图1 进口边坡2000KN级双层保护锚索结构图
高广淳 翟才旺
摘 要 黄河小浪底水利枢纽进出口高边坡地质条件复杂，其稳定问题是本工程最具挑战性的课题之一。通过对
节理岩体抗剪强度的研究以及边坡稳定性的研究，采取了一些加固措施，取得了较好的效果，经过8年多的运行，边坡稳定性较好。
关键词 抗剪强度 稳定性 加固技术 边坡
小浪底水利枢纽进口高120m的边坡上，共布置15条大断面隧洞的进口，出口边坡上布置9条泄洪洞和正常溢洪道出口，最大泄量达17000m3/s。
进、出口高边坡地质条件复杂，地位重要，因而其稳定问题成为本工程最具挑战性的课题之一。
一、工程地质条件
1．进口边坡
进口边坡走向NE23°倾向NW，前缘宽约280m，开挖坡度为1:0.2。出露地层为三叠系下统T13～T15，其平 均饱和抗压强度大于60Mpa，岩层倾向下游，倾角8°～12°，属反向坡。该区发育四组节理中，走向10°～20°、倾向 NW及走向50°～60°、倾向NW，倾角80°以上的两组节理对进水塔后边坡的稳定起控制作用。
2．出口边坡
出口边坡出露地层主要为三叠系T16地层，其中软岩地层占61％。岩层倾向下游，开挖坡度为1：0.85，为顺向坡。出口边坡宽319m，F236(F238)断层及其分支断层在此交会并发生偏转，在 三个亚区中，以2、3号明流洞中心线之间的Ⅱ区边坡地质条件最差。在出口区发育的三组节理中，走向17°、倾向NWW、倾角71°的一组节理对边坡 的稳定起控制作用。
二、节理岩体抗剪强度的研究
1．节理岩体抗剪强度指标的确定
在小浪底工程中主要采用以下两种方法确定节理岩体的抗剪强度指标。
(1)以节理连通率为权值的岩体抗剪强度取值方法 按下式计算岩体的抗剪强度指标：
fi=α[fj·k+f0(1-k)],ci=b[cj·k+c0(1-k)]式中fi、ci为岩体的摩擦系数、凝聚力；fi、ci为节理面的摩擦系数、凝聚力;f0、c0为岩桥部分的摩擦系数、凝聚力；α、b为折减系数；k为节理的连通率。
考虑到岩体的破坏是在力的长期作用下的渐进过程，且抗剪强度指标中凝聚力会有很大的削弱，为此将求得的fi取其0.8倍，ci取其0.1倍作为建议值。
(2)用Hoek—Brown经验准则确定抗剪强度指标
上述两种方法求得的节理岩体的抗剪强度指标见表1。
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表1 各岩组岩体的抗剪强度指标 |
| 地层 | 以节理连能率为权值法 | Hoek-Brown经验法 | ||
| C（MPa) | φ(°) | C(MPa) | φ(°) | |
| T16-1 | - | - | 0.65 | 17.0 |
| T15-3 | 1.0 | 42.3 | 1.20 | 40.0 |
| T15-2 | 1.22 | 43.8 | 1.80 | 45.0 |
| T15-1 | 0.44 | 35.0 | 0.55 | 15.0 |
| T14 | 1.27 | 45.6 | 3.05 | 49.0 |
| T13-2 | 0.95 | 41.0 | 1.40 | 41.0 |
| T13-1 | 0.99 | 42.6 | 1.95 | 45.5 |
| T14剪切破碎带 | 0.10 | 35.0 | 0.55 | 15.0 |
2．泥化夹层抗剪强度的试验研究
(1)类型
按其泥化程度、颗粒组成和厚度变化，大致可分为五种类型：全泥型、泥夹角砾型、泥夹粉砂或粉砂夹泥型、 泥膜型、角砾夹泥型。
(2)抗剪强度试验研究
①中型剪固结快剪试验。试件尺寸20cmx20cm，试验成果见表2。
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表2 泥化夹层中型固结快剪试验成果 |
| 泥化夹层类型 | 试验组数 | 摩擦系数 | 凝聚力（MPa） | ||
| f(峰值） | f（残余） | c（峰值） | c（残余） | ||
| 全泥型 | 7 | 0.176～0.384（0.265） | 0.176～0.325（0.247） | 0.004～0.022（0.0136） | 0.004～0.025（0.013） |
| 泥夹角砾型 | 3 | 0.230～0.330（0.270） | 0.230～0.330（0.270） | （0.011） | （0.011） |
| 泥夹粉砂、粉砂夹泥型 | 5 | 0.194～0.488（0.357） | 0.194～0.435（0.332） | 0.005～0.014（0.0104） | 0.005～0.014（0.009） |
