某水电站坝前右岸拉裂变形体稳定性分析

况磊强,杨晓娟,费文平,陈科文,崔华丽

(四川大学 水利水电学院,成都 610065)

1 概 述

拉裂变形体(简称拉裂体)是指边坡在自重应力和构造应力的复合应力场下快速卸荷引起的岩体浅表层改造,形成卸荷松动岩体[1]。拉裂体是一类特殊的危岩体,具有明显拉裂变形、节理松动、岩体架空特征,是我国西南峡谷地区工程建设所要面临的一种复杂的工程地质和岩土工程问题[2]。作为一种特殊的地质分离体,其稳定评价方法尚不成熟。表1列出了我国部分已建或在建水电站出现拉裂变形体的工程,拉裂体边坡的稳定性研究具有重要的工程意义。本文采用极限平衡法和监测手段,以某水电站坝前右岸拉裂变形体的一个断面为研究对象,对施工期稳定性进行探讨,以期为其他类似工程作借鉴。

表1 我国已建或在建水电站出现拉裂变形体的工程Table 1 Tension-fracture deformations in rockmass appearing in hydropower stations in China

2 工程简介

某水电站最大坝高为186 m,水库正常蓄水位850.00 m,水库总库容53.37亿m3,电站装机总容量3 300 MW。

坝前右岸拉裂变形体,位于右岸坝轴线上游约780 m左右。如图1所示,拉裂体前缘高程约为730.00 m,后缘高程约为1 187.00 m,前后缘平面长约400 m,宽约360 m,高差 450 m。

图1 拉裂体平面图Fig.1 Plane view of the tension-fracture rock mass

该变形体为一凸出的山包,两侧有深 10～35 m浅沟切割。岸坡坡度在高程980.00 m以下近 50°,高程980.00 m以上近 40°。拉裂体岸坡出露地层主要为中前震旦系浅变质玄武岩和震旦系下统中基性火山岩,夹多层凝灰质砂砾岩。坡体内构造发育,共揭露断层、错动带 93条,主要发育方向为顺层挤压性质的北西向中陡倾坡内(SW倾向)结构面和顺坡北西走向的陡、中、缓倾坡外(NE倾向)结构面。岩体以弱风化为主,岩体卸荷、松弛较强烈,岩体强卸荷深一般为30～60 m,最深约70 m;弱卸荷一般为65～90m,最深约100m。卸荷、松弛岩体中局部充填次生泥和次生泥膜。

该变形体规模巨大,距大坝较近,位置较高,所处位置敏感,其破坏方式、稳定状况、发展趋势直接影响着施工期导流洞、上游围堰以及电站运行期间厂房进水口和大坝的安全。

3 拉裂体边坡稳定性计算

本文首先利用二维极限平衡法对边坡的稳定性进行了分析,计算程序采用通用商业软件 GEOSLOPE公司开发的SLOPE/W。以图1中纵 1-1断面为例,采取滑面搜索的方法确定最危险滑动面的范围及边界条件。天然状态下最终确定的滑动面如图2所示。分别计算了加固前后天然蓄水、正常蓄水、正常蓄水 +水位骤降 3种工况下的稳定性。其中治理后模拟边坡加锚索措施,采用搜索滑动面粗略计算,Morgenstern-Price法计算边坡的安全系数如表2所示。

图2 最危险滑面位置Fig.2 Location of the most dangerous sliding surface

表2 拉裂体的安全系数(M-P法)Table 2 Safety factor of the tension-fracture rock mass

由表2可知,若不进行加固,工程边坡安全系数较小,蓄水后更加不能满足规范允许安全系数,加固后安全系数均在1.25以上,能满足要求。

4 安全监测与稳定性分析

4.1 监测仪器布置

监测以内、外观并重的原则,并充分利用已有的平硐。如图1所示,监测变形设计的项目包括:地表三维变形测量,在已有水平勘探硐进行测斜及水平位移观测等。另外,在新纵 1-1、新纵 2-2、新纵 6-6剖面设有 4个垂直孔 BZK01～04,用做垂直测斜。

