如何保证水电站进水口施工安全和工程安全——边坡稳定性分析和控制

邦朗水电站进水口明渠最大高度约85m，长约280m，底宽约40m，坡角约77°，轴线方向为NE40.50°～NE65.50°。岩性有花岗岩、千枚岩、花岗片麻岩三大类，基岩主要为中粗粒花岗岩，风化强烈，局部胶结较差，节理裂隙较发育，覆盖层较厚，由残积土夹花岗岩块石组成，强风化厚4～5m，经过结构面组合的稳定性分析，边坡稳定受结构面控制，表现为块体组合局部失稳。因此，一方面电站进水口岩石较差，节理裂隙较发育，预裂爆破效果不好，另一方面又属高边坡开挖，施工较为困难。预裂爆破后壁面的平整度可能较差，局部有削坡的可能。电站进水口明渠作为工程的永久建筑物，位置较为重要。

4.1　水电站进水口明渠部位节理裂隙

水电站进水口明渠部位主要发育有三组节理裂隙：

（1）平均走向NW54°，倾向SW，倾角40°，主要为片状节理。

（2）平均走向NE77°，倾向NW或SE，倾角80°。

（3）平均走向NW9°，倾向NE，倾角76°。

4.2　基础地质参数

进水口明渠边坡的基础地质参数为：岩石比重λ=2.6t/m3，节理内摩擦角：φ=65°，节理黏聚力（黏结强度）C=0，地震加速度a=0.25g。

4.3　进水口明渠轴线与三组主要节理的关系

爆破开挖后，从工程的施工地质方面考虑，边坡稳定性条件主要取决于软弱面的临界倾角、软弱面间的内摩擦角的大小以及节理裂隙的产状跟边坡轴线、边坡的相互关系。软弱面是产生大量塌方或顺层滑坡的主要因素。

（1）进水口明渠轴线与三组主要节理走向夹角的关系见表2。

表2　进水口明渠轴线与三组主要节理走向夹角的关系

注 1.α—节理倾角；δ—节理走向与明渠轴线的交角；αk—临界倾角（指在一定条件下不会引起滑动的最大倾角）。
2.稳定性判断：若αk＜α，边坡不稳定；若αk=α，边坡处于临界状态；若αk＞α，边坡稳定。
3.如果岩层破碎，有软弱区，且岩层倾角在15°～50°范围内，岩层的走向与开挖面坡面走向的夹角小于40°的情况，根据一般经验，边坡有断裂的潜在危险，绝大部分可能失稳。

（2）三组节理的倾角与节理内摩擦角的关系见表3。

表3　三组节理的倾角与节理内摩擦角的关系

4.4　稳定系数

根据公式F=防止滑坡的总力/引起滑坡的总力，在勘测设计报告的稳定性分析中，结论是以楔形块滑动破坏方式为主，不计地震力时，东边坡稳定系数F=3.5，西边坡稳定系数F=4.4；计入地震力时（a=0.25g），东边坡稳定系数F＇=1.7，西边坡稳定系数F＇=2.2。因此，在选择上述基础地质参数、边界条件、软弱面抗剪指标等条件下，引渠两侧边墙的稳定安全系数是足够的。

在不考虑地震加速度及三组主要节理的相互组合的情况下，进水口明渠三组单一结构面的岩质斜坡力学计算公式为：

由于c=0，则公式简化为：F=tanφ/tanα。

式中　G——滑动体重量；

　　　α——滑动面倾角；

　　　l——滑动面长度；

　　　φ、c——滑动面上的内摩擦角与内聚力。

单一结构面F计算表见表4。

表4　单一结构面F计算表

注 F=1.0时，极限平衡状态；F＞1.0，边坡稳定；F＜1.0时，边坡不稳定。

4.5　破坏模式及滑动方向的判断

（1）破坏模式的判断。

图1　明渠轴线NE65.5°方向赤平投影图

说明：1.赤平投影图中OOAB、OO＇AB、OOAC、OOBC、OO＇BC为两组软弱面的交线，OA、OB、OB＇、OC为A、B（有两个倾向）、C三组软弱面的倾向线。
2.OPV、OPB分别为两边墙的倾向线。
3.该赤平投影为边墙走向NE65.5°的下半球投影（依照挪威投影方法）。

