥化夾層抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)研究①中型剪固結(jié)快剪試驗(yàn)。試件尺寸20cmx20cm，試驗(yàn)成果見表2。表2泥化夾層中型固結(jié)快剪試驗(yàn)成果注：括號(hào)內(nèi)的數(shù)為平均值。②中型剪固結(jié)慢剪試驗(yàn)。剪切速率0.02～0.002mm/min，使泥化夾層在剪切過(guò)程中充分排水，其試驗(yàn)成果為T=0.0071+0.2580σ。③現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)試件尺寸50cmx50cm、70cmx70cm，個(gè)別為100cmx100cm。試驗(yàn)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(jìn)口邊坡三、穩(wěn)定性研究1．設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建筑物等級(jí)：I級(jí)。設(shè)計(jì)地震：施工期7度，水平地震加速度0.10g；運(yùn)用期8度，水平地震加速度0.215g?？够€(wěn)定最小安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表3。表3最小安全系數(shù)2．破壞模式(1)進(jìn)口邊坡根據(jù)進(jìn)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(guò)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(dòng)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(wú)斷層通過(guò)，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(dòng)；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(dòng)破壞外，另一種破壞形式為沿破碎巖體的圓弧滑動(dòng)。3．分析方法進(jìn)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(gè)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(zhǎng)度；按單一巖體(T15-1巖層為進(jìn)口邊坡軟巖含量最大的巖層)指標(biāo)，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(yàn)證加固設(shè)計(jì)的合理性。出口邊坡穩(wěn)定分析主要采用兩種方法。對(duì)于I、Ⅲ區(qū)邊坡，主要為順層滑動(dòng)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(huì)帶，巖體破碎，采用改進(jìn)的Sarma法和相應(yīng)的EMU計(jì)算程序。出口邊坡采用的計(jì)算參數(shù)如表4所列。表4出口邊坡采用的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)四、加固設(shè)計(jì)系統(tǒng)砂漿錨桿：Φ32錨桿，長(zhǎng)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(zhǎng)度20～50mm，長(zhǎng)徑比25～100，抗拉強(qiáng)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(yù)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(jí)錨索，錨索長(zhǎng)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(jí)錨索長(zhǎng)30m、35m相間布置，間、排距均為6m。250～230m高程間，采用全長(zhǎng)黏結(jié)式錨索；230m高程以下采用一次注漿的雙層保護(hù)錨索。210m高程以下的坡腳部位，為隧洞進(jìn)口區(qū)，位置重要，該區(qū)布設(shè)2000kN級(jí)雙層保護(hù)錨索，錨索間、排距6～9m，長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)10m、12m相間布置的系統(tǒng)砂漿錨桿，間距1.0～2.0m。預(yù)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(jí)雙層保護(hù)預(yù)應(yīng)力錨索372根，錨索長(zhǎng)35-55m，根據(jù)不穩(wěn)定巖體條件，錨索方向下傾10°~25°。抗滑樁：Ⅱ區(qū)邊坡由于斷層交會(huì)，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(yù)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?？够瑯稙?.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(hào)中隔墻上游端斷面；③加強(qiáng)3號(hào)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(tái)等：五、預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)1．技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)ASTMA416-87A標(biāo)準(zhǔn)，270級(jí)。每股鋼絞線由7根φ5低松弛高強(qiáng)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(qiáng)度利用系數(shù)護(hù)護(hù)構(gòu)進(jìn)、出口邊坡雙層保護(hù)預(yù)應(yīng)力錨索材料保證強(qiáng)度利用系數(shù)如表5所列。表5材料強(qiáng)度利用系數(shù)3．內(nèi)錨固段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)內(nèi)錨固段長(zhǎng)度由以下三個(gè)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(duì)雙層保護(hù)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(gè)條件裸露的鋼絞線長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1、L2、L3，并取其大者。Li由下式計(jì)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(jì)算直徑，對(duì)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(duì)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(jìn)、出口邊坡雙層保護(hù)錨索內(nèi)錨固段長(zhǎng)度、鉆孔直徑詳見表6。表6