新型防护系统在坪头水电站高陡边坡支护设计中的应用

朱 江，曹 煜，庞明亮

(1.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065；2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

FSS系统是一种开放式新型轻型柔性防护系统，较传统的全坡面防护方法可降低工程造价、施工简单、防岩崩效果好、材料性能稳定，同时又增添了景观的美感，所以目前被推广在高边坡上使用。

2 FSS系统设计

2.1 设计方案比选

假设根据地貌特征和地质构造分析，山体整体稳定，可选择传统挂网喷锚支护、锚索支护等支护方式。挂网喷锚支护属于封闭式的蛋壳型结构刚性防护。对危石用锚杆支护，主动加固围岩，发挥围岩的自支承能力，但对危石无法向压力作用，且无整体承载能力，也无法植被，难免破坏生态环境。而锚索支护是对岩体的深层加固措施，对大面积、浅层次危岩的加固，锚索数量大、间距小，将使造孔、灌浆工作量大，费用高，工期长，并且锚索间距过小不利于发挥群锚效应。而FSS系统能适应各种地形条件，不破坏坡面植被生长条件，也不会增大坡面荷载，有利于坡体稳定，是新一代SNS边坡柔性安全防护。

2.2 参数计算与分析

被动支护是为了防止边坡高处危石带来的威胁。假设危石体积V，危石密度ρ，则危石质量m=ρV；坡面对危石的动摩擦系数取μ，山体坡度θ，

势能计算公式：E势=mgh

(1)

(2)

E=E势-W

(3)

E=ET+EA(ET=mV2/2,EA=Iω2)

(4)

ET=E/1.2(经验公式)

(5)

根据上述计算结果,确定危石的动能ET,它是确定FSS系统量级的重要参数。确定系统高度也是非常重要的，但它与量级无关，与危石弹跳的速度和弹跳的角度有关。弹跳高度H：

H=V2sin2θ/2g

(6)

其中：V≤(2gh)1/2(h为危石落差)

由上式可见，为了尽量减小危石的弹跳高度，避免危石在弹跳时翻越拦截系统，应适量削去坡体凸出部分。系统应选择安装在地形平坦、靠山上方的斜坡角度小、落石动量少、落差高度小、弹跳高度低的位置或者安置在危石抛物线轨迹起始部位。

若山体十分陡峻，有局部集中的危石群，选用主动支护较为理想。为了确定该区的主动柔性防护的具体方案，假设危石的体积V、密度ρ、质量m，该危石与山体接触，有较大的裂隙和裂缝且部分悬空，随时有下坠的可能。为阻止危石下滑有两个措施：一是增大山体对危石的阻力；二是使用钢绳网增大对危石的下滑阻力。具体措施之一为：在危石局部悬空处填充混凝土，混凝土的胶结力增大了危石的下滑阻力，也增大危石与山体的接触面积。危石与山体有效接触面越大，危石越稳定。危石的重心垂线落在接触面内，危石稳定的可靠度提高。计算公式为：

F阻=μ1(P+mgcosθ)+μ2P

(7)

式中μ1——危石与山体的摩擦系数；

μ2——钢绳网与危石的摩擦系数；

P——钢绳网对危石的法向总压力。

由上式可知：μ1增大，F阻亦增大。增大μ1的办法是用水泥砂浆填充危石与山体间的缝隙。当摩擦阻力不足以阻止危石下滑时，需要钢绳网对危石施加上拉力。这个上拉力需要上拉锚杆来实现，增加危石的上拉锚杆，以增加固住危石的上拉力F拉。

F拉=mgsinθ-μ1(P+mgcosθ)-μ2P

(8)

上拉锚杆数

n=F拉÷F抗或上拉锚杆数n=F拉÷F剪

(9)

