龍江水電站壩后廠房高邊坡錨桿應力分析

李宏恩,李 錚,范光亞,孫庚寧,楊理潤

(1.南京水利科學研究院大壩安全與管理研究所,江蘇 南京 210029;2.水利部大壩安全管理中心,江蘇 南京 210029;3.云南龍江水利樞紐開發(fā)有限公司,云南 潞西 678400)

水電站壩后廠房高邊坡的穩(wěn)定性直接關系到電站廠房的安全。近年來,隨著國內外對高邊坡安全穩(wěn)定問題研究的不斷深入,各種基于巖土力學及滑坡動力學理論的有限元等數值分析方法在工程實踐中得到廣泛應用[1-7]。然而受到巖土力學理論及勘測技術的限制,目前幾乎不可能在設計階段就能準確預測和評估在高邊坡開挖及加固過程中的基本物理力學性狀及其在施工運行過程中的動態(tài)響應[8],因此,基于實際安全監(jiān)測數據的高邊坡穩(wěn)定分析與評價受到越來越多的重視[9]。

龍江水電站樞紐工程位于云南省德宏傣族景頗族自治州潞西縣境內的龍江干流上,是以發(fā)電、防洪為主,兼顧灌溉的綜合性水利樞紐工程。龍江水電站庫區(qū)地質情況復雜,壩址區(qū)出露的地層主要為寒武系的片麻巖,地表覆蓋有第4系松散堆積層,主要分布于河谷及兩岸山坡。庫區(qū)河谷地形高險,岸坡陡峻,斷裂構造發(fā)育,已發(fā)現的斷層多達27條;另外,受當地氣候、地質及環(huán)境影響,樞紐區(qū)片麻巖風化劇烈。龍江水電站庫區(qū)均存在著不同程度的邊坡穩(wěn)定問題,其中位于左岸的壩后廠房高邊坡高達80m,且邊坡中部有一道寬約20m的沖溝,長期以來其應力狀況及安全穩(wěn)定性一直受到相關專家及各級部門的關注和重視[10-12],故加強對龍江水電站壩后廠房高邊坡的各項安全監(jiān)測,并對相關監(jiān)測數據進行及時處理與分析就成為關乎整個樞紐工程安全的關鍵問題。

本文通過對龍江水電站壩后廠房高邊坡在施工期及運行期錨桿應力計的應力狀態(tài)和受力原因進行系統(tǒng)深入的分析,建立了錨桿應力測值的統(tǒng)計模型,并定量分析了溫度、時效、開挖高程等因素對錨桿應力影響的規(guī)律,進而對壩后廠房高邊坡的安全穩(wěn)定性進行全面的評估及預測,以確保工程安全。

1 高邊坡支護措施及錨桿應力計布置

1.1 壩后廠房高邊坡地質條件

龍江水電站樞紐工程壩后廠房高邊坡主要為低液限黏土,厚0.5～2.0m,基巖為寒武系片麻巖,其中強風化片麻巖為灰黃色,厚1.5～15.0m,巖質較堅硬,節(jié)理發(fā)育,間距 10～30cm,巖體完整性差,呈鑲嵌碎裂結構;弱風化片麻巖為深灰色,巖質堅硬,節(jié)理較為發(fā)育,間距10～50cm;微風化片麻巖為灰黑色,巖質堅硬,巖體隱節(jié)理發(fā)育,完整性差,以鑲嵌碎裂結構為主。廠房高邊坡主要發(fā)育斷層6條(F1,F40,F41,F47,F48,F49),其中F41斷層對邊坡影響最大,走向N70°～ 85°E,出露長度 65～70m,寬度 0.1～0.3m,傾向SE,傾角 24°～ 35°,斷層波狀起伏 ,局部產狀變化較大,主要由碎裂巖和灰黃色斷層泥組成,斷層泥厚3～5cm,分布連續(xù)。

1.2 邊坡支護措施及錨桿應力計布置

根據壩后廠房高邊坡的地質條件采取了不同的開挖方式和支護措施。邊坡共分5級開挖,坡比1∶1～1∶0.3不等,每級邊坡高度15m。高程845.00m以上邊坡開挖坡比1∶1,高程845.00～815.00m邊坡開挖坡比1∶0.6,高程815.00～799.30m邊坡開挖坡比1∶0.3。為保證開挖邊坡巖體穩(wěn)定,對邊坡進行系統(tǒng)噴錨支護處理,噴錨混凝土厚10cm,混凝土強度等級C20,全長錨固錨桿共2種,?25入巖深度4 m,?28入巖深度6m,在噴錨混凝土面布置系統(tǒng)排水孔。針對局部全風化邊坡采用掛網混凝土及混凝土面板兩種處理措施,其中混凝土厚15cm,強度等級C20,同時為防止混凝土面開裂,在混凝土中摻聚丙烯纖維。素混凝土面板護面防護處理的混凝土厚20cm,強度等級C20,采用錨釘錨固,布置表層排水孔,為防止全風化邊坡排水孔失效,在排水孔內埋入軟式透水管。廠房后邊坡中部沖溝采用砂石料回填,在混凝土面板支護后設置錨索、網格梁及混凝土聯(lián)系梁進行加固。

