长河坝水电站枢纽区环境边坡勘察设计

2016-02-07 03:20胡金山曹建平刘永波
水力发电 2016年10期
关键词:极差确定性危险源

胡金山,曹建平,刘永波

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川成都610072)



长河坝水电站枢纽区环境边坡勘察设计

胡金山,曹建平,刘永波

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川成都610072)

结合环境边坡危岩体研究的最新科研成果,论述了长河坝水电站环境边坡的勘察、稳定性评价与防治方法,建立了长河坝水电站环境边坡危岩体稳定性评价标准,基于危害性的危岩体防治原则,为环境边坡危岩体的勘察与防治积累了宝贵的工程经验。

环境边坡;危岩体;稳定性评价;防治方法;长河坝水电站

0 引 言

环境边坡的勘察有别于主体工程勘察,一般以地质调查和定性分析为主,目前无统一的标准,评价成果依赖于地质人员的工程经验,随意性较大[1- 3]。近年来,中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司联合成都理工大学、中国地质大学(武汉)和四川大学等高校开展了以“水电水利工程环境边坡危岩体勘察关键技术研究”为课题的科技项目研究,为环境边坡危岩体勘察与防治提供了理论支撑。

笔者结合环境边坡危岩体研究的最新科研成果,论述了长河坝水电站环境边坡的勘察、稳定性评价与防治方法,建立了长河坝水电站环境边坡危岩体稳定性评价标准,基于危害性的危岩体防治原则,为环境边坡危岩体的勘察与防治积累了宝贵的工程经验。

1 基本地质条件

长河坝水电站所处地形为典型的高山峡谷地貌,边坡高陡,工程区左、右岸坡基岩多裸露,植被差,岩体裂隙较发育,卸荷较强烈。工程边坡开口线以上至第一级谷肩的环境边坡高达700~800 m,浅表部发育有较多可能失稳塌落的危险源,分布范围较广,对施工及运行安全影响大。

电站枢纽区出露一套晋宁期~澄江期侵入岩,以花岗岩、石英闪长岩为主,均为坚硬岩。岩石致密坚硬,抗风化能力强,风化作用主要沿裂隙进行,岩体浅表部弱风化,强风化岩体不发育。枢纽区无区域性断裂通过,地质构造以次级小断层、挤压破碎带、裂隙(裂隙密集带)、岩脉(石英岩脉、辉绿岩脉)为特征。枢纽区河谷深切,谷坡陡峻,天然地应力较高,河谷强烈下切导致谷坡向临空方向产生较强烈的卸荷。

2 环境边坡危岩体发育特征

长河坝水电站枢纽区的环境边坡主要包括左右岸坝肩、电站进水口、尾水洞出口、泄洪洞进出口等部位的环境边坡,不同工程部位环境边坡危岩体发育特征不尽相同。根据成因、变形模式、工程地质性状,将环境边坡危险源分为危石及危石群、危岩体、松动岩带、孤石及孤石群、冻融风化块碎石层等。按规模可分为特大型、大型、中型、小型[4]。环境边坡危险源类型见表1。

表1 环境边坡危险源类型

危险源类型定义备注危石及危石群 斜坡上被多组不利结构面切割,在重力、地震或其他外力作用下易脱离母体或离开原位,从斜坡以坠落、滑落、弹跳、滚动等方式顺坡向下剧烈快速运动的地质体。其体积一般在数m3以内,大者可达数十m3,为小型危岩体 a类为不利组合条件完备的确定性块体 b类为不利组合条件较完备的半确定性块体 c类为不利组合条件不完备的不确定性块体危岩体 同危石,但规模较大,体积从数百m3到数万m3不等—松动岩带 强卸荷岩体表部具有明显侧向拉张的松动岩体,多形成空腔 多沿山脊成带分布孤石及孤石群 已遭受崩塌作用,暂时稳定在斜坡上的块石 多零星分布于崩坡积堆积层表部冻融风化块碎石 岩体节理裂隙发育,表部在冻融风化作用下破碎解体 主要分布在右坝肩1900m高程以上的斜坡,与古冰期冻融风化作用有关

2.1 左岸坝肩

环境边坡地形较陡,多为45°~55°,基本上以分布高程为1 745~1 760 m的金康施工便道为界。便道以上的自然边坡植被较发育,危险源发育程度较低,但仍有危石及危岩体等危险源;便道以下危石、危岩体分布较广,并有松动岩带等危险源分布。心墙开挖边坡上、下游侧自然边坡为较单薄山脊,表部岩体松弛破碎,局部受顺坡裂隙控制形成危岩体,稳定性极差。总体上,危险源分布高程为1 500~1 825 m,以危石为主,少量为危岩体。共发育有20个危石集中区、5个危岩体集中区、1个松动岩带。其中,危石部分或全部脱离母岩,稳定性差~极差,以半确定性~确定性为主;危岩体以中~大型为主,多分布在地形陡竣的岩壁上,稳定性多极差。

