錦屏一級(jí)水電站右岸高位危巖體成因機(jī)制與防治對(duì)策研究

李小波, 楊靜熙

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川成都 610072)

1 引 言

錦屏一級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi),壩型為混凝土雙曲拱壩,壩高 305 m,為世界之最,壩頂高程 1 885 m,水庫(kù)總庫(kù)容 77.6億 m3,裝機(jī)容量 3 600 MW,年發(fā)電量約 170億 kW? h。

壩區(qū)兩岸山體雄厚,谷坡陡峻,基巖裸露,相對(duì)高差千余米,為典型的深切“V”型谷。在長(zhǎng)期風(fēng)化、卸荷的影響之下,高位邊坡(壩區(qū)主體水工建筑物邊坡“開(kāi)口線”以上部分的自然坡體,高程1 950～2 400 m)淺表層的危巖體受自然因素(如降雨、漸進(jìn)性風(fēng)化、地震等)導(dǎo)致局部的“危巖體”失穩(wěn),形成高位崩塌,將給施工安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅,運(yùn)行期還可能給樞紐區(qū)建(構(gòu))筑物帶來(lái)重大破壞,甚至災(zāi)難性后果。因此,對(duì)錦屏一級(jí)水電站壩區(qū)的高位邊坡進(jìn)行“危巖體”調(diào)查、詳細(xì)的險(xiǎn)情排查、成因機(jī)制分析并提出邊坡安全防護(hù)和處理對(duì)策及措施具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 成因機(jī)制分析

錦屏一級(jí)水電站右岸巖性單一,危巖主要分布在緩坡上部的陡壁段,高程集中在 2 100～2 300 m,體積為 100～2 000 m3。

2.1 地形地貌

壩址兩岸岸坡高陡,相對(duì)高差達(dá) 1 000余 m,為典型的深切“V”型谷。右岸為順向坡,地貌上呈陡、緩相間的臺(tái)階狀。天然狀態(tài)下地應(yīng)力較高,谷坡形成后在長(zhǎng)期應(yīng)力釋放及重力卸荷等綜合因素作用下,谷坡巖體向臨空方向卸荷回彈變形明顯,卸荷裂隙較發(fā)育。另外,雨水等對(duì)大理巖有溶蝕作用,溶蝕裂隙較發(fā)育。多組結(jié)構(gòu)面的存在為強(qiáng)度較高的大理巖進(jìn)入時(shí)效變形破壞創(chuàng)造了條件,受風(fēng)化、滲水及人類(lèi)工程活動(dòng)等因素作用,陡傾裂隙帶進(jìn)一步拉裂擴(kuò)張形成危巖體。

2.2 地層巖性因素

右岸調(diào)查區(qū)1 950～2 450 m高程的巖層主要由厚層狀大理巖、雜色角礫狀大理巖夾綠片巖透鏡體組成。大理巖結(jié)構(gòu)致密、巖質(zhì)堅(jiān)硬。綠片巖片理發(fā)育,呈性軟、較疏松、易風(fēng)化等特征。

右岸表部因表生改造作用相對(duì)強(qiáng)烈,層面裂隙的發(fā)育程度較高,邊坡“順傾層狀結(jié)構(gòu)”特征得到強(qiáng)化。大部分危巖體均發(fā)育在兩層面之間,層面裂隙是危巖體發(fā)育的控制性因素。

巖體風(fēng)化程度受巖性影響明顯,大理巖自身抗風(fēng)化能力較強(qiáng),風(fēng)化作用主要沿裂隙和構(gòu)造破碎帶發(fā)生,具典型的裂隙式和夾層式風(fēng)化特征,而綠片巖自身抗風(fēng)化能力較差,因此,地層巖性是形成右岸高位危巖體的重要因素之一。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造作用

壩區(qū)內(nèi)無(wú)區(qū)域性大斷層通過(guò),但中陡傾角小斷層和層間擠壓帶比較發(fā)育,右岸與工程關(guān)系密切的有 f13、f14兩條規(guī)模相對(duì)較大的斷層。