式中F抗——锚杆的抗拔力；

F剪——锚杆的抗剪力。

计算结果中取大值。

当坡度θ=90°为极限状态时，山体表面呈垂直状，固住危石需要的上拉锚杆数量计算如下：

F拉=mgsinθ-(μ1+μ2)P

需要的上拉锚杆数

n=F拉÷F抗或上拉锚杆数n=F拉÷F剪

计算结果中取两者的大值。

3 实例分析

3.1 工程地质条件

坪头水电站尾水洞出口的尾水渠边坡从开挖高程575.00m至坡顶高程800.00m，边坡防护高度为225m，水平长度约为90m。

坪头尾水渠边坡地形地貌为峭壁、陡坡及两条槽谷，槽谷之间为一凸出的山梁。地形坡度，底部坡角约68°，顶部坡角约35°。高程575.00～666.00m为岩石边坡，多由砂板岩构成，山体陡峭，岩石裸露，地貌结构十分复杂。岩层节理裂缝纵横交错，边坡岩体中存在N65°～70°E/SE∠35°～40°和N50°～60°E/NW∠55°～65°两组裂隙，这两组裂隙发育非常充分，裂隙张开3～10cm。上述裂隙组合，可形成楔形不稳定块体，沿边坡上游S59°W方向偏山外7°滑动。由于年生日久，岩体不断风化导致岩体十分破碎。危块体积0.01～4m3左右的危石到处可见。典型的巨大危块如“老虎头”危石体积3m3。高程666.00以上边坡为土石混合边坡，岩块随时都有滑动的可能，并且山体十分陡峭，危石一般高出建筑物顶部几十米甚至百余米，势能巨大。

据推测，尾水渠边坡可能有边坡上部岩体滑动破坏、边坡下部岩体卸荷拉裂破坏和崩塌破坏等形式。岩体滑动破坏主要分布于高程666.00～800.00m以上。该范围内的边坡由土石组成，面层为覆盖层，岩块随时都有滑动的可能，危石一旦受自然冲力波击，即产生滑动。特别是大雨季节，岩块受地表水冲击而滑落，滑落的危石动能巨大，将严重影响电站尾水洞口后续工程的施工。卸荷拉裂破坏主要分布在高程602.00～666.00m之间的岩石边坡上，由于该部位有一凸出的山梁，三面临空岩体充分卸荷，张拉裂缝数量较多，一般短小的长1～2m，张开宽度1～2cm，局部较长的长度10～20m，张开宽度5～10cm；崩塌破坏主要分布在高程602.00～666.00m之间的岩质边坡，由于昼夜的温差作用及雨水不断侵蚀，岩石风化产生剥落崩塌破坏，岩石随时可能塌落。

3.2 设计选型

根据尾水洞洞口上部边坡高程666.00m至顶部覆盖层的地质纵剖面测量数据，覆盖层落差在80m左右。由于高程666.00m以上边坡为土夹石混合边坡且有缓冲地带，具有安装被动柔性防护的地形条件，同时该区浮石较小，分布较广，从经济、环保考虑选用柔性被动防护也较为理想。设计选定对顶部土石边坡的处理，现场取顶部最高处一危石作为研究对象，危石体积V约0.401m3，危石密度ρ=2 700kg/m3，则危石质量m=1 083kg。假设FSS被动柔性防护系统安装在666.00m高程处，危石的拦截落差h=74m，坡面对危石的动摩擦系数取μ=0.3，山体坡度取θ=45°，则

势能计算公式：

选择能级为500kJ的被动柔性安全防护系统“FSS-PD-500”来抗衡458.32kJ的危石动能。在高程666.00m，设置一道高5m、长50m、能级为500kJ的“FSS-PD-500”被动柔性安全防护系统。综合各因素，系统具体位置设置在高程666.00m处。对尾水洞洞口高边坡被动拦截的高度应适当增高，确定系统高度以5m为宜。

因为高程602.00～661.00m范围内的山体十分陡峻，且有局部集中的危石群，故选用主动支护。以“老虎头”危石为例进行受力分析，提出具体的FSS支护方案。“老虎头”危石的体积V约3m3，密度ρ=2 700kg/m3，质量m=8 100kg。

