喜河水電站壩址區(qū)緩傾角結(jié)構(gòu)面綜合分析研究

王宇飛

(中國水電顧問集團北京勘測設計研究院,北京 100024)

喜河水電站壩址區(qū)緩傾角結(jié)構(gòu)面綜合分析研究

王宇飛

(中國水電顧問集團北京勘測設計研究院,北京 100024)

喜河水電站壩型為混凝土重力壩,重力壩對地基巖體的抗剪強度有較高的要求。前期勘查成果表明喜河水電站壩址區(qū)存在較多的緩傾角結(jié)構(gòu)面,緩傾角結(jié)構(gòu)面的存在是影響壩基抗滑穩(wěn)定的關(guān)鍵,因此要對壩基作出抗滑穩(wěn)定性評價。首先要研究壩址區(qū)緩傾角結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律及連通情況,通過對壩址區(qū)緩傾角結(jié)構(gòu)面的綜合分析研究提出合理的壩基巖體的綜合抗剪強度。

抗滑穩(wěn)定;緩傾角結(jié)構(gòu)面;連通率;綜合抗剪強度

1 工程地質(zhì)概況

喜河水電站位于陜西省石泉縣的漢江干流上,是漢江上游梯級開發(fā)的第三個梯級,電站最大壩高60.8 m,壩型為混凝土重力壩。

壩址區(qū)河道較為順直,總體流向為SW 190°～220°,兩岸谷坡不對稱,壩軸線方向為NW 290°。

壩址區(qū)出露地層巖性以震旦系下統(tǒng)耀嶺河群(Zaly)淺變質(zhì)含礫凝灰?guī)r為主,局部有侵入的輝綠巖脈;地層總體為一單斜構(gòu)造,巖層產(chǎn)狀為:NW 290°～340°NE∠40°～70°。

壩址區(qū)附近斷層多以NW向為主,緩傾角結(jié)構(gòu)面較發(fā)育,存在壩基滑動的不利組合;橫河向的F14斷層規(guī)模較大,并有寬約0.5 m的泥化帶,變形模量低,在部分壩段易構(gòu)成壩基滑移變形的臨空面,因此對壩址區(qū)緩傾角結(jié)構(gòu)面的連通率進行統(tǒng)計分析計算是評價壩基抗滑穩(wěn)定的必要條件。

2 緩傾角結(jié)構(gòu)面研究成果綜合分析

緩傾角結(jié)構(gòu)面的研究自壩址選定后大致經(jīng)過:定性評價、連通率研究、綜合分析3個階段。

定性評價:提出兩組比較發(fā)育的緩傾角結(jié)構(gòu)面的組合為抗滑穩(wěn)定的可能滑動面,兩組裂隙產(chǎn)狀為:①組NW 275°～320°NE∠16°～30°、②組NE20°～ 64°SE∠5°～20°。

連通率研究:該階段提出3組較發(fā)育的緩傾角結(jié)構(gòu)面,運用實測剖面和網(wǎng)絡模擬對連通率進行了計算,實測剖面計算的是主體建筑物兩個受力方向,水平基線上的連通率,網(wǎng)絡模擬是對壩基巖體結(jié)構(gòu)面的特征進行模擬,計算的是沿主體建筑物兩個受力方向,0°～180°范圍的結(jié)構(gòu)面連通率。

綜合分析評價:在連通率計算結(jié)果的基礎(chǔ)上,結(jié)合建筑物特點,對緩傾角結(jié)構(gòu)面分級進行研究,對短小緩傾角結(jié)構(gòu)面組合優(yōu)勢產(chǎn)狀進行論證,并對綜合滑動面的抗剪參數(shù)進行分析。

通過對緩傾角結(jié)構(gòu)面成因進行探討,并根據(jù)緩傾角結(jié)構(gòu)面的力學特性及綜合抗剪指標對建筑物地基的抗滑穩(wěn)定進行評價。

2.1 緩傾角結(jié)構(gòu)面的成因類型

(1)區(qū)域構(gòu)造背景:壩址位于南秦嶺加里東褶皺帶西部,大構(gòu)造骨架由北西向的緊密褶曲及壓性、壓扭性斷裂構(gòu)成。壩區(qū)位于兩個北西向區(qū)域斷層之間,斷層發(fā)育與區(qū)域構(gòu)造有很好的一致性,構(gòu)造裂隙中,主要有3組,與斷層反映的應力場基本是一致的。