2.2 右岸坝肩

在笔架沟下游的“凸”形岩质岸坡上,植被总体稀疏。稳定性主要受J1组顺倾坡外的中缓倾角长大裂隙控制,形成潜在底滑面,在边坡上形成台阶状地貌。坡度整体变化不大,但在约1 630、1 720 m和1 800 m高程有较明显的平台或缓坡地貌(坡度30°左右);平台之间为基岩陡壁,坡度一般为50°~70°。表部岩体卸荷强烈,裂隙较发育,局部发育小断层,危石分布较多,局部形成危岩体;在山脊处多形成厚约10 m的松动岩带,在1 900 m高程以上有2处小山包仍残存冻融风化块碎石层。共有5个松动岩带、2个冻融风化堆积区、6个危石集中区和5个危岩体集中区。以上危险源多稳定性差~极差,少量稳定性较差。

2.3 进水口

位于倒石沟与双槽沟之间的山脊上,地形较陡,总体坡度为35°~45°,局部形成坡高10~15 m的基岩陡壁,坡度60°~70°,植被稀疏。岩体卸荷松弛强烈,主要破坏方式为沿顺坡J3组裂隙发生滑移拉裂破坏及沿倾向坡内的J7组陡倾角裂隙产生倾倒拉裂变形及破坏(局部形成卸荷松弛破碎岩体)。松动岩带、危岩体、危石等危险源较发育,部分边坡表部为崩坡积块碎石土层,浅表部孤石较多。共有2个危岩体(中型为主,稳定性差~极差)、3个孤石集中区(稳定性差~较差)、2个危石集中区(半确定性为主,稳定性差)和1个松动岩带。

2.4 开关站

开口线以上的环境边坡地形总体较陡,1 910 m高程以上的地形坡度为30°~35°,地貌上近似呈一北东东向山脊,灌木丛较发育,坡面上可见零星的孤石分布。1 910 m高程以下至开口线之间边坡较陡,坡角为40°~50°,岩体卸荷松弛强烈,危险源多为危石、危岩体及沿部分山脊强卸荷岩体表部厚约10 m的松动岩带,多稳定性差~极差,天然状态下时有落石甚至崩塌发生。共发育7个危石集中区(半确定性~确定性为主,部分为不确定性;稳定性较差~差为主,少量极差)、2个松动岩带(稳定性差~极差)和4个危岩体(中~大型为主,稳定性差~极差)。

2.5 尾水洞出口

坡度总体为40°~45°,地表基岩裸露,植被不发育,危石及危岩体等危险源分布较广,多分布于叮铛沟两岸及开口线附近,稳定性差~极差,天然状态下时有落石发生,在沟口形成崩积堆积物。共发育3个危石集中区(半确定性、确定性为主,稳定性差)和4个危岩体集中区(中型~大型,稳定性差~极差)。

2.6 泄洪洞、放空洞及中期导流洞进出口

进口位于双叉沟对岸至象鼻沟之间,1 800 m高程以上自然地形坡度为45°~55°,以下多为陡壁,坡度80°左右,自然边坡高度为500~600 m,冲沟、植被均较发育。开口线后缘山脊上高程1 800~1 940 m间发育一卸荷拉裂岩体,其前缘及侧面均为基岩陡壁,坡度为70°~80°,山脊坡度约35°,拉裂岩体后缘拉裂缝长约170 m,顺J4组裂隙张开10~30 cm,最大可达50 cm,与洞脸边坡近平行,裂缝下方岩体易产生倾倒拉裂及滑移破坏。受地形、构造及物理地质作用的影响,开口线以外环境边坡浅表部危石发育且多成片分布。共发育5个危石集中区(半确定性为主)、1个松动岩带(稳定性极差)、1个特大型危岩体(稳定性较差)。

表2 危岩体稳定性评价定性分析

稳定性评价地形坡度结构面及岩体特征危险源类型极差 地形陡,坡度一般大于40° 结构面普遍张开,岩体松动,控制性结构面或组合交线顺坡,倾角大于40°,不利组合完备 多为确定性危石、危岩体及松动岩体,部分为半确定性危石或为覆盖层上的孤石差 地形坡度一般为35°~40° 结构面张开,控制性结构面或组合交线顺坡,倾角为30~40°,不利组合较完备 多为半确定性危石和危岩体、松动岩体,部分为确定性危石或为覆盖层上的孤石及冻融风化块碎石较差 地形坡度一般为30°~35° 结构面部分张开,控制性结构面或组合交线顺坡,倾角小于30°,不利组合较完备 多为不确定性危石和危岩体,部分为确定性、半确定性危石或为覆盖层上的孤石及冻融风化块碎石

