长河坝水电站坝肩边坡稳定性研究

左雷高, 刘永波, 江 波

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都 610072)

1 概 述

长河坝水电站所在区域为扬子准地台西缘与松潘-甘孜造山带结合部,坝区紧靠区域金汤弧形断裂和南北向构造昌昌断裂带交汇处西南部。长期的构造作用以及与之相伴随的岩浆作用、变质作用,形成了该处具有高山峡谷区特有的地形、地貌和地质条件,因此,对高边坡稳定性研究要求更高。

影响工程高边坡稳定性的因素很多,如何科学合理的评价高边坡的稳定性已成为工程设计及研究人员关注的重点。笔者结合长河坝水电站左右岸坝肩边坡结构面、地应力、风化卸荷分布特征对高边坡稳定性的影响进行了多方面的深入研究。

2 边坡基本地质条件

2.1 地形地貌

坝轴线附近河谷相对开阔,呈较宽的“V”型,两岸自然边坡陡峻,临江坡高 700 m左右,左岸1 590 m高程以下坡角一般为 60°～65°,1 590 m高程以上坡角一般为 40°～45°;右岸 1 660 m高程以下坡角一般为 60°～65°,1 660 m高程以上坡角一般为 35°～40°。

2.2 地层岩性

坝址区出露岩体为一套晋宁期——澄江期的侵入岩,岩性以花岗岩 (γ 2(4))、石英闪长岩(δ02

(3))为主。坝址区右岸大致以 1 660 m高程为界,以下为浅灰色、灰白色块状中粒黑云母花岗岩,以上为灰色石英闪长岩;左岸以浅灰色、灰白色块状花岗岩为主,夹少量灰色石英闪长岩和深灰色辉长岩团块。坝轴线地质剖面见图 1。

图 1 坝轴线地质剖面图

2.3 地质构造

该区岩石变质浅、透入性片理极弱、褶皱不明显为断裂构造发育的三大基本特征。断裂构造以小断层、长大原 ～次生节理为主,具有规律性好、组数多、分布广泛等特征,坝肩边坡主要为受多组裂隙切割形成的块状结构。

坝区未发现有区域性断层通过,右坝肩主要为 F0、F9断层(Ⅲ级结构面、倾向坡内);边坡中裂隙较发育,以 J 2(顺坡陡倾裂隙,延伸上百米)、J 5(倾坡内偏上游的陡倾裂隙,平直,间距 10～20 m)、J 1(顺坡微偏下游缓倾角裂隙,平直,间距 1～2 m)、J 9(倾坡内偏上游缓倾角裂隙)组最为发育(Ⅴ级结构面),J 1组裂隙延伸长大,尤其在下部高程,对边坡的稳定性起着重要的控制作用。

左坝肩边坡裂隙以 J 3(为倾坡外偏上游的中陡倾角裂隙)、J 1(倾坡内偏下游缓倾角裂隙)、J 5(为倾坡外偏上游陡倾角裂隙)组最为发育,J 3组可以小断层(f 21、f 24)或密集带的形式发育,为左坝肩最发育的裂隙;J 2组裂隙在中上部边坡部位发育,密度相对较大,间距 2 m左右,下部相对稀疏,间距达 5～10 m;J 4组裂隙发育的相对稀疏,但常以密集带形式产出;边坡中断层不发育,主要在左坝肩发育一条 N E向的 f21断层,为左坝肩边坡主要的控制性结构面。

2.4 风化卸荷

坝区岩石致密坚硬,抗风化能力强,风化作用主要沿裂隙进行,岩体风化微弱,浅表部位总体为弱风化,局部挤压断层破碎带或裂隙密集带往往局部风化较强而形成夹层风化;岩体风化随高程降低而有所减弱;岩体卸荷促进岩体风化的加剧,岸坡岩体风化程度随卸荷作用的增强而有所增强;在有地下水活动处岩石风化亦相对较强。该区河谷深切,谷坡陡峻,天然地应力较高,河谷强烈下切导致谷坡临空方向较强烈。岩体卸荷作用主要沿顺坡向中陡倾角裂隙进行,在裂隙密集部位卸荷明显,其卸荷强度一般随水平深度增加而减弱。弱风化上段(强卸荷)一般为 30 m左右,弱风化下段(弱卸荷)水平深度为 52～63 m。

2.5 地应力

在两岸平洞勘探中,洞壁偶见片帮剥离现象,最大主应力 σ1方向大致为 N 60°～80°W,倾角为-20°～ -54.98°,最大主应力 σ1量级为 16 ～ 32 M P a,属中等 ～高应力区,随水平埋深的不同,应力值在中等 ～高应力值之间有所变化。

3 边坡稳定性分析研究

3.1 定性分析判断

右坝肩边坡的稳定性主要受 J 1组倾坡外的中缓倾角长大裂隙控制,形成潜在底滑面,以 J 2组中陡倾角顺坡裂隙为后缘切割面、加之近 E W向的 J 4、J 5组裂隙的切割,在边坡上形成台阶状的地貌形态。

心墙开挖边坡以花岗岩为主,裂隙较发育,延伸较长,右岸优势方位以 J 5、J 1、J 9组最为发育,J 4组裂隙主要发育于 F 0以上高程,J 2组裂隙发育相对较稀疏。赤平投影分析表明,结构面组合可构成 A O、B O、C O三种不利组合的交棱线(图 2),其倾角分别为 37°、13°、16°,倾向坡外 ;后两者较平缓,低于结构面的内摩擦角,稳定性较好;前者倾角中陡,加之后缘 J 1陡倾角结构面的切割,块体稳定性差。边坡整体稳定,局部存在不稳定块体。结构面产状见表 1。

