四川雙江口水電站典型工程邊坡失穩分析
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摘要：為了提升水電工程邊坡監測預警及應急處置能力，結合四川雙江口水電站典型工程邊坡發現變形直至失穩的過程分析及監測預警成果，從內因和外因分析邊坡變形失穩機理，制定了有針對性的現場處置及應急治理等應急處理方案，并按原定計劃保質保量完成施工，有效避免了人身傷亡、財產損失及次生災害的發生。
關鍵詞：邊坡失穩;邊坡監測頇警;應急處理;雙江口水電站;四川
中圖法分類號：TV698.1文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.05.014
工程邊坡的穩定性受自然環境、地質條件和人類活動影響很大，特別是我國大型水電工程基本分布在西部高山峽谷地帶，自然環境更為復雜、施工環境更為惡劣。近年來，伴隨著異常天氣頻發，邊坡變形失穩事件時有發生，對工程安全、進度、投資均造成較大影響，甚至引起社會恐慌，故邊坡變形失穩前的監測預警、失穩破壞后的應急處置顯得尤為重要。
針對水電工程邊坡變形失穩及應急處置，通常采取“監測、觀察”等預警手段和“削坡減載、支擋加固”等工程措施，本文以四川雙江口水電站典型工程邊坡變形失穩及應急處理實踐為案例，從施工過程監測預警、邊坡變形失穩機理、現場處置、應急治理及實施效果等方面加以分析、總結，具有一定代表性。
1工程概況與地質條件
1.1工程概況
雙江口水電站位于四川省阿壩州馬爾康市與金川縣交界處的大渡河上游東源足木足河和西源綽斯甲河匯合口以下約2 km處，是大渡河干流上游控制性水庫。樞紐工程由攔河大壩、泄洪建筑物、引水發電系統等組成，其中泄洪建筑物包括洞式溢洪道、深孔泄洪洞、利用3號導流洞改建的豎井泄洪洞和2號導流洞改建的泄洪放空洞。
3號導流洞進口邊坡開口高程2 473m、底板高程2 355m，最大邊坡開挖高度118m、邊坡開挖坡比1：0.5，土石方開挖總量約28萬m3。開挖坡面淺層支護采用錨桿、掛網、噴射混凝土及排水孔等措施;深層支護采用預應力錨索，設計荷載1000kN，其中高程2 425m以上布置3排、高程2 405～2 425m之間布置2排、高程2 385～2 405m之間布置2排，共計86束。
1.2地質條件
3號導流洞進口位于大渡河左岸斜坡上，與大渡河主流流向呈24°夾角，進口邊坡上、下游分別發育一條較淺沖溝，地形坡度較緩，約為28°～35°;邊坡出露地層巖性主要為可爾因花崗巖雜巖體一燕山早期木足渡似斑狀黑云鉀長花崗巖，地質構造以次級小斷層、節理裂隙為特征，巖體以次塊狀一鑲嵌狀結構為主，局部較破碎;邊坡物理地質作用主要表現為巖體的風化卸荷，勘探揭示左岸岸坡巖體弱風化最大水平深度約為50m;強卸荷帶內巖體松弛嚴重，卸荷裂隙較發育，裂隙普遍松弛張開0.5-5cm、最大達10cm以上，充填碎屑及次生泥，弱卸荷帶巖體較松弛，裂隙一般張開1-5mm。根據區內地下水的賦存條件，可分為第四系松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。
2監測預警分析
2.1現場施工過程
2017年6月，正式啟動3號導流洞進口便道施工。2017年9月28日，按照1：0.5的坡比，自上而下啟動邊坡開口線支護施工。2018年4月29日，完成高程2 425m以上邊坡開挖及淺層支護后，按照設計要求啟動高程2 439，2 439，2 447m 3排錨索施工。2018年9月20日，3號導流洞進口邊坡高程2425m以上邊坡系統支護全部完成。3號導流洞進口邊坡原始地形地貌見圖1，截至2018年9月20日的施工形象面貌見圖2。
2.2安全監測布置
按照3號導流洞進口邊坡安全監測布置要求，根據開挖支護施工進度安排，由內觀監測實施單位進行錨桿應力計、多點位移計及錨索測力計的安裝埋設，其中1套錨桿應力計和1套多點位移計均布置在高程2 431m（邊坡下游側），2套錨索測力計分別布置在高程2 439m（邊坡中部）和高程2 431m（邊坡下游側）處，并按照監測工作要求開展內觀監測工作。