以纵 1-1剖面为监测纵剖面为例,自上而下分别在硐 7、硐 11、硐 6和硐 9四个勘探水平硐内,沿硐轴线水平布置测斜导管,管外安装磁感应环,采用滑动测微计观测沿硐轴线方向(即左右岸方向)的水平变形。垂直测斜孔 BZK01用来测左右岸坡方向和上下游方向变形。外观观测点 T03,T07,T11可以对该部位不同高程进行三维变形观测,T13可用以检测外侧坡体的稳定性(工作基点设在河对岸)。

测斜仪是一种量测仪器轴线与铅垂线之间夹角变化量的仪器[3],通过量测变化量进而计算出岩土层各点的水平位移。测斜仪套管一般安装在近似垂直的钻孔内,钻孔需预料可能发生位移的区域,套管的底部嵌入稳定的基岩作为基准。滑动测微计是一种手提式高精度变形测量仪器,用以测定钻孔中相距 1m的两点间的位移差,也可以说是一种手提式应变计,它能准确地测定钻孔轴向的应变分布规律[4]。邓建辉等[5]利用滑动测微计监测数据对边坡稳定性进行分析,取得了较好的效果。

4.2 安全监测成果分析

以纵 1-1剖面(监测布置见图1)为例,外观观测点T03、垂直测斜孔 BZK01的测斜仪IN1、11#水平探硐的滑动测微计INH3的监测成果曲线分别见图3至图5。T03在该断面的中上部,其测点高程981.781 m;BZK01孔测斜仪深49 m,其孔口在拉裂体后缘部位;滑动测微计安装在拉裂体中部位置,孔口高程861.748 m。其中,外观观测以 2008年6月13日取得基准值,变形基点设在对岸的相对不动点,x向指上下游方向,向下游为正,y向指左右岸方向,向临空面(河中心)为正,z向指垂直方向,以下沉为正。测斜仪以 49 m孔深处为基准,合位移指 A向位移(左右岸方向)、B向位移(上下游方向)的有向和。滑动测微计 INH3以98.5 m深孔底当做基准点,累计位移从孔底开始,以每1.0 m套管相对变形累加。

图3 外部变形观测点T03各向变形曲线Fig.3 Curves of the outer deformation at measuring point T 03

图4 测斜仪 IN1累计合位移-深度关系曲线Fig.4 Relation curves of accumulatively resultant displacement versus depth obtained by the inclinometer IN1

图5 滑动测微计INH3孔深-累计位移曲线Fig.5 Relation curves of accumulatively resultant displacement versus depth obtained by the sliding micrometer INH3

监测成果表明,拉裂体边坡变形主要以左右岸方向为主,可能存在一个滑动带。

由图3可知,外观测量点 T03向临空面位移达到79.56mm,三向合位移81.14mm,可以看出,变形主要以左右岸方向为主。

由图4可知,IN1孔口累计位移70.46mm。从测斜孔孔口到孔底深度范围可分为4段:第1段为孔口至孔深5.5m段,处于覆盖层表面,存在一定变形;第2段为孔深5.5～15.5 m段,各点位移基本一致,近乎一直线,5.5 m处累计位移为55.86 m,15.5 m处累计位移为53.30mm;第3段为孔深15.5～23.5 m段,各点变形成一个斜率很小的线,该段变形占总体变形72.9%,是边坡变形的主要部分;第4段为孔深23.5 m至孔底段,各点位移在0附近近乎成一垂线,各点与初始安装时无变形。

由图5可知,INH3到 2009年4月孔口累计位移23.5mm,孔深62.5～63.5 m段错动变形量为7.3mm,占总变形的30.9%,在2008年12月该段变形占总变形的比例曾最高达到48.5%。除该段外,各段变形都较小,直线斜率不变,变形一致。