(2)成因類型:按分布規(guī)律和性狀特征包括構(gòu)造成因和風化卸荷成因兩部分,圖1是河漫灘上,一些本不連續(xù)的構(gòu)造小裂隙經(jīng)風化卸荷作用后,被拉開連接成一條長大緩傾角結(jié)構(gòu)面。

(3)生成機制:構(gòu)造成因緩傾角結(jié)構(gòu)面一般規(guī)模小(長大較少),分布不均勻,應屬于低序次的構(gòu)造,分布在斷層周圍的可能是一次或幾次斷層形成時的派生裂隙,多表現(xiàn)為張性,截止于斷層上,延伸較長大的緩傾角結(jié)構(gòu)面,也多為張性,并發(fā)育在NW向陡傾角斷層之間,其成因也應與兩側(cè)的斷層活動有關(guān)。

圖1 喜河水電站壩址附近右岸基巖緩傾角結(jié)構(gòu)面實景圖Fig.1 Site picture of low-angle dip joints in the right bank of dam of XIHE Hydropower Station

2.2 緩傾角結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)特征

(1)規(guī)模:為說明及研究方便把長度大于10 m的結(jié)構(gòu)面稱Ⅳ-1級,小于10 m的結(jié)構(gòu)面稱Ⅳ-2級。

Ⅳ-1級條數(shù)較少,Ⅳ-2級較多,一般長度在1～2 m以內(nèi),其跡長統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 緩傾角結(jié)構(gòu)面跡長特征表[1]Table 1 The trace length characteristics of low-angle dip joints

(2)產(chǎn)狀特征:Ⅳ-1級裂隙走向多為NW,傾向SW或NE。Ⅳ-2級裂隙產(chǎn)狀極為分散,大致發(fā)育以下3組:

①NW 280°～330°SW(NE)∠5°～30°

②NE50°～80°SE(NW)∠7°～30°

③0°～NE20°SE(NW)∠2°～25°

(3)充填情況:Ⅳ-1級裂隙多充填碎裂巖、糜棱巖、巖屑等物質(zhì),埋深較淺的多充填次生泥質(zhì)巖。Ⅳ-2級裂隙均為硬性結(jié)構(gòu)面,多閉合至微張,基本無充填,少量裂面有鈣膜、泥膜附著,局部充填巖屑、石英等。

(4)空間分布特點:Ⅳ-1級緩傾角結(jié)構(gòu)面多分布在規(guī)模較大的NW向斷層之間。Ⅳ-2級在壩址區(qū)普遍存在,但分布不均勻,隨機性強,局部呈密集帶,密集帶主要分布在規(guī)模較大的NW向斷層附近。

(5)力學強度:根據(jù)兩組緩傾角結(jié)構(gòu)面中型剪切試驗,提出:抗剪斷強度f′=0.56～0.6,C′= 0.04～0.05 M Pa,抗剪強度f=0.55～0.58,C= 0.04 M Pa的建議值。

2.3 緩傾角結(jié)構(gòu)面連通率計算方法及成果

(1)實測剖面計算方法及成果

計算采用兩種方法:①“精測線法”,選擇若干條實測剖面,以水平線為基線,把基線上2 m范圍內(nèi)出露的緩傾角結(jié)構(gòu)面全部投影到基線上,并按公式K=∑Licos Q/L計算連通率。②“入選節(jié)理面法”,其他步驟同上,但投影的裂隙是可能的綜合抗剪強度最小路徑上的所有裂隙,計算成果見表2[2]。

表2 沿受力方向緩傾角裂隙連通率平均值表[1]Table 2 The average value of joint persistence ratio of lowangle dip joints along the mechanical direction

(2)網(wǎng)絡模擬計算方法及成果[3]

①網(wǎng)絡模擬計算是根據(jù)蒙特卡絡模擬原理,即結(jié)構(gòu)面三要素(傾向、傾角、跡長)的統(tǒng)計分布特征在計算機上再現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡圖,進而計算不同方向上結(jié)構(gòu)面的連通率。