F阻=μ1(P+mgcosθ)+μ2P
F拉=mgsinθ-μ1(P+mgcosθ)-μ2P

取θ=60°(实际坡度θ<60°)

μ1=μ2=0.4
mgsinθ=68.745(kN)
P=S×I=23.08(kN)
F拉=34.403(kN)

其中S=5.77m2，I一般在4～5.5kN范围内，取I=4kN，上拉锚杆数n=F拉÷F抗或n=F拉÷F剪(F抗为锚杆的抗拔力，F剪为锚杆的剪切力，假定F剪或F抗=50kN)，经计算可得n=0.688(根)，增大3倍安全系数，上拉锚杆数取为2根。

当坡度θ=90°处于极限状态时，山体表面呈垂直状，固住“老虎头”危石需要的上拉锚杆数量为：

F拉=mgsinθ-(μ1+μ2)P=60.91(kN)

需要的上拉锚杆数n=F拉÷F抗=1.22(根)。

增大3倍安全系数，上拉锚杆数取为4根。

根据计算结果并结合实践经验，作如下补充：网格加密，菱形网孔边长为25cm，提高了钢绳网的强度；锚杆变密，锚杆数量增加11%，提升了整体承载能力。在山体凹腔及危石群处增设锚杆，使柔性网紧贴山体表面，提升了整体法向压力。在山体上沿，增加人字形布置的上拉锚杆，提升了对危石的上拉力。对于危石加固，应采用水泥砂浆填充大裂隙、混凝土填补危石局部悬空处。对个别大裂缝处，可用片石嵌入。

FSS主动防护是具有整体承载力的支护，钢绳网的法向压力，使处于临界状态的危石向非临界状态转化，阻止了危石势能的释放而处于稳定状态,避免了临界状态的危石在地震或地表水冲击作用下崩落。最终在高程从602.00～666.00m、面积约2 500m2范围内采用“FSS-JG-250-G”柔性主动安全防护系统。

3.3 现场布置与施工方法

确定采用FSS系统设计方案后，将该边坡分成两个防护区，高程从661.00～740.00m范围内为被动防护区(简称A区)；高程从602.00～661.00m范围内为主动防护区(左侧为B1区，右侧为B2区)。

被动柔性防护网为环型网，环型网采用直径φ3mm、强度大于1 770MPa的高强度、高韧性的钢丝。钢丝为锌铝合金镀层，盘结数圈成环相互套接而成，编织成长10m、高5m的环型网，防护能量为拦击撞击能量750kJ以内的落石。钢柱采用Ι16热扎工字钢，柱高5m，钢柱间距10m，钢柱采用3层特殊工艺防腐涂层。钢结构基座尺寸28cm×45cm，为铰链结构形式，钢基座下为混凝土基础，基础尺寸80cm×80cm×60cm，钢筋φ16，C20混凝土浇筑。被动柔性防护网布置见图1。

主动柔性防护网为双层网，即钢丝绳网和钢丝格栅，网块形状为4m×4m正方形。钢丝网的钢丝绳直径为8mm，抗拉强度不小于1 770MPa，并采用AB级的热镀锌防腐处理。钢丝格栅网的网孔为菱形，边长为25cm，采用直径φ2.2mm钢丝，抗拉强度不小于350MPa。边坡设置了较为完善的由表及里的排水系统，在边坡周边设置截水沟及坡面排水孔，以有效阻止山坡流水进入防护范围之内，坡面设置排水孔以排除防护层坡体内的渗水。在边坡护坡加固的同时，在边坡的不同高程设置多点位移计进行变形检测。主动柔性防护网布置见图2。

4 结束语

坪头电站在尾水洞边坡安装的FSS系统于2008年完成。目前该边坡变形受到有效的控制，无危岩滑移剥落等不良情况，保障了工程的安全。由于边坡危石受力较复杂，目前理论计算不完善，本文计算中没考虑地震、水流等影响因素，其影响有待进一步研究。

图1 被动柔性防护网布置示意

图2 主动柔性防护网布置