谈高水位变幅区防护工程设计

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摘要：象鼻岭防护工程是白鹤滩库区安置居民点的关键性工程，伴随着我国水电建设在西部地区的有序推进，高水位大变幅区移民安置造地工程将逐步增多，象鼻岭防护工程是此类工程的典型案例。本文通过介绍、总结象鼻岭居民点防护工程在设计、施工中的重难点，以期为同类型项目提供借鉴与指导。

关键词：高水位变幅区；白鹤滩库区；防护工程；边坡稳定

东川区沿金沙江和小江区域山高坡陡，可用于白鹤滩水电站移民安置的场地很少；勘察设计单位开展了多次居民点选址工作，受小江断裂带、岸坡稳定、滑坡等地质条件影响，大多不适宜用于移民安置。象鼻岭位于东川、巧家、会泽、会东两省四市四县交界处，区域社会经济条件较好，移民就地安置诉求强烈。该区域现状为临河台地，地表类型多为耕地及冲沟，坡面较为平缓。该工程建成后，将长期处于水位大变幅状态，是相关工程设计实践的典型案例。基于此，本文结合工程设计、施工过程中遇到的问题、难点，对该工程设计进行解析。

一、工程概述

1．基本情况象鼻岭防护工程位于金沙江与小江间象鼻岭台地处，位于金沙江右岸。工程范围为金东大桥桥头位置的狭长地带，包括堤防工程和场地回填工程：堤线从象鼻岭南端高程827.5m的边坡处起始，向北沿金沙江侧布置约700m，然后转至小江侧，沿小江侧向南延伸约685m后与现状827.5m高程地形衔接。防护堤全长约1.44km；内侧场地填高，围地面积约151亩。区位示意图如图1所示。 

2．地形地质条件格勒台地呈长条形展布，台面高程770~820m，地形平缓，坡度3~5°，原状分布有较多耕地和民房。台地西侧为金沙江，东侧为小江。根据地勘资料，混合碎石土大范围地分布于整个台地下部，大于6cm粒径的颗粒含量大于80%，厚度较深，为该区域的基础岩层。金沙江侧高程755~800m表部分布块石，层厚约6~10.5m。原台地顶中部靠小江侧分布约3.5~7.8m厚粉土质砾，呈从南往北逐渐变薄特征。小江侧高程约780m以下及场地东侧临金沙江岸780~790m台地表部分布粗砂层，厚度约为3.30~12.55m。此外，在小江侧防护堤轴线末端凹槽处，分布原金东大桥开挖弃渣，由碎石混合土、粉土质砾等组成，厚度约为35m。

3．工程总体布置金沙江侧堤型采用斜坡式，在原山坡的基础上，堤身采用砂砾石填筑，迎水面820m高程以下坡度约为1：1.9；790m高程以上坡度1：2.5~1：3。堤顶宽度8m（路面宽度6.75m）。坡面采用50cm厚碎石垫层+预制混凝土块型式防护，路面外侧坡面垂直7.5m范围内采用植草护坡，坡面每隔10m设置马道，马道宽3m，坡脚采用混凝土垫层+现浇C20混凝土大方脚+坡脚排水沟+干砌块石处理。场坪区采用砂砾石料分层碾压填平至建筑场平所需的826~829m高程，作为移民安置建设用地。小江侧堤型采用复合式，堤顶宽度8m（路面宽度6.75m），XL0+790.81-XL1+289.48段在原地形基础上设不高于7.5mC20混凝土挡墙防护，场坪顶部以1：2.5自然放坡至挡墙顶。路面外侧至挡墙顶部边坡，坡面垂直7.5m范围内采用植草护坡，余下坡面采用50cm厚碎石垫层+水工连锁砌块型式防护。810m高程以下采用碎石垫层+预制砼块进行防护，坡度1：1.7~3.0。坡脚采用碎石垫层+现浇C20砼大方脚+干砌块石处理。

二、设计施工重难点

1．高水位大变幅条件白鹤滩水电站水库正常运行过程中，库水位会随着季节、调度要求进行变化。水库建成后，象鼻岭段正常条件下水位变幅区间为765.00~825.17m，变幅区间达60余米。若不加以防护措施，居民点边坡土体将受到江水浸泡、风浪、航运波浪冲击、水流剥蚀、搬运及干湿交替等因素的影响[1]。岸坡表层的堆积体流失、库水位大幅变动引起岸坡岩土体孔隙水压力的变化，从而产生剥蚀、崩塌、滑移等再造变形。岸坡下部掏空卸荷，上部岩土体的自身影响下诱发边坡滑坡，影响边坡内工程的稳定安全。

2．小江侧砂层在施工的过程中，小江侧南部765~790m高程边坡开挖至设计断面后，局部出现揭露地层与原地勘地层不符现象。该片区局部区域粗砂层厚于原勘测厚度，且覆盖深度较深。由于砂土湿化后强度将大幅降低，对含砂层堆积体边坡稳定性十分不利[2-3]。需对该区域进行处理及优化，防止蓄水后因土层湿化强度变低导致的局部小边坡滑移及因冲刷导致的坡底基础掏空。3．料源级配变化工程填筑过程中，料场出现部分开挖料不满足原设计级配要求。因投资造价原因，附近难以寻找合理的同等体量料场，需要对填筑区域及填筑方式进行优化处理。

