陡倾顺层岩质特高陡边坡立体加固方法及结构与流程

本工程涉及水利水电工程边坡防治领域，具体涉及一种陡倾顺层岩质特高陡边坡立体加固方法及结构。

背景技术：

1、我国西南地区河谷深切、岸坡陡峻，在这些地区建设水电枢纽工程，为了将枢纽建筑物合理布置在条件较好的建基面上，必不可少需要开挖岩质边坡，边坡稳定问题直接关系建筑物施工期及运行期安全性。

2、越来越多的工程实践表明，在高山峡谷地区开挖岩质高边坡，复杂构造条件下层状岩体高边坡稳定问题尤突出，因稳定控制不当造成的边坡失稳屡见不鲜。一方面，层状岩体高边坡受强烈构造影响，岩层产状、层面性状、岩层厚度、地层岩性变化大，由此导致边坡结构类型、岩体质量、软弱结构面等影响边坡稳定的控制因素复杂，边坡稳定控制难度大；另一方面，层状岩体边坡开挖施工期，边坡爆破损伤效应、开挖扰动效应及卸荷松弛效应与各种不利结构面组合变形、滑动崩塌失稳效应等全部叠加组合在一起，进一步复杂化了边坡开挖后应力变形场分布和边坡变形破坏模式，边坡安全有效、经济合理、方便施工的综合加固方案拟定难度大。

3、经调研，顺层岩质边坡是目前研究较多的一类边坡，也是发生问题最多、给工程建设造成危害最大的一类边坡。根据水电工程边坡设计规范(nb/t10512-2021)：在非结构面控制稳定条件下层状岩体顺向坡建议开挖坡比不大于层面坡度。纵多水利水电工程实践表明，为减小边坡开挖规模，同时满足水工建筑物布置需要，层状岩体顺向坡不可避免被切脚开挖，开挖坡比大于层面坡度，且坡脚边坡下部往往存在水工隧洞挖空扰动，进一步恶化了顺层岩质特高陡边坡的稳定条件，削弱了顺层边坡的稳定性。因此，为满足国家重大工程建设需要，十分有必要提出一种安全有效、经济合理的顺层岩质特高陡边坡综合加固方法，为同类工程边坡加固方案设计和施工提供参考。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种陡倾顺层岩质特高陡边坡加固方法及结构，以减小工程复杂扰动对边坡稳定的影响，有效增加边坡的稳定性。

2、为实现以上目的，本发明技术方案为：

3、陡倾顺层岩质特高陡边坡立体加固方法，包括以下步骤:

4、s1:根据陡倾顺层岩质边坡地形特征、地层分界、层面倾向和层面倾角，确定边坡总体地质概化模型，所述模型用于计算边坡上开挖的应力位移值；

5、将陡倾顺层岩质特高陡边坡划分为未切脚边坡区、切脚边坡区、洞室挖空区；所述未切脚边坡区是指开挖坡比小于或等于岩层层面倾角的顺层边坡区域，所述切脚边坡区是指开挖坡比大于岩层层面倾角的顺层边坡区域，所述的洞室挖空区是指隧洞开挖区域，洞室挖空区位于切脚边坡区域内；

6、s2:未切脚边坡区加固方案设计,未切脚边坡区加固方案设计包括在未切脚边坡区设置表层网喷、浅层锚杆、中层锁口锚筋桩、未切脚区预应力锚索,对未切角边坡区加固方案进行分析，如果未切角边坡区加固方案不合理，则更改未切脚边坡区加固方案，如果加固方案合理，则进行切脚边坡区加固方案设计；

7、s3：切脚边坡区加固方案设计，切脚边坡区加固方案设计包括被动及主动组合加固措施，被动加固措施包括在切脚边坡底部设置混凝土支撑墩，主动加固措施为在切脚边坡区设置切脚区预应力锚索；对切角边坡区加固方案进行分析，如果切角边坡区加固方案不合理，则更改切脚边坡区加固方案，如果加固方案合理，则进行洞室挖空区加固方案设计；

8、s4:洞室挖空区加固方案设计,洞室挖空区加固方案设计包括对洞室挖空区径向采用水平及竖向立体加固措施，水平加固措施包括在隧洞之间中隔墙内设置水平径向系统锚索，在隧洞顶部上方的边坡上设置竖直锚筋桩，对洞室挖空区加固方案进行分析，如果洞室挖空区加固方案不合理，则更改洞室挖空区加固方案，如果加固方案合理，则进行陡倾顺层岩质特高陡边坡加固；