壩址區(qū)節(jié)理裂隙按成因可歸為原生和構(gòu)造兩類(lèi)。原生結(jié)構(gòu)面主要為薄 ～中厚層大理巖中的層面以及綠片巖中的片理面。構(gòu)造型節(jié)理裂隙以陡傾角為主,其發(fā)育程度與巖性、層厚和構(gòu)造部位密切相關(guān)。大理巖中節(jié)理裂隙較發(fā)育,相互切割,在相生改造等自然營(yíng)力作用下,對(duì)右岸高位危巖體的形成創(chuàng)造了有利的條件。

2.4 風(fēng)化卸荷作用

壩區(qū)邊坡因受巖性、構(gòu)造和地下水等因素的影響,風(fēng)化卸荷帶分布規(guī)律不明顯。僅就表層而言,風(fēng)化帶的厚度及其變化特征總體來(lái)說(shuō),壩區(qū)邊坡巖體風(fēng)化程度及分帶性具有以下特征:(1)斷層帶附近因巖體破碎、地下水活動(dòng)強(qiáng)烈而風(fēng)化較嚴(yán)重且分布范圍較廣;(2)邊坡巖體風(fēng)化程度明顯受邊坡卸荷程度和深度的影響,強(qiáng)卸荷帶或卸荷范圍大的部位因地下水活動(dòng)較強(qiáng)烈,巖體風(fēng)化較嚴(yán)重,分布范圍較廣;(3)邊坡巖體風(fēng)化受地形影響,地表相對(duì)平坦部位地下水能直接下滲,風(fēng)化物不易剝蝕,巖體風(fēng)化厚度較大。受上述因素影響,邊坡內(nèi)各類(lèi)風(fēng)化帶的厚度及分布除具上述基本特征外,邊坡巖體不存在一般的由表及里的分帶性,而是弱風(fēng)化、微風(fēng)化和新鮮巖帶交替反復(fù)出現(xiàn),這是該壩區(qū)邊坡巖體風(fēng)化的顯著特征。

平硐地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明:卸荷作用主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)面拉張松弛,使坡體內(nèi)走向與岸坡方向基本一致的節(jié)理裂隙多松弛張開(kāi),卸荷裂隙優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為 N0°～30°E,SE∠60°～ 80°及 N50°～70°E,SE∠50°～70°;其次表現(xiàn)為卸荷差異回彈,使巖體內(nèi)緩傾軟弱結(jié)構(gòu)面之間的陡傾裂隙拉張。同時(shí),由于巖性、坡體結(jié)構(gòu)不同,卸荷作用表現(xiàn)形式、卸荷巖體深度等也有較大差異。從卸荷裂隙發(fā)育狀況看,在大理巖中多表現(xiàn)為空縫狀,張開(kāi)寬度為 1～20 cm,少量充填巖塊、巖屑及次生泥,卸荷裂隙之間的巖塊相對(duì)完整,使得卸荷帶巖體在宏觀上呈結(jié)構(gòu)極不均一的塊裂狀。在深切河谷、高陡邊坡條件下,風(fēng)化卸荷作用較強(qiáng)烈,為右岸高位危巖體形成的又一重要因素。

2.5 工程環(huán)境因素

水電工程建設(shè)對(duì)危巖的形成和穩(wěn)定的影響主要表現(xiàn)在開(kāi)挖造成的卸荷回彈、爆破振動(dòng)及運(yùn)行期的霧化作用。右岸高位邊坡危巖體距工程開(kāi)挖部位較遠(yuǎn),開(kāi)挖臨空不會(huì)影響危巖體;工程爆破時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波對(duì)危巖體的穩(wěn)定可能有一定影響,但現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明,這種影響很小,尚未發(fā)現(xiàn)高位邊坡危巖體因爆破而失穩(wěn);運(yùn)行期的泄洪霧化作用對(duì)右岸高位危巖體的影響較大。