注:根据植被发育情况,对危险源稳定性程度适当调整。

出口位于花瓶沟下游至砂场沟公路附近240 m范围内,公路以上(高程1 486~1 600 m)为基岩陡壁,地形坡度65°~90°,1 600 m高程以上地形坡度变缓为40°~60°,自然边坡高度为500~700 m,植被零星发育。出口边坡基岩裸露,岩性主要为晋宁~澄江期灰色中粒花岗岩,局部穿插辉绿岩脉。受地形、构造以及物理地质作用影响,开口线以外环境边坡浅表部危石分布较广且多成片分布。共有8个危石集中区,分布高程一般在1 705~2 050 m之间,面积一般在3 000 m2~30 000 m2之间,大者可达40 000 m2,以半确定性为主,次为确定性,稳定性差。在1号泄洪洞出口开挖边坡上部发育1个规模较大的危岩体,稳定性极差。

3 危岩体稳定性评价

3.1 定性分析

危岩体稳定性评价遵循以定性评价为主、定性与定量相结合的原则。对每个危岩体,特别是中小危岩体进行定量分析不现实,应根据危岩体的大小采取不同的方法。对中、小型危岩体以定性分析评价为主,大型、特大型危岩体采取定性与定量结合的方法进行分析和评价。定性分析主要考虑地形坡度、结构面特征、岩体结构状况等因素进行综合判断,裂隙岩体也可用赤平投影法定性判断危岩体的稳定。长河坝水电站危岩体稳定性定性分析见表2。根据表2可以简单地判断危岩体的稳定性。

3.2 影响因素快速评分

在相同条件下,坡度越缓,危岩体稳定性越好。总体坡度小于30°时,危岩体处于基本稳定状态;坡度大于40°时,危岩体分布广泛,稳定性受结构面及其组合控制。当结构面存在不利组合、顺坡结构面或2组结构面交线顺坡、倾角小于坡角且大于结构面摩擦角时[4],结构面连通,则称结构面不利组合完备,稳定性极差;存在不利结构面组合但其未完全贯通时,则稳定性差;不存在不利结构面组合时,则稳定性较差,甚至基本稳定。同样,坡体表面特征和植被发育对危岩体的稳定性也有一定的影响。坡体表面越粗糙,植被越发育,则危岩体稳定性越好。危岩体稳定性影响因素快速评分见表3[5- 6]。

3.3 评价方法

为了客观、快速地评价危岩体的稳定性,提供了一种半定量危岩体稳定性快速评价体系。参照边坡RMR分类法[7],考虑包括边坡岩体岩石单轴抗压强度、危岩体结构面特征、危岩体坡度、危岩体结构面不利组合状况、地下水水文状况、植被发育在内的各项评价要素,按表3进行赋值,按最后的累计分数进行评判:0~25分判断为稳定性极差、25~40分稳定性差、40~65分稳定性较差。该法对坡面上的孤石不适用。对于孤石,主要是根据地形坡度、植被发育情况、孤石埋置于覆盖层的情况进行定性分析。定性分析与半定量快速评价方法对比可知,两者吻合度达91.7%,证明半定量快速评价方法效果较好。

此外,对于特大危岩体还采用极限平衡法,包括适用于碎裂型危岩体的圆弧型滑动分析法,适用于滑塌式危岩体的平面滑动分析法、楔形体滑动分析法和折线型滑面滑动分析法,适用于倾倒式危岩体的倾倒破坏分析法和坠落式危岩体分析方法等。泄洪洞进口部位XJ4特大危岩体分布高程为1 765~1 885 m,顺河宽30 m,长约100 m,植被稀疏,裂

表3 危岩体稳定性影响因素快速评分

岩石单轴抗压强度/MPa结构面特征评分粗糙度评分充填物/mm评分张开度/mm评分结构面长度/m评分岩石风化程度评分地面坡度评分结构面不利组合评分地下水特征评分植被发育特征评分>10010很粗糙5无5未张开5<15新鲜5缓坡(0°~30°)3060~1008粗糙4<5(硬)4<0141~34微风化5中等坡(30°~40°)10~20完备0~2干燥4茂密5湿润3中等330~605较粗糙2>5(硬)201~133~102弱风化3中陡坡(40°~60°)0~515~303光滑1<5(软)21~5110~201强风化1陡坡>60°05~150~2擦痕、镜面0>5(软)0>50>200全风化0倒坡0较完备5~10不完备20滴水2线状流水1涌水0稀疏1无0