三、重难点解决方案

1．防护堤结构设计（1）堤型初步设计综合场地地质特征、料场料源、工程经济性等因素，以及工程场址处空间开阔情况，是否对堤型布置构成限制性条件，金沙江侧采用土石混合堤作为设计堤型，小江侧采用上部混凝土挡墙、下部放缓坡的复合式作为设计堤型。具体形式介绍见上文工程总体布置章节，布置如图2所示。（2）渗透稳定计算通过地质工程设计分析软件GeoStudio2012中SEEP/W模块对以上设计成果不利断面边坡稳定性进行复核计算。参考典型断面，建立渗透模型如图3所示。考虑三种工况，即稳定渗流工况、洪水期骤降工况、枯水期水位消落工况，计算工况成果如表1所示。根据计算结果可知，所选断面在三个工况下两侧迎水坡的渗透坡降均小于相应的允许坡降，满足规范要求。（3）边坡稳定计算通过地质工程设计分析软件GeoStudio2012中Slope/W模块对以上设计成果几个不利断面边坡稳定性进行复核计算。本次计算分6种工况进行考虑，分别如表3所示。 堤防稳定分析采用摩根斯坦（MP）法，得到最小安全系数如表4所示。从计算结果可以得知，该堤防设计形式在各工况下均满足最小稳定安全系数，符合设计规范要求，边坡整体稳定性较好。

2．砂层处理参考地勘建议，同时考虑投资及施工工期，最终采取开挖换填的方式，对局部区域表部粗砂层区域进行处理。具体处理方法为：坡面垂直开挖至碎石混合土层深度小于3m时，分段开挖至碎石混合土层。采用料场料源（砂砾料）进行分层换填，并对回填料进行分层碾压。坡面垂直开挖3m仍未挖至碎石混合土层时，分段开挖3m后不再进行开挖。在开挖面上部铺设反滤土工布后采用料场料源进行分层换填，并对换填部位进行分层碾压。此外，在工程收尾阶段，将对小江侧坡脚位置采用弃土进行填土反压处理，以增强坡底的稳定性。经过上述处理后，区域内表层粗砂得到清理，深层粗砂因土工布反滤不易流失得到控制。处理完后的地层经过建模带入GeoStudio中进行验算，各工况下均满足最小稳定安全系数，保证了局部边坡的稳定。

3．料源分区填筑针对填筑料不满足原设计级配要求问题，采用复核料源强度、分区填筑、提高碾压标准三方面进行解决。复核料源强度方面，选取了2个料场共计14组料进行室内实验，统计了各组料密度、自然休止角、含泥量、渗透系数、颗粒级配等信息，计算其平均值后，选择了最接均值的4组料（1#、2#料场各两组）进行现场直剪试验[4-5]。得到C、Φ等参数代入原模型中进行计算。综合现场实验数据及模型模拟结果，将料场料源分为I类料与II类料。其中I类料指料源C≥5KPa，φ≥36°且满足级配良好的填筑料；II类料指不满足I类料参数要求，同时φ≥32°，小于5mm粒径百分比小于35%，小于0.075mm粒径百分比小于5%的料源。将填筑区域以堤顶道路内侧边线为界，外侧（护坡区域）定义为I类料填筑区，内侧（居民建房区域）为II类料填筑区，分别用两类料对区域进行填筑，如图7~8所示。碾压标准方面将原要求中的碾压设备由20t提高至36t，碾压遍数由6遍提至8遍，相对密度要求由0.80提高至0.85，降低因级配与原设计不符带来的不利因素影响。

四、结语

象鼻岭防护工程是东川区为解决因白鹤滩库区蓄水后移民问题建造的关键性工程，对于解决移民安置难题具有重要的意义。伴随着我国水电建设在西部地区的有序推进，此类高水位大变幅区移民安置造地工程将逐步增多。本文通过介绍、总结象鼻岭居民点防护工程在设计、施工中的重难点，以期为同类型项目提供借鉴与指导。

参考文献

[1]岳永峰，罗延婷，李伟.东庄水库黄土岸坡的塌岸预测方法研究[J].资源环境与工程，2013，27（4）：398-400.

[2]陈亮，巨能攀，赵建军.水位骤降条件下含砂层堆积体边坡稳定性分析[J].中国地质灾害与防治学报，2013，24（1）.

[3]姬永尚，陈晓，赵宇飞等.F9断层遇水软化对高边坡稳定性的影响分析[J].水利科技与经济，2015，21（12）：31-35.

[4]刘斯宏，肖贡元，杨建州等.宜兴抽水蓄能电站上库堆石料的新型现场直剪试验[J].岩土工程学报，2004，26（6）：772-776.

[5]汗雷，刘斯宏，陈振文等.某水电站坝址河床覆盖层大型原位直剪试验[J].水电能源科学，2014，32（1）：122-124.

作者：杨接平黄韬幸梁月英单位：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司