2018年9月27日晚，持續開展的內觀監測表明，3號導流洞進口邊坡內觀監測數據出現異常，經現場排查發現，已開挖支護邊坡開口線后緣覆蓋層邊坡發現明顯拉裂縫，在穿過3號導流洞進口邊坡的場內交通25-2號公路距離出洞口約20m處，發現垂直洞軸線的貫穿裂縫。建設管理單位立即組織參建單位召開專題會布置現場安全管理工作，暫停3號導流洞進口邊坡施工，撤離現場人員及設備，采取交通管制措施，嚴禁人員及設備進入，并持續加密內觀監測、增加外觀監測。
2.3監測成果分析
2018年9月27日至10月4日，在建設管理單位的主導下，內觀監測承擔單位持續加密內觀監測，并通報每日最新安全監測成果，錨桿應力計、多點位移計、錨索測力計的內觀監測數據變化情況見圖3-5。
從圖3可知，2018年9月27日前、后錨桿應力計實測應力分別為242.24，432.81MPa，邊坡變形導致錨桿應力明顯增長，2018年10月2日失效前錨桿應力為445.70MPa。
從圖4可知，2018年9月27日下午，多點位移計孑L口、距孔口3m、距孔口10m處位移分別為11.40，9.41mm和4.00mm;9月27日晚，該部位孔口、距孔口3m、距孔口10m處位移分別為49.40，34.96mm和4.00mm;2018年10月3日失效前該部位孔口、距孔口3m處位移分別為111.84mm和75.18mm。
從圖5可知，3號導流洞進口邊坡發生較大變形后，錨索測力計荷載分別增加279.89kN和197.58kN。2018年10月3日失效前錨索荷載為1624.20kN，次日上午錨索荷載為1437.91kN，超過設計荷載約50%。
為掌握邊坡表面變形發展情況，在已開挖邊坡及后緣覆蓋層邊坡布置5個外觀監測點，2018年9月28日至10月4日，外觀監測變形測點向臨空面方向變形測值在1.7-76.3mm之間，上下游方向變形測值在-112.0--11.2 mm之間，水平合位移在-11.3-135.5mm之間，沉降測值在6.0-113.8mm之間，表面變形不穩定。 3變形失穩機理
2018年10月4日，3號導流洞進口邊坡連續發生垮塌事件，垮塌順序與預測基本一致、垮塌范圍較預測偏大（見圖6-7），未對國道318公路通行及1號導流洞運行造成影響。由于監測提前預警、現場撤離及時，無人員傷亡及財產損失。
3.1破壞模式
根據前期地質資料分析，3號導流洞進口邊坡巖體中不存在控制邊坡穩定的軟弱結構面，邊坡整體穩定，局部塊體的穩定性主要受控于J1緩傾角裂隙和J3陡傾角裂隙。
3號導流洞軸線與地形線小角度相交，邊坡走向為N63°w，邊坡赤平投影分析見圖8。
從圖8可以看出，內側開挖邊坡J1與J2結構面組合可形成不利塊體，其交棱線傾向與坡面方向近正交，傾角29°，可能發生滑移拉裂變形失穩;J3裂隙與邊坡走向近一致，陡傾坡外，可能產生卸荷拉裂變形;進口邊坡地形陡峻，天然地應力較高，岸坡巖體向河谷臨空方向卸荷強烈;同時，邊坡上、下游分別發育一條較淺沖溝，3面臨空，利于巖體的卸荷拉裂變形，淺表部巖體卸荷松弛強烈，邊坡在該特定地質條件下以長大裂隙J3為后緣面發生變形破壞。
3.2影響因素
3號導流洞進口邊坡變形破壞是在特定的自然和地質環境條件下，由內、外因多種因素綜合作用下所產生的結果，具體分析如下。
?。?）內在原因。①高陡邊坡地形條件。自然邊坡坡度28°-35°，邊坡高度超過100m，邊坡臨空條件好。②不利岸坡地質結構。坡體內天然地應力較高，岸坡巖體向河谷臨空方向強烈卸荷，淺表部巖體卸荷松弛明顯，有利于雨水及地下水下滲，邊坡上、下游分別發育一條沖溝，坡面3面臨空，更利于巖體風化卸荷作用。③不利結構面組合。該段邊坡內主要發育3組裂隙，J3為順坡陡傾裂隙，Jl與J2結構面不利組合可形成潛在不穩定塊體，易發生滑移拉裂變形失穩;長大裂隙J3與邊坡走向近一致，陡傾坡外，易產生卸荷拉裂變形。