9、s5：按照合理的未切脚边坡区加固方案对未切脚边坡区进行加固，未切脚边坡区加固完成后进行切脚边坡区的开挖，切脚边坡区开挖完成后按照合理的切脚边坡区加固方案进行切脚边坡区的加固，切脚边坡区加固完成后再进行隧洞挖空区的开挖，隧洞挖空区开挖完成后再按照合理的洞室挖空区加固方案进行洞室挖空区的加固。

10、进一步的是，所述s2步骤中对未切角边坡区加固方案进行分析，是将浅层锚杆、中层锁口锚筋桩以及未切脚区预应力锚索的数量，单根浅层锚杆、中层锁口锚筋桩以及未切脚区预应力锚索可承受的最大锚固力输入边坡总体地质概化模型，计算基于未切脚边坡区加固方案的条件下，边坡开挖产生的应力位移值；如果计算得到的应力位移值大于预先确定的边坡开挖允许应力位移最大值，则边坡稳定和变形不满足要求，未切角边坡区域加固方案不合理，需更改未切脚边坡区域加固方案，更改的加固方案包括增加浅层锚杆、中层锁口锚筋桩及未切脚区预应力锚索的数量或吨位，然后重新计算边坡开挖产生的应力位移值，直至计算得到的应力位移值小于预先确定的边坡开挖允许应力位移最大值；

11、如果计算得到的应力位移值小于预先确定的边坡开挖允许应力位移最大值，则边坡稳定和变形均满足要求，未切角边坡区域加固方案合理。

12、进一步的是，所述s3步骤中对切角边坡区域加固方案进行分析是基于未切角边坡区域加固方案以及基于切角边坡区域加固方案进行，将浅层锚杆、中层锁口锚筋桩、未切脚区预应力锚索、混凝土支撑墩、切脚区预应力锚索的数量，单根浅层锚杆、中层锁口锚筋桩、未切脚区预应力锚索、混凝土支撑墩以及切脚区预应力锚索可承受的最大锚固力输入边坡总体地质概化模型，计算基于未切脚边坡区加固方案以及切脚边坡区加固方案的条件下，边坡开挖产生的应力位移值；如果计算得到的应力位移值大于预先确定的边坡开挖允许应力位移最大值，则边坡稳定和变形不满足要求，切角边坡区域加固方案不合理，需更改切脚边坡区域加固方案，更改的加固方案包括增加切脚区预应力锚索的数量或吨位，然后重新计算边坡开挖产生的应力位移值，直至计算得到的应力位移值小于预先确定的边坡开挖允许应力位移最大值；

13、如果计算得到的应力位移值小于预先确定的边坡开挖允许应力位移最大值，则边坡稳定和变形均满足要求，切角边坡区域加固方案合理。

14、进一步的是，所述s4步骤中对洞室挖空区加固方案进行分析是基于未切角边坡区域加固方案、切角边坡区域加固方案、以及基于洞室挖空区加固方案进行，将浅层锚杆、中层锁口锚筋桩、未切脚区预应力锚索、混凝土支撑墩、切脚区预应力锚索、水平径向系统锚索、竖向锚筋桩的数量，单根浅层锚杆、中层锁口锚筋桩、未切脚区预应力锚索、混凝土支撑墩、切脚区预应力锚索、水平径向系统锚索、竖向锚筋桩可承受的最大锚固力输入边坡总体地质概化模型，计算基于未切脚边坡区加固方案、切脚边坡区加固方案、以及洞室挖空区加固方案的条件下，边坡洞室开挖将会发生的应力位移值；如果计算得到的应力位移值大于预先确定的边坡洞室开挖允许应力位移最大值，则边坡稳定和变形不满足要求，洞室挖空区加固方案不合理，需更改洞室挖空区加固方案，更改的加固方案包括增加水平径向系统锚索、竖向锚筋桩数量或吨位，然后重新计算边坡洞室开挖会发生的应力位移值，直至计算得到的应力位移值小于预先确定的边坡洞室开挖允许应力位移最大值；