②計算成果見圖2(a、b)。

圖2(a) 垂直河向剖面裂隙網(wǎng)絡模擬及不同方向連通率示意圖Fig.2(a) The joint network simulation along the p rofile perpendicular to the river flow and the joint persistence ratio of different directions

圖2(b) 平行河向剖面裂隙網(wǎng)絡模擬及不同方向連通率示意圖Fig.2(b) The joint network simulation along the p rofile parallel w ith the river flow and the joint persistence ratio of different directions

3 緩傾角結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)條件評價

緩傾角結(jié)構(gòu)面在建筑物地基處分布,沿受力方向建筑物地基可能存在一破壞面(滑動面),而該破壞面一般是沿緩傾角結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢傾向方向,因此對緩傾角結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢產(chǎn)狀和結(jié)構(gòu)面的綜合抗剪強度進行分析是對緩傾角結(jié)構(gòu)面的工程地質(zhì)條件評價的首要任務。

3.1 緩傾角結(jié)構(gòu)面組合優(yōu)勢產(chǎn)狀分析

(1)Ⅳ-2級優(yōu)勢產(chǎn)狀:各組緩傾角結(jié)構(gòu)面跡長平均值小于1 m,裂隙視傾角平均值可以代表計算剖面方向組合優(yōu)勢產(chǎn)狀,順河向傾向下游優(yōu)勢傾角為13.6°,傾向上游優(yōu)勢傾角為10.5°,組合優(yōu)勢傾角為6.7°;垂直河流向傾向右岸優(yōu)勢傾角為12.3°,傾向左岸優(yōu)勢傾角為16.6°,組合優(yōu)勢傾角為4.6°,與網(wǎng)絡模擬成果中高連通率傾角分布基本一致。

(2)Ⅳ-1級優(yōu)勢產(chǎn)狀:Ⅳ-1級緩傾角結(jié)構(gòu)面主要為NW 320°～340°傾SW少量NE傾角10°～30°。

3.2 綜合抗剪強度分析

壩基未發(fā)現(xiàn)緩傾角斷層,Ⅳ-1級緩傾角結(jié)構(gòu)面多分布在主體建筑物區(qū)段外,所以綜合抗剪強度分析主要由Ⅳ-2級緩傾角結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的組合滑動面。

(1)組合面綜合抗剪強度分析

由多條(組)裂隙組成的“綜合連通面”,存在眾多起伏,其抗剪指標與試驗值相比應存在較大差別。下面就幾種情況進行分析:

①根據(jù)Barton經(jīng)驗公式,任何不規(guī)則節(jié)理面的抗剪強度均可用下式確定:

式中,σn為法向有效應力(取0.245 M Pa);Φb為基本內(nèi)摩擦角(52.4°);JRC為裂隙面的粗糙系數(shù)(根據(jù)經(jīng)驗取5);σc為巖體飽和抗壓強度(取1/10巖石抗壓強度5 M Pa)。

計算結(jié)果“綜合連通面”的抗剪強度為τ= 1.0σn。

經(jīng)驗值f′=1.0比試驗值大許多。

②當正應力較小時,在剪應力作用下滑面的滑動將沿結(jié)構(gòu)面的起伏而爬坡,如圖3(a)所示緩傾角結(jié)構(gòu)面為幾組綜合情況時、或如圖3(b)所示緩傾角結(jié)構(gòu)面為一組但呈錯列分布。以NE20°(順河向)方向為例,緩傾角結(jié)構(gòu)面綜合面優(yōu)勢傾角為6.7°,可能的滑裂面即沿此方向,其中傾向下游的優(yōu)勢傾角為13.6°,是主要滑裂方向,傾向上游的優(yōu)勢傾角為10.5°,是起伏阻滑面,按公式τ=σntg(Φj+θ)[4],Φj為結(jié)構(gòu)面基本摩擦角為28.8°時,爬坡角為10.5°時,τ=σntg39.3°=0.82σn。此時計算值f′=0.82也比建議值大。