3 防治對(duì)策

在建立危巖體檔案的基礎(chǔ)上,對(duì)危巖體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,將危巖體按規(guī)模、穩(wěn)定性、危害程度分為三類(lèi):Ⅰ類(lèi)危巖體規(guī)模大(V＞100 m3),穩(wěn)定性差,危害性大;Ⅱ類(lèi)危巖體有一定規(guī)模(50＜V＜100 m3),穩(wěn)定性較差,危害性較大;Ⅲ類(lèi)危巖體規(guī)模較小(V＜50 m3),穩(wěn)定性一般,危害性小。按此分類(lèi),共有Ⅰ類(lèi)危巖 10塊(片)、Ⅱ類(lèi)危巖 11塊(片 )、Ⅲ類(lèi)危巖 13塊(片 )。

右岸高位危巖體發(fā)育部位地形陡峭,依據(jù)上述成因分析,危巖體的主要破壞模式為整體滑塌破壞和小塊體錯(cuò)落破壞。Ⅰ類(lèi)危巖體需采用整體加固或清除等工程措施;Ⅱ類(lèi)危巖體需采用局部加固或部分清除并輔以被動(dòng)攔擋等工程措施;Ⅲ類(lèi)危巖體可采用被動(dòng)攔擋或不采用工程措施。

危巖體的主要破壞方式為表面破碎巖塊逐層崩落,崩落的巖塊比較小。因此,在對(duì)重點(diǎn)危巖體進(jìn)行有針對(duì)性的處理的基礎(chǔ)上設(shè)置被動(dòng)防護(hù)措施進(jìn)行防治是必要的、合理的。同時(shí),陡崖下的“大緩坡”為危巖體的被動(dòng)防護(hù)提供了平臺(tái)。

陡崖從頂部到底部的高差最大為 200 m左右,因崩落的巖塊較小,其質(zhì)量一般在 400 kg以下,可以認(rèn)為巖塊崩落后以自由落體的方式落入陡崖底部,因此,被動(dòng)防護(hù)措施所需承受的沖擊能量最大為 800 kJ。事實(shí)上,崩落的巖體不可能以自由落體的方式落入陡崖底部,而是以跳躍的方式落入陡崖底部,因此,最大的沖擊能量應(yīng)小于800 k J,故取最大沖擊能量為 800 kJ是有一定安全儲(chǔ)備的。

被動(dòng)防護(hù)可采用的方式主要有兩種:一種是柔性被動(dòng)防護(hù)網(wǎng),另一種是采用修建擋渣墻攔擋崩落的危巖體落入樞紐區(qū)的措施。

柔性被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的主體部分平行于陡崖布置,距陡崖底部的距離為 30 m,柔性防護(hù)網(wǎng)高 8 m。在高程每相差 50 m處再布置垂直于主體部分的柔性防護(hù)網(wǎng),其位置從主體防護(hù)網(wǎng)延伸至陡崖底部,該做法的目的是防止危巖體失穩(wěn)墜落被攔阻后沿柔性防護(hù)網(wǎng)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)破壞防護(hù)網(wǎng)或落入下部公路。對(duì)于被攔阻的巖塊應(yīng)及時(shí)清除,防護(hù)網(wǎng)需定期檢修。

4 結(jié)論及建議

筆者在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,分析了錦屏一級(jí)水電站右岸高位危巖體的成因機(jī)制,將危巖體分為三類(lèi),并提出了相應(yīng)的防治對(duì)策,建議對(duì)Ⅰ類(lèi)危巖體的防治方案進(jìn)行具體的分析研究;部分Ⅱ類(lèi)危巖體危險(xiǎn)性較大,規(guī)模較大,亦應(yīng)進(jìn)行具體的分析研究;而對(duì)于部分危險(xiǎn)性稍小的Ⅱ類(lèi)危巖體和Ⅲ類(lèi)危巖體,則應(yīng)采用整體被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行整體防護(hù)。

[1] 王士天,黃潤(rùn)秋,李渝生,等.雅礱江錦屏水電站重大工程地質(zhì)問(wèn)題研究[M].成都:成都科技大學(xué)出版社,1998.

[2] 張倬元,王士天,王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].北京:地質(zhì)出版社,1994.