15、如果计算得到的应力位移值小于预先确定的边坡洞室开挖允许应力位移最大值，则边坡稳定和变形均满足要求，即洞室挖空区加固方案合理。

16、一种所述的陡倾顺层岩质特高陡边坡立体加固方法进行陡倾顺层岩质特高陡边坡加固，所述的陡倾顺层岩质特高陡边坡包括未切脚边坡区、和洞室挖空区，其特征在于：还包括切脚边坡区，所述切脚边坡区的开挖坡比大于陡倾顺层岩质特高陡边坡岩层层面的坡比；切脚边坡区加固结构包括混凝土支撑墩及切脚区预应力锚索；混凝土支撑墩设置在切脚边坡底部，混凝土支撑墩紧贴相邻两个隧洞之间与隧洞洞口平行的隔墙表面设置，混凝土支撑墩底部宽度为切脚边坡高度乘以岩层坡比，底部长度为隧洞之间隔墙宽度，混凝土支撑墩高度为隧洞洞径的1.2倍；切脚边坡区除隧洞开挖区外的部位设置切脚区预应力锚索，切脚区预应力锚索为垂直于坡面的水平支护，切脚区预应力锚索插入边坡内，预应力锚索距离隧洞顶部一定距离。

17、进一步的是，所述洞室挖空区加固结构包括多根水平径向系统锚索及多根竖向锚筋桩；相邻两个隧洞之间的隔墙上设置多根水平径向系统锚索，每根水平径向系统锚索沿隔墙的宽度方向插入隔墙内，在隧洞之间的隔墙上设置多排水平径向系统锚索，多排水平径向系统锚索在隔墙上呈上下间隔设置，同一排的多根水平径向系统锚索在隔墙上沿隔墙的长度方向间隔设置，多根水平径向系统锚索在隔墙上沿隔墙长度方向覆盖范围的长度是两倍隧洞洞径；所述的竖向锚筋桩为平行于坡面的竖直支护，竖向锚筋桩位于靠近隧洞顶部的坡面上，竖向锚筋桩竖直插入隧洞顶部上方边坡上的钻孔内。

18、进一步的是，所述多根竖向锚筋桩在隧洞顶部上方的边坡上间隔设置，竖向锚筋桩设置在相邻的两个水平径向系统锚索之间，相邻的两个水平径向系统锚索之间间隔设置有多个竖向锚筋桩。

19、进一步的是，所述未切脚边坡区的加固结构包括浅层锚杆、中层锁口锚筋桩、未切脚区预应力锚索；浅层锚杆的长度短于中层锁口锚筋桩的长度，中层锁口锚筋桩的长度短于未切脚区预应力锚索的长度；相邻的两级边坡之间是平台，未切脚边坡区的每级边坡上可设置一排或多排浅层锚杆、及一排或多排中层锁口锚筋桩、以及一排或多排未切脚区预应力锚索；同一排的浅层锚杆水平间隔设置、同一排的中层锁口锚筋桩水平间隔设置、同一排的未切脚区预应力锚索水平间隔设置，每级边坡上的浅层锚杆、中层锁口锚筋桩、未切脚区预应力锚索上下间隔设置；浅层锚杆、锁口锚筋桩及未切脚区预应力锚索均穿过岩层层面插入边坡内，浅层锚杆、锁口锚筋桩及未切脚区预应力锚索为垂直于坡面的水平支护。

20、本发明有益效果是：

21、1.本发明采用对边坡岩体开挖及时进行补偿加固的原理，提出了边坡多维多层立体加固方法，解决了陡倾顺层岩质特高陡边坡的加固难题；通过对未切脚边坡区采用浅中深多层次加固措施，对切脚边坡区采用被动主动组合加固措施，对洞室挖空区采用水平竖向立体加固措施，实现了对边坡岩体开挖、岩层切脚和隧洞挖空作用的等效替换和补偿，保障了边坡的整体稳定。

22、2.本发明模拟边坡自上而下开挖过程，结合数值计算成果依次确定未切脚边坡区、切脚边坡区和洞室挖空区的加固措施，可保证各种不同区域支护措施各司其职，物尽其用，保障了不同区域支护措施支护参数的合理确定。

23、3.本发明切脚边坡区采用了主动支护和被动支护相结合的支护措施，在切脚边坡底部设置混凝土支撑墩和系统预应力锚索，不仅可以保障预应力锚索受力在安全范围内，也合理利用了隧洞出口建筑物之间的空间，有效增加了边坡的稳定性。

24、4.本发明洞室挖空区采用水平竖向立体加固措施，在隧洞顶部设置竖向锚筋桩，在隧洞之间隔墙设置水平径向系统锚索，最大限度的利用了保留岩体的强度，减少了隧洞挖空对边坡稳定的影响。