隙较发育,主要发育J4、J6裂隙,其后缘J4裂隙张开达50 cm,易产生倾倒拉裂、滑移拉裂破坏(J4为后缘切割面、J6为底滑面)。受地形陡、结构面不利组合条件较完备的影响,总体稳定性较差。稳定性定量计算表明,天然状态下、暴雨和地震等工况下其稳定系数分别为1.03、0.98和0.79。由于该区后缘沿J4裂隙产生拉裂,裂缝宽度10~30 cm,在地震、爆破、强降雨等外力作用下易产生较大崩塌,危及导流洞运行及泄洪洞施工安全,建议清除确定性危石后,采取主动网防护加锚索等深层支护措施。

4 危岩体防治

根据危险源类型及其稳定程度,结合长河坝水电站枢纽区地形、地质特点,对危险源提出了相应处理措施,见表4。

表4 环境边坡危险源处理措施

危险源类型稳定性评价处理措施危石及危石群确定性危石极差或差 以清除为主,个别支撑或锚固半确定性危石差或较差锚固,成片时可主动网防护危岩体极差 清除或锚固、表面排水差或较差 锚固松动岩带极差 清除,框格锚固或主动网防护、表面排水差或较差 主动网防护冻融风化块碎石差 主动网防护较差 主动网防护孤石及孤石群极差 清除或锚固差或较差 被动网防护,成片时可主动网防护

注:表中为原则性建议,可根据具体情况作针对性调整。边坡开口线上部可采取被动网防护。

对不同工程部位采取的处理措施及强度有所不同。影响大坝心墙、开关站安全部位采用了加强处理措施。由于危岩体的勘察时间相对较早,当时尚未提出危害性概念,仅体现了朴素的危害性思想,只对重要工程部位进行了区别对待。最新科研成果认为,危岩体灾害不仅与其稳定性有关,还与其危害对象及规模有关。危岩体稳定性极差且规模大,但无危害对象,则基本形成不了地质灾害。危岩体危害性等级划分主要是根据危岩体稳定性、危害对象、危岩体离危害对象的高度等因素综合确定,且以定性分析为主,定量评价较困难,可基于危岩体危害性分别提出防治措施。

目前,长河坝水电站环境边坡危岩体防治已基本完成,未出现重大安全事故,环境边坡危岩体总体安全,防治效果较好。

5 结 语

危岩体的勘察与防治工作比较复杂,需要积累更多的工程经验,并不断地加以总结。由于无成熟的经验及理论可以借鉴,也无相应的规程规范可遵循,长河坝水电站探索性地开展了环境边坡危岩体勘察与防治工作,对危岩体进行了定性分析,提出了防治原则,为危岩体科研、危岩体勘察规程规范的编制奠定了基础,提供了宝贵的工程经验。

[1]张世殊, 徐光黎, 宋胜武, 等. 水电工程环境边坡概念及其工程地质分类[J]. 水力发电, 2012, 38(8): 17- 21.

[2]田雄, 张世殊, 黎昌有, 等. 水电工程环境边坡危岩体稳定性综合评分方法[J]. 长江科学院院报, 2016,33(1):38-42.

[3]郭素芳. 危岩体的分类及其危险性评价——以大渡河黄金坪水电站地下厂房后山高边坡危岩体为例[D]. 成都: 成都理工大学, 2008.

[4]NB/T 35039—2014 水电工程地质观测规程[S].

[5]张倬元, 王士天, 王兰生. 工程地质分析原理[M]. 二版. 北京: 地质出版社, 1994.

[6]胡金山, 闵勇章, 刘永波, 等. 水电工程环境边坡危岩体危害程度确定方法研究[J]. 长江科学院院报, 2016, 33(1): 72- 76.

[7]DL/T 5337—2006 水电水利工程边坡工程地质勘察技术规程[S].

(责任编辑 杨 健)

Survey and Design of Environmental Slope in Hydraulic Structure Area of Changheba Hydropower Station

HU Jinshan, CAO Jianping, LIU Yongbo

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

Based on latest scientific researches on unstable rock mass of environment slope, the survey, stability evaluation and treatment methods of environment slope in Changheba Hydropower Station are presented, and the stability evaluation criteria of unstable rock mass in environment slope of Changheba Hydropower Station are established. The treatment and prevention principles of unstable rock mass based on hazardous degree provide valuable engineering experiences to the survey and treatment of unstable rock mass of environment slope.

environmental slope; unstable rock mass; stability evaluation; prevention method; Changheba Hydropower Station

2016- 07- 22

胡金山(1973—),男,江西余干人,教授级高工,注册岩土工程师,主要从事工程地质勘察、岩土工程设计与研究工作.

TV221.2(271)

A

0559- 9342(2016)10- 0029- 04

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