圖3 滑面與結(jié)構(gòu)面關(guān)系Fig.3 Slide p lane and structure face relation

③當正應力較大時,在剪應力作用下滑面的滑動受σn限制將啃斷結(jié)構(gòu)面的起伏角,此時結(jié)構(gòu)面的抗剪強度不再取決于結(jié)構(gòu)面上的摩擦阻力,而是取決于結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖石的抗剪斷強度,其公式為τ= σntgΦb+cb[4],cb為結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖石的內(nèi)聚力,顯然此值更大。

④當緩傾角結(jié)構(gòu)面不完全連通時,對于連通率為k的結(jié)構(gòu)面其抗剪強度可用下面公式表示:τ= [kcj+(1-k)cm]+σn[tgΦj+(1-k)tgΦb][4](cj為裂隙的咬合力),即使不考慮cb、cj的作用,其抗剪強度τ=0.94σn也遠大于建議值。

⑤按SC8剖面來算,如圖4裂面即優(yōu)勢傾角方向約為8°,從剖面可以看出緩傾角滑裂面是起伏的,存在8°爬坡角,τ=σtg36.8°=0.75σn。

⑥通過上述分析,綜合連通面的抗剪參數(shù)比單個裂隙面參數(shù)大許多,其建議值f′=0.55存在一定的安全余度。

(2)可能破壞面的分析

根據(jù)巖體力學理論中結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的力學效應:巖體的強度受結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的影響最大,當結(jié)構(gòu)面與最大主應力方向夾角在15°～45°之間時,最易于沿結(jié)構(gòu)面滑動破壞,巖體強度最低點是在β=45°-Φb/2方向上,β為結(jié)構(gòu)面與最大主應力的夾角,Φb為結(jié)構(gòu)面的摩擦角。

模擬計算成果中,平行河向上與水平面夾角θ呈0°、110°、160°左右連通率最大,在與河垂直的面上與水平夾角θ呈0°、70°、120°、160°左右的連通率最大,因而認為上述方向是最有可能的破壞面。

圖4 測線SC8剖面示意圖Fig.4 The p rofile along the SC8 survey line

結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀力學效應是針對巖體中一組結(jié)構(gòu)面而言,多組結(jié)構(gòu)面的破壞形式是一很復雜的問題,目前還沒有統(tǒng)一定論;本工程陡傾角裂隙發(fā)育占多數(shù),且傾角多大于60°,但緩傾角結(jié)構(gòu)面是影響壩基抗滑穩(wěn)定的關(guān)鍵,陡傾角裂隙可以不考慮它的影響;緩傾角結(jié)構(gòu)面抗剪試驗參數(shù)f′=0.55是兩組結(jié)構(gòu)面的試驗成果,根據(jù)以上建議組合面抗剪參數(shù)f′= 0.6,β=45°-Φb/2=29.2°,該角度顯然大于緩傾角結(jié)構(gòu)面組合優(yōu)勢傾角,這從另一個方面說明f′= 0.6還可增大;按以上理論和實際的緩傾角結(jié)構(gòu)面與主應力的分布關(guān)系,可能的破壞面應為與水平方向夾角在0°～15°的范圍內(nèi)。

實際測線SC8緩傾角拉裂面綜合優(yōu)勢傾角與水平方向的夾角即為8°。

3.3 工程地質(zhì)條件評價

(1)緩傾角結(jié)構(gòu)面的空間分布規(guī)律是:從地表至地下分布密度由大到小,壩基部位已開挖段未見長大緩傾角結(jié)構(gòu)面,短小的分布也較少;右導墻下游段分布較多的緩傾角結(jié)構(gòu)面,長大、中等、短小的都有。

(2)對建筑物地基抗滑穩(wěn)定而言,短小的Ⅳ-2級裂隙不起控制作用,起控制作用的主要是Ⅳ-1級裂隙。

(3)垂直河流向?qū)τ覍Χ?傾向右側(cè)的緩傾角結(jié)構(gòu)面連通率,與水平面夾角為0°～10°時最大為55.5%,是最有可能的破壞面;對左導墻而言,傾向左側(cè)的緩傾角結(jié)構(gòu)面沒有優(yōu)勢連通面,但在緩傾角結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢產(chǎn)狀方向連通率最大值不會超過55.5%。

(4)Ⅳ-1級緩傾角結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢產(chǎn)狀為:NW 320°～340°傾SW少量NE傾角10°～30°。該產(chǎn)狀特征對壩基、右導墻抗滑穩(wěn)定不利,對左導墻抗滑穩(wěn)定有利。