表 1 结构面产状表

图 2 右岸坝肩赤平投影图

利用赤平投影(图 3)对左坝肩边坡的稳定性进行分析后得知,其主要受 J 2组裂隙形成的中缓倾坡内的板裂结构面发生倾倒,并以 J 3组裂隙为滑移面,J 2组裂隙为后缘拉裂面,J 4组裂隙构成侧向切割面产生倾倒-滑移变形。此外,J 2组裂隙或小断层发生旋转滑移拉裂破坏,其中旋转拉裂面主要追踪 J 4组裂隙发育。边坡局部的块体破坏主要有滑移拉裂型。此外,可见以 J 1组裂隙为顶部割裂面、J 3组裂隙为滑移面及 J 4组裂隙为侧裂面的滑落型式破坏。

左岸边坡虽发育有小断层(f 21、f 24),但断层规模较小,且心墙开挖边坡范围内断层埋藏较深,不构成影响边坡稳定的控制性结构面。

心墙开挖边坡以花岗岩为主,裂隙较发育,延伸较长,整体稳定性较好,局部存在不稳定块体,其结构面产状见表 2。

表 2 结构面产状表

图 3 左岸坝肩赤平投影图

3.2 稳定性计算

3.2.1 刚体平衡计算

右坝肩主要以 J 1组结构面为底滑面,以 J 2(J 7)为后缘拉裂面可能的组合进行建模。计算分别考虑:天然状况,K=1.4～1.9≥1.25,安全;暴雨状况,K=1.2～1.9≥1.15,安全;地震状况 ,K=0.98～1.7≥1.05,安全;地震 +暴雨状况,K=0.87～1.7≥1.05,安全等四种工况下进行计算。计算结果表明,边坡在天然或暴雨情况下均处于稳定 ～基本稳定状态,仅在地震或地震 +暴雨的最不利工况下处于失稳状态。右坝肩开挖边坡坝轴线各种组合在天然或暴雨工况下,其稳定性系数均大于 1。安全性评价表明,边坡可能滑移拉裂块体在天然和暴雨情况下均处于安全状态;在地震工况下,一些块体处于不安全状态。左坝肩主要以 f 21、强卸荷线及变形强烈的 J 3组缓倾角裂隙作底滑面,以与 J 2组裂隙同组的软弱结构面、长大裂隙以及各平硐变形强烈的陡倾拉裂缝作后缘拉裂面可能的组合进行建模。计算分别考虑:天然状况,K=1.4～1.9≥1.25,安全;暴雨状况,K=1.4～1.8≥1.15,安全;地震状况,K=1.2～1.5≥1.05,安全;地震 +暴雨状况,K=1.1～1.5≥1.05,安全等四种工况下进行计算,计算结果表明,边坡总体处于稳定状态。

3.2.2 二维有限元分析

取坝轴线剖面进行二维有限元计算。概化地质模型见图 4。边坡开挖后,左坝肩边坡的破坏区域较小,坡面的破坏接近度 η＜0.75,坡体内 4条断层的破坏区域都已贯通,但在坡面揭露的f 20、f 22、f 17都陡倾坡内,f 21断层未在临空面出露,故边坡的稳定性受断层影响较小。该剖面处左侧坝肩边坡的稳定性较高,断层及缓倾裂隙未造成坡体的失稳,边坡保持基本稳定状态。

图 4 开挖后的边坡破坏区域色谱图

边坡开挖后,右坝肩边坡的坡体较破碎,尤其是在陡缓裂隙交界处有较大的破坏区域,但破坏区域并未完全贯通形成滑面;F 9、F 0断层在坡面出露部位以及坡体深部有破坏区域产生,尽管该破坏区域并未贯通,但边坡的安全裕度不大,故该部位坡体处于潜在不稳定状态。

3.2.3 局部边坡的稳定性分析

两岸坝肩岩质边坡由花岗岩或闪长岩组成,岩石致密坚硬较完整,整体稳定。但由于谷坡地形较陡,该区属于中高应力区,表部岩体卸荷强烈、弱风化,裂隙发育,长大,组数多,局部发育小断层及小挤压带,因此,通过对不利裂隙组合进行计算以了解随机块体的稳定性。左、右坝肩边坡计算成果见表 1、2。

表 1 右坝肩工程边坡随机块体稳定性计算结果表

表 2 左坝肩工程边坡随机块体稳定性计算结果表

由上述计算结果可以看出,右、左坝肩在边坡开挖过程中因结构面间的相互组合构成局部块体,易于形成楔形体或平面滑移拉裂块体破坏。

4 结 语

(1)从宏观地质角度分析,定性判断左右岸坝肩边坡整体处于稳定状态,利用赤平投影分析得知其存在结构面的不利组合,局部边坡稳定性差;

(2)利用刚体平衡计算分析,左坝肩在各种工况下均处于稳定状态,局部存在不稳定块体;右坝肩在天然或暴雨情况下均处于稳定 ～基本稳定状态,在地震或地震加暴雨的最不利工况下稳定性系数较小,处于潜在不稳定 ～极限平衡状态,在地震工况下,一些块体处于不安全状态。

(3)经过二维有限元分析,左坝肩边坡处于基本稳定状态;右坝肩开挖后局部存在潜在的不稳定块体。

(4)左、右岸坝肩边坡总体上处于基本稳定～稳定状态,局部存在不稳定块体。因此,在工程建设进展中,对控制边坡稳定的结构面建议采取相应的工程处理措施,以确保施工安全。

[1] 宋胜武,巩满福,雷承第.峡谷地区水电工程高边坡的稳定性研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(2):227-234.