1）某一地质不连续面的走向与坡面的走向交角小于22.5°，且倾角小于坡面倾角时，则会产生单滑面破坏模式。

2）Makland试验准则。如果两条地质不连续面的交线倾角小于在该相交线方向上的坡面倾角时，则会发生楔形块滑动破坏模式，但如果两个地质不连续面中的任何一个的倾角在坡面倾角和相交线倾角之间，则会在两地质不连续面中倾角较大的一个发生平面滑动破坏模式。据此，根据三组节理面相互组合沿软弱面的滑动方向的赤平投影（见图1和图2，挪威投影方法）可做出如下破坏模式的判断：

平面滑动破坏模式为水电站进水口边坡的破坏为平面滑动破坏模式，滑裂面为C组节理面；B组节理与坡面走向（NE 65.50°时）交角小于22.5°，节理倾角接近坡面倾角，因此，两边墙还有潜在的平面滑动破坏模式，滑裂面为B组节理面。(www.xing528.com)

楔形块滑动破坏模式为由A、B组节理组成的楔形滑动块破坏模式，以及由B、C组节理成的楔形滑动块破坏模式。

（2）滑动方向的判断。在赤平投影中，按软弱面的产状，标出它们的倾向线及软弱面的交线：①若交线在两倾向线之间，则交线为滑动面；②若交线在两倾向线之外，则当中一条倾向线为滑动方向；③若交线与一根倾向线重合，则该倾向线即为滑动方向。因此，图1、图2中的OOAC、OOBC、、OB都是潜在的滑动方向。

图2　明渠轴线NE40.5°方向赤平投影图

说明：1.赤平投影图中OOAB、OO＇AB、OOAC、OOBC、OO＇BC为两组软弱面的交线，OA、OB、OB＇、OC为A、B（有两个倾向）、C三组软弱面的倾向线。
2.OPV、OPB分别为两边墙的倾向线。
3.该赤平投影为边墙走向NE40.5°的下半球投影（依照挪威投影方法）。

4.6　开挖措施

从以上水电站进水口边坡稳定性分析来看，水电站进水口的边坡是不稳定的，边坡破坏滑动模式主要以平面滑动破坏模式和楔形块滑动破坏模式为主要表现形式。因此，为了确保水电站进水口施工安全和工程安全，必须在边坡稳定性分析的基础上，判明影响边坡稳定的主导因素，对边坡变形破坏形式和原因做出判断，制订可行的开挖措施并加强边坡变形观测。在开挖边坡时建议采用如下开挖措施：

（1）尽量改善边坡的稳定性。拦截地表水和排除地下水，防止边坡稳定恶化。可在边坡变形区以外开挖截水沟，变形区以内开挖排水沟，拦截和排除地表水，同时采用喷浆、勾缝、覆盖等方式保护坡体不受渗水的侵害。对于地下水的排除，需根据岩体结构特征和水文地质条件，采用倾向坡脚的倾角为10°～15°的排水孔进行排水。

（2）对于不稳定边坡开挖，必须先作稳定处理，然后再进行开挖。尽量避免雨季施工，力争一次处理完毕。雨季施工应采用临时封闭措施，做好稳定性观测和预报工作。

（3）按照“先坡面、后坡脚”自上而下的开挖程序施工，并限制坡比。开挖时，注意不切断层面或棱线，不使滑体悬空而失去支撑作用。坡高应尽量控制到不涉及有害软弱面及不稳定岩体。

（4）控制爆破规模，应不使爆破震动附加动荷载使边坡失稳。为避免造成过多的爆破裂隙，开挖邻近最终边坡时，应采用预裂、光面爆破，必要时改用小炮、风镐或人工撬挖。

4.7　水电站进水口地质条件对预裂爆破的影响

岩石越完整均匀，则越有利于预裂爆破；反之，在爆破作用下，会首先沿结构面张开，扩大岩石的破坏范围。岩石的裂隙发育程度和裂隙的主要方向对预裂爆破效果影响较大，走向平行于预裂缝比横穿过预裂缝的裂隙对预裂爆破的影响要小，与预裂线平面交叉成锐角的裂隙，最有可能促使壁面不平整和超挖。因此，根据地质情况，在确定预裂孔孔距时，建议应考虑岩石裂隙密度和主要裂隙的产状，对孔距进行修正。提高预裂面的平整度，以缓冲、反射开挖爆破的震动波，控制其对保留岩体的破坏影响，三组主要节理裂隙在平面上的走向见图3。