变形呈现出以下规律:①变形均表现为向河中心方向的正位移,并以该方向为主要变形方向;②拉裂体顶部高程变形量大于底部变形,表3是不同高程孔口累计(合)变形量值,728.97 m高程 9#探硐孔口变形量最小,为1.50mm,最大变形量为外观点T03为79.56mm;③拉裂体地质条件相对薄弱处变形是变形的主要部分,如 IN1的孔深15.5～23.5 m段,INH3的62.5～63.5 m段,这些部位均处岩体变化处(见图6)。

表3 纵 1-1断面部分监测点变形量统计表Table 3 Displacements of monitoring points at section 1-1

图6 可能滑动面示意图Fig.6 Layout sketch of a possible sliding surface

4.3 可能滑动面分析及滑动趋势分析

由图4和图5可知,测斜孔 BZK01存在一个距孔口约20 m、深约8 m的破碎带,11#探硐在深 63 m处也存在一个宽小于1 m的薄弱层,将两孔出现位错的大概位置连接,形成的可能滑面 1如图6所示。

从图6中可以看出,可能滑动面 1基本与强卸荷下限重合,可以推断可能滑动面 1即为强卸荷下限。BZK01的“错动带”跨越卸荷松动体和弱卸荷下限,11#探硐 “错动带”的规模、错动距离都比BZK01孔的“错动带”要小很多,卸荷松动体线推断为可能滑动面 2。

鉴于拉裂体的重要性,而拉裂体地质较为破碎,从开工到 2008年8月,该处发生多次局部浅表部位拉裂滑塌失稳现象[6],2008年6-12月对拉裂体进行了大规模加固措施。治理主要措施兼顾浅部和深部,采用锚索、锚筋束和锚杆相结合的综合治理措施,表面喷有混凝土,坡脚锁固区采用贴坡混凝土和锚索加固。此外,处理工作还包括清坡、排水、裂缝回填等。

图7为IN1孔深15.5～23.5 m合位错以及滑动测微计INH3孔深62.5～63.5 m水平向错动的时间曲线。

图7 “错动带”的错动-时间曲线Fig.7 Relation curves of fracture zone's displacement-time

由图可知,2个测点的变化趋势相似,从开始观测到 2008年12月,曲线的斜率基本保持不变,表明错动一直处于发展过程中。进入加固处理的后期,边坡错动的速率明显趋缓。例如,IN1测斜孔和位错速率 2008年3月达到14.7mm/月,到 2009年4月降到0.9mm/月,滑动测微计 INH3错动速率观测初期为1.0mm/月,到 2009年4月降到0.1mm/月。随着边坡处理的逐步结束,变形速率明显趋缓,变形基本收敛,施工期的拉裂体边坡趋于稳定。

上述分析表明:锚索、锚杆和锚筋束以及坡脚外加混凝土贴坡的方法对拉裂体的加固是有效的。

5 结 论

本文采用数值计算与现场监测相结合的方法,结合地质资料,对某水电站坝前右岸拉裂变形体的稳定性进行了分析与评价。主要结论如下:

(1)拉裂体边坡在二维极限平衡分析中通过滑面搜索技术,在正常蓄水位 +水位骤降工况下边坡的安全系数为1.071,需进行加固设计;加固后计算安全系数为1.407,满足要求。

(2)该拉裂变形体顶部高程变形较大,“破碎带”错动是变形的主要原因,顶高程 BZK01测斜孔和中高程 11#探硐的“破碎带”变形占变形的总比例分别达到72.9%和30.9%。

(3)随着加固的逐步结束,边坡变形基本收敛,表明本工程加固合理到位,通过该工程研究与分析,可为今后其他类似工程施工提供重要参考和借鉴。

(4)在边坡的运行和治理过程中,现场监测是一项非常必要的施工控制技术,有效监测数据能较好地反映当前边坡的运行状态,不仅对支护加固效果做较好的监测,还能对施工起到较好的指导作用。

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