| 泥膜型 | 3 | 0.222～0.0496（0.349） | 0.141～0.420（0.299） | 0.002～0.014（0.010） | （0.0127） |
| 角砾夹泥型 | 2 | （0.350） | （0.304） | （0.0145） | （0.0145） |
| 注：括号内的数为平均值。 |
②中型剪固结慢剪试验。剪切速率0.02～0.002mm/min，使泥化夹层在剪切过程中充分排水，其试验成果为 T=0.0071+0.2580σ。
③现场大型直剪试验，，试件尺寸50cmx50cm、70cmx70cm，个别为100cmx100cm。试验结果为：饱和固结快剪，c=0，tgφ=0.19；饱和固结快剪，限制侧向膨胀，c=0.004MPa，tgφ=0.23；固结慢剪，c=0.005MPa，tgφ=0.25。
三、稳定性研究
1．设计标准
建筑物等级：I级。设计地震：施工期7度，水平地震加速度0.10g；运用期8度，水平地震加速度0.215g。抗滑 稳定最小安全系数标准见表3。
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表3 最小安全系数 |
| 工况（进口边坡/出口边坡） | 抗剪强度指标 | 抗剪断强度指标 |
| 正常运用/正常运用 | 1.30 | 3.0 |
| 非常运用/施工期 | 1.20 | 2.5 |
| 特殊运用/正常运用＋7级地震 | 1.10 | 2.3 |
2．破坏模式
(1)进口边坡
根据进口边坡出露地层岩性、岩层及节理裂隙产状判断，其可能的破坏模式有：NNE向节理与NW走向的 节理相互交切形成的分离体穿过软岩TlS-J或坡脚处T13-2塑性剪切区或“层间剪切破碎带”的切层滑动形式；局部 破碎岩体的崩塌和卸荷板裂。
(2)出口边坡
可能的破坏模式有：I、Ⅲ区边坡无断层通过，其破坏形式为以NNE向节理为后缘与岩层层面或泥化夹层组 成的顺层滑动；Ⅱ区边坡由于断层发育、岩体破碎，除以NNE向节理或断层为后缘的顺层滑动破坏外，另一种破坏形式为沿破碎岩体的圆弧滑动。
3．分析方法
进口边坡主要采用三种方法：用刚体极限平衡方法确定稳定安全系数和需要施加的锚固力；用非线性有限元法，分析整个边坡的应力、变形状态及塑性区的范围，据此确定加固的范围及锚索长度；按单一岩体(T15-1岩层为进口 边坡软岩含量最大的岩层)指标，用二维边界元法分析边坡内安全系数的分布情况，以验证加固设计的合理性。
出口边坡稳定分析主要采用两种方法。对于I、Ⅲ区边坡，主要为顺层滑动的失稳模式，故采用传统的刚体 极限平衡分析方法；Ⅱ区边坡为断层交会带，岩体破碎，采用改进的Sarma法和相应的EMU计算程序。出口边坡采用的计算参数如表4所列。
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表4 出口边坡采用的抗剪强度指标 |
| 抗剪强度指标 | 节理岩体 | 断层影响带 | 断层带 | 夹泥层 | 岩层层面 |
| C（MPa） | 0.05 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| φ(°) | 30.96 | 15.64 | 11.31 | 11.31 | 24.23 |
四、加固设计
1．进口边坡
系统砂浆锚杆：Φ32锚杆，长8～12m相间布置，间、排距均为3m。喷混凝土：210m高程以上喷钢纤维混凝土厚10cm，钢纤维含量60kg/m3，分三层施喷。垫层厚3cm，喷素混凝 土；中层喷钢纤维混凝土，厚4cm；面层喷素混凝土，厚3cm。钢纤维长度20～50mm，长径比25～100，抗拉强度 大于500MPa。210m高程以下喷素混凝土，厚10cm。 排水：210m高程以上布置0100的排水孔，间排距均为3m。孔深7～2m，并上仰10°。 预应力锚索：250m高程以上，为防止边坡岩体沿NNE一组节理的卸荷板裂，在不同部位布置600kN、800kN、1200kN、1500kN级锚索，锚索长度20～35m，锚索间、排距均为6m；250～210m高程间，该区位于边坡的腰部，1000kN级锚索长30m、35m相间布置，间、排距均为6m。250～230m高程间，采用全长黏结式锚索；230m高程以下采用一次 注浆的双层保护锚索。210m高程以下的坡脚部位，为隧洞进口区，位置重要，该区布设2000kN级双层保护锚索，锚索间、排距6～9m，长35～40m相间布置，锚索倾角大多数为上仰15°。