(5)通過緩傾角結(jié)構(gòu)面組合面綜合抗剪強度分析,地基抗滑穩(wěn)定計算中結(jié)構(gòu)面的抗剪參數(shù)可按f′=0.6,C=0.09 M Pa計算。

(6)壩基部位建議緩傾角結(jié)構(gòu)面連通率按70%計算存在較大安全余度,它代表的是壩址最差的情況,通過對組合滑動面優(yōu)勢傾角進行分析,建議按向下游傾斜13°作為可能滑力面傾角進行計算。

4 結(jié)論

(1)壩址發(fā)育眾多的緩傾角結(jié)構(gòu)面,包括構(gòu)造裂隙和風化、卸荷裂隙。但延伸長度大于10 m的Ⅳ-1級裂隙大部分出露于壩基下游地段,對主體建筑物的抗滑穩(wěn)定未構(gòu)成威脅。延伸長度小于10 m的Ⅳ-2級裂隙均屬低級別或低序次構(gòu)造形跡,在空間上呈不均一分布。

(2)Ⅳ-2級裂隙的產(chǎn)狀具有組數(shù)多、變化大的特點,研究其對壩基抗滑穩(wěn)定的影響時,必須找到它們組合的優(yōu)勢產(chǎn)狀做為可能的滑動面產(chǎn)狀。統(tǒng)計劃分的3組裂隙其平均跡長近似、條數(shù)接近,以它們產(chǎn)狀的平均值作為組合優(yōu)勢產(chǎn)狀是可行的。連通率網(wǎng)絡模擬的計算成果,其高值基本與之相當,也得到了印證。

(3)由于裂隙空間分布的非均一性,不論用哪種方法計算的裂隙連通率都存在較大的模糊性——不確定性,因此計算結(jié)果只供抗滑穩(wěn)定計算時參考。對壩基來說,連通率計算值是偏大的。

(4)裂隙產(chǎn)狀的復雜性,決定組合優(yōu)勢面起伏變化的復雜性。裂隙面室內(nèi)中型剪試驗成果不能代表綜合優(yōu)勢面抗剪強度,按不同方法分析,綜合優(yōu)勢面的抗剪指標可按f′=0.6,C=0.09 M Pa計算,高于可行性研究報告中f′=0.55,C=0.04 M Pa的建議值。

[1]王宇飛.漢江喜河水電站可行性研究壩址區(qū)緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育規(guī)律及連通率統(tǒng)計分析[R].北京勘測設計研究院,2001.

[2]黃潤秋.基體結(jié)構(gòu)面調(diào)查的全跡長測量與連通率研究[J].工程地質(zhì)學報,2000,8(增刊):317.

[3]秦四清,李志剛,等.漢江喜河水電站壩區(qū)裂隙連通率分析與計算[R].中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所工程地質(zhì)與淺層物理研究室,2002.

[4]汪小剛,等.巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查統(tǒng)計和計算機模擬分析[R].中國水利水電科學研究院,1992.

COM PREHENSIVE ANALYSISOF THE LOW-ANGLED IP STRUCTURAL PLANESAT THEDAM SITEOF XIHE HYDROPOWER STATION

WANG Yu-fei
(Hydrochina Benjing Engineering Corpo ration,Beijing 100024,China)

Concrete gravity dam has been selected for Xihe Hydropower Station,and it has high demand fo r shear strength of rock mass in the foundation.Through exploration,many low-angle dip structural p lanes have been found at the dam site.Because low-angle dip structural p lane is the key facto r to affect the anti-sliding stability of foundation,it is necessary to evaluate the anti-sliding stability of dam foundation.Firstly,study on the distribution regularity and joint persistence ratio of low-angle dip structural p lanes at the dam site would be carried out.Then reasonable shear strength parameters of rock mass in the dam foundation could be suggested through comp rehensive analysis.

anti-sliding stability;low-angle dip structural p lane;joint persistence ratio;comp rehensive shear strength

P642

:A

1006-4362(2010)02-0040-04

王宇飛(1964- ),女,高級工程師,從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)工作。

2009-04-24改回日期:2009-11-30