4.8　不稳定边坡变形的简易观测

由于水电站进水口渠属于高边坡开挖，边坡高度大于50 m，根据上述施工地质工程稳定性的分析，部分边坡可能有或局部有不利的结构面。再则，水电站进水口作为工程的主要建筑物，洞脸及明渠开挖结束后，还有其他工作要在下部施工。因此，建议在开挖期间一方面要及时、适时支护跟进，另一方面要加强边坡变形观测，监视已开挖边坡的稳定情况和变形破坏的发展情况，预测发展动向，做险情预报，防止事故发生，为加强边坡稳定支护提供正确及时的施工地质资料。在观测条件不具备时，建议对明渠边坡的岩块进行稳定性简易跟踪观测。

图3　三组主要节理在平面上走向及边坡射线观测布置的示意图

说明：1.图中阴影部分为类似的三组节理组合后潜在的锲型滑块，其余未示。
2.图中B组节理有两个倾向，在两边墙分别采用最不利的组合倾向。

（1）观测目的。为施工开挖提供施工地质资料，补充地质勘探调查资料；监视边坡变形破坏发展情况，预测发展动向，做险情预报，防止事故发生；观测已开挖边坡的稳定情况。

（2）观测范围。岩体变形包括水平位移和垂直位移，按施工现场条件和进水口明渠的实际情况，观测范围为：①小范围整体岩体的滑动；②局部岩体失稳；③单独结构的节理裂隙和张开裂隙观测；④大范围内岩体滑动监测（射线网观测方法）。

（3）观测方法。采用简易观测方法和大地射线网测量的观测方法。

1）明渠边坡变形的简易观测。

a.设置标桩：在动体或张开裂缝部位与不动体部分各设两组或几组标桩，每两组大致成四边形。标桩可用钢钎打入地下或插锚筋布设。通过钢尺丈量水平位移，水准测量高程变化。

b.设置刻度板：在动体和不动体上，顺滑动方向布设带有刻度相互垂直、密贴的两板，定期量测高程和水平位移值。

c.设置玻璃片：横跨裂隙两侧使用水泥砂浆埋设玻璃片，观测玻璃片是否错断及错开的距离和方向。

d.设置混凝土墩，使用垂球观测：在不动体上设桩，动体上设混凝土墩，使用垂球量测位移量。

2）明渠边坡变形的射线网观测方法。根据实际地形和施工地质条件，以及边坡稳定性分析结果，在边坡上呈三角形布设S1～S6六个观测点，见图3，从TP4（电站控制网测点）定期或不定期进行观测，见图4。

图4　射线网边坡变形观测法示意图

说明：1.从TP4定期或不定期观测布设在边坡上的观测点S（X，Y，Z）。
2.根据测点的任两次观测值S（X1，Y1，Z1）、S（X2，Y2，Z2），计算岩块的水平和垂直位移及滑移方向，即ΔX=X2-X1；ΔY=Y2-Y1；ΔH=Z2-Z1；tanα=ΔX/ΔY；L=
3.布设观测点时根据现场实际情况调整，该图仅为观测方法的原理示意图。

4.9　不稳定边坡的处理

（1）由于水电站进水口发育三组节理，节理面普遍张开，充填泥屑和滑石、黏土，局部岩石破碎。边坡稳定受岩体结构控制，表现为不利节理组合，导致岩体失稳，因此，为保证边坡的稳定，应加强监测，及时进行加强喷锚支护。

（2）水电站进水口边坡高度超过50m，属高边坡开挖，且覆盖层较厚，全、强风化层3～5m厚，因此，建议应选择适合的开挖边坡，局部可能要削坡，并注意对边坡排水，防止地表水冲刷、浸泡，降低岩石强度，导致不利节理组合的岩块倒塌失稳。

（3）根据岩石和节理组合分布情况，设计合理的边坡开挖爆破，施工时，应严格采用预裂爆破，以减少对边坡围岩的过大扰动和破坏，保持边坡围岩的稳定。