?。?）外在原因。①持續降雨的不利影響。降雨是誘發山體變形的重要因素，2017，2018年雨季降雨多，汛期l號導流洞分別達到20a、10a-遇洪水。受雨季持續降雨影響，地表水沿地表裂隙入滲，降低了巖體的物理力學強度，加之巖體吸水飽和，靜水壓力和動水壓力增大，使邊坡出現變形壓縮空間，加大了裂隙張開寬度，降低了坡體的穩定性。②邊坡開挖形成臨空面。邊坡巖體在自然條件下本身存在卸荷松弛現象，邊坡開挖會造成應力重新調整，產生傾向坡外的拉應力，使原本存在的卸荷裂隙進一步向外拉張，對邊坡穩定性造成不利影響。在暴雨、地震等外力作用下具備產生變形的條件，為坡體進一步變形創造條件。
4應急處理分析
4.1應急治理
邊坡垮塌后，建設管理單位組織參建各方制定垮塌體后緣潛在不穩定邊坡的安全監測方案，在上方公路內側邊坡增設13個變形監測點，經過持續7d的安全監測，各測點變形量很小，無明顯趨勢性變形。
由于3號導流洞后緣邊坡垮塌向上部延伸、擴展，導致通往左壩肩的15號公路路基垮塌。為確保影響范圍邊坡安全穩定，制定了“優先進行溝水引排、緊急處治15號路上邊坡、自上而下分期處治3號導流洞進口邊坡”的治理原則。
?。?）溝水治理。封閉3號導流洞進口邊坡上下游過水涵洞，用PVC管將下游側涵洞內流水匯集至國道飛水巖隧道進口排水溝，將上下游沖溝內流水集中引至上游側約100m處的涵洞內，避免沖溝內流水惡化垮塌體形成邊坡的穩定條件，造成次生災害的發生。
（2）邊坡治理。為確保飛水巖隧道的交通安全及15號路邊坡的穩定，針對3組主要控制性裂隙結構面，采取大噸位、長錨索主動支護措施，在高程2 512.7m、高程2 519.0m各設置一排錨索，長度分別為45m、60m，錨索間距4m，下排錨索俯角15°/18°交錯布置、上排錨索仰角15°/18°交錯布置，共計24根。
為確保路基內側基礎下邊坡的穩定，沿15號公路內側排水溝設一排抗剪錨筋束，長度18m，3Ф32，間距1.5m，內傾45°，共計33根。
4.2實施效果
建設管理單位組織對承包人編制的15號路邊坡應急治理施工方案進行評審，重點針對長錨索注漿、錨固段與自由段止漿、不良地質處理等施工工藝和錨索、錨筋束的施工程序、資源配置及進度安排進行討論，2018年12月15日已全部完成。
結合垮塌邊坡影響范圍的安全監測成果及現場巡視檢查情況，在保證安全的前提下，2018年10月15日正式啟動15號路邊坡應急治理施工，錨筋束、錨索施工實行平行作業，并重點針對錨索施工工序開展生產性試驗，合理安排鉆孔、下索、注漿、錨墩澆筑、錨索張拉和封錨等工序流程、作業時間，工期安排細化到天;結合孔內成像成果對局部錨索長度進行調整，及時糾正進度偏差。
目前已按原定計劃完成15號路應急搶險治理項目施工，第三方質量檢測成果表明錨索、錨筋束施工質量滿足設計及規范要求，保證了3號導流洞進口邊坡垮塌影響范圍內15號路邊坡及飛水巖隧道的通行安全。
4.3后續監測情況
2018年11月15日至12月18日，3號導流洞進口邊坡上部15號公路內側邊坡安裝埋設了4套錨索測力計，設計荷載均為2 000kN。
3號導流洞進口邊坡上部15號公路內側錨索測力計錨固力在1858.73-l 969.61kN之間，11月錨索測力計安裝后處于預應力調整階段，測值變化相對較大;12月以來錨索測力計錨固力變化較小，測值較為平穩，典型測點測值過程線見圖9。
5結語
四川雙江口水電站典型工程邊坡變形失穩前監測預警及時，從發現邊坡變形異常至出現垮塌僅7d時間。建設管理單位發揮主導作用，采取主動避讓措施，有效避免了人身傷亡和財產損失事故;結合邊坡垮塌影響范圍制定應急治理方案，依據安全監測成果分析，確定應急治理項目的施工時機，按計劃保質、保量完成施工，實施效果較好，且規避了次生災害發生的風險。
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