2．出口边坡
出口边坡的稳定，施工期主要是控制工况。
排水：在消力塘周边的边坡内115m高程布置一条贯通性排水隧洞，布设Φ100排水孔，孔深lO～15m。位于节理密集带、断层带内的排水孔内设 置组合过滤体。
挂网喷混凝土：喷混凝土厚0.1m，挂钢筋网为 Φ6，间距0.2mx0.2m。
系统砂浆锚杆：NNE向一组节理与岩层层面或泥化夹层组合，形成很多潜在的不稳定楔形体，为此设置Φ32、长10m、12m相间布置的系统砂浆锚杆，间距1.0～2.0m。
预应力锚索：采用锚索作为出口边坡的主要加固措施，出口边坡共布设2000kN、3000kN级双层保护预应力 锚索372根，锚索长35-55m，根据不稳定岩体条件，锚索方向下倾10°～25°。
抗滑桩：Ⅱ区边坡由于断层交会，岩体破碎，泥化夹层发育，岩层倾角由9°变为14°～21°，恶化了该区边坡的稳 定条件，虽布置了大吨位系统预应力锚索，但边坡的稳定仍处在临界状态。经综合分析比较，最终选定增加5根 抗滑桩，采用锚索和抗滑桩等综合加固措施。抗滑桩为2.0mx5.5m的椭圆形断面。
其他加固措施：①减载；②加大、 加高消力塘2号中隔墙上游端断面；③加强3号排沙洞出口洞段混凝土衬 砌的整体性，分块间加连接钢筋和键槽；④增加三道钢筋混凝土支挡墙，墙厚2m，墙顶高程165.0m；⑤用混凝土 盖板封闭坡顶170m高程平台等：
五、预应力锚索设计
1．技术标准
采用美国材料试验学会ASTMA416-87A标准，270级。每股钢绞线由7根φ5低松弛高强钢丝组成，公称直径15.24mm，单股钢绞线最小破断力260.7kN。
2．材料保证强度利用系数
进、出口边坡双层保护预应力锚索材料保证强度利用系数如表5所列。
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表5 材料强度利用系数 |
| 工程部位 | 设计荷载（kN） | 钢绞线股数 | 材料强度利用率（%） |
| 进口边坡 | 1000 | 7 | 54.8 |
| 2000 | 14 | 54.8 | |
| 出口边坡 | 2000 | 12 | 63.9 |
| 3000 | 19 | 60.6 |
3．内锚固段长度设计
内锚固段长度由以下三个条件确定：①保证水泥凝固体不沿孔壁产生剪切破坏；②保证水泥凝固体与钢绞 线有足够的握裹力；③对双层保护锚索，PVC波纹管内、外壁与水泥凝固体不产生剪切破坏。
满足上述三个条件裸露的钢绞线长度分别为L1、L2、L3，并取其大者。Li由下式计算
Li=kP/πdici (ij=1,2,3)
上式中k为安全系数，取2.0；P为锚索的最大张拉荷载；di为计算直径，对于钢绞线di=n·d，n为钢绞线股数，d为钢绞线的公称直径；ci为黏结力，对于砂岩、黏土岩，c1=1.0MPa；水泥凝固体与钢绞线，c2=2.0MPa；水泥凝固体与PVC波纹管，c3=5.0MPa。
进、出口边坡双层保护锚索内锚固段长度、钻孔直径详见表6。
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表6 双层保护锚索施工参数 |
| 工程部位 | 设计工作荷载（KN） | 最大张拉荷载（KN） | 钻孔直径（mm） | 波纹管直径（mm) | 内锚固段长度（m) | |
| 内 径 | 外 径 | |||||
| 进口边坡 | 1000 | 1250 | 150 | 8.00 | ||
| 2000 | 2500 | 180 | 103 | 117 | 10.00 | |
| 出口边坡 | 2000 | 2500 | 180 | 103 | 117 | 10.00 |
| 3000 | 3750 | 220 | 114 | 125 | 12.00 | |
双层保护预应力锚索的结构见图1。
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图1 进口边坡2000KN级双层保护锚索结构图 |
六、结 语
小浪底水利枢纽进出口高边坡投入运用已有8年多时间，自1999年10月25日下闸蓄水运用以来也已经历4年多的时间，根据埋设在进出口高边坡上的多点位移计、锚索测力计、测斜管及外部变形观测等观测设备的观测 结果显示，边坡运行状态良好，并经过2003年秋汛高水位运用的考验。
(作者单位：黄河勘测规划设计有限公司，高广淳为教授级高级工程师，翟才旺为高级工程师)
责任编辑 韦凤年