為監(jiān)測錨桿錨固效果,在各級馬道上下約1 m處的錨桿上共埋設10支錨桿應力計以觀測壩后廠房高邊坡的穩(wěn)定情況,邊坡開挖后錨桿應力計隨噴錨支護同時進行埋設,共選取2個剖面。

2 錨桿應力計受力狀態(tài)分析

2.1 錨桿應力計測值特征分析

截至2010年9月,在壩后廠房高邊坡上埋設的10支錨桿應力計均正常工作,其中拉應力大于30MPa的有5支,最大值為51.413MPa,埋設在高程846.69m;壓應力大于 30mPa的有1支,最大絕對值為57.187MPa,埋設在高程817.62m,其余錨桿應力計受壓測值絕對值均小于10MPa。從表1可見,錨桿應力計的受拉測值普遍偏高,因此有必要對錨桿應力計的受力成因、變化過程及發(fā)展趨勢作進一步的探討。

表1 錨桿應力計測值特征

2.2 錨桿應力狀態(tài)分析

根據實際監(jiān)測資料,龍江水電站壩后廠房高邊坡的錨桿應力計測值若以受力狀態(tài)為參考可劃分為受拉型和受壓型;而若以受力成因為參考,則可以劃分為變形應力為主型、溫度應力為主型[13]及變形與溫度共同作用型3類。各種受力狀態(tài)下錨桿應力計應力溫度實測過程線見圖1～3,其中實測溫度為錨桿應力計埋設位置巖體溫度。

變形應力為主型的錨桿應力計(PRC2,PRC3和PRC6),其測值絕對值隨時間持續(xù)增加,這說明錨桿部位巖體還未完全穩(wěn)定,在邊坡開挖及繞壩滲流等因素的影響下存在繼續(xù)變形的趨勢。對于持續(xù)受拉的情況,其原因在于錨桿在埋設后邊坡持續(xù)向臨空面位移或巖體內部應力持續(xù)調整,使錨桿被動持續(xù)受拉,從實測過程線上看,錨桿應力的增長速率已逐步衰減,說明錨桿埋設部位邊坡有逐漸穩(wěn)定的趨勢。對于持續(xù)受壓的情況,由于錨桿埋設部位可能存在裂隙或局部全風化巖層彈性模量較低,邊坡后緣向開挖臨空面位移導致裂隙閉合,全風化巖層壓縮,使錨桿持續(xù)被動受壓,從實際測值看,該類錨桿應力絕對值不大且增加趨勢較為緩慢。

溫度為主型的錨桿應力計(PRC1,PRC4,PRC5,PRC8和PRC10),其測值在埋設初期受開挖后邊坡向臨空面位移的影響,產生一定的拉(壓)應力,之后在溫度荷載的作用下,測值在一定范圍內平穩(wěn)波動,與溫度變化呈負相關關系,這與已有的研究成果相符[13],說明錨桿應力計埋設部位邊坡巖體穩(wěn)定性良好。

圖1 變形應力為主型錨桿應力計應力-溫度實測過程線

圖2 溫度應力為主型錨桿應力計應力-溫度實測過程線

變形與溫度共同作用型的錨桿應力計(PRC7,PRC9),錨桿同時受到變形應力和溫度荷載的影響,其測值在隨溫度變化呈周期性波動的同時,應力絕對值不斷變大。如圖3所示,雖然錨桿的被動受拉或被動受壓具有持續(xù)性,但其近1年來的測值變化已明顯逐步收斂,說明該部位邊坡正向趨于穩(wěn)定的方向發(fā)展。

圖3 變形與溫度共同作用型錨桿應力計應力-溫度實測過程線

3 錨桿應力計測值的統(tǒng)計模型及成果分析

3.1 模型因子選擇

前文僅對龍江水電站壩后廠房高邊坡錨桿應力計的應力狀態(tài)及受力成因進行了定性分析。為了更好地分析錨桿應力計的應力狀態(tài)變化趨勢及受溫度、開挖高程和時效等因素的影響程度,分別選取變形應力為主型PRC2和PRC3、溫度應力為主型PRC1和PRC10以及變形與溫度共同作用型PRC7和PRC9作為代表性的錨桿應力計建立多元線性回歸統(tǒng)計模型[14]。根據前述分析,實測錨桿應力-σ主要由開挖高程分量σE、溫度分量-σT及時效分量σθ組成,為此采用最小二乘法[15]建立錨桿應力計的多元線性回歸模型:

式中:a0為常數項;a1,a2為開挖高程因子的回歸系數;b1為溫度因子的回歸系數;c1,c2為時效因子的回歸系數;t為觀測日至觀測基準日的累計天數;H0,Ht分別為首測日、第-t日儀器埋設斷面的開挖高程;Tt為第t日的實測溫度。

3.2 回歸模型成果分析

根據式(1)采用多元線性回歸分析方法分別對6支壩后廠房高邊坡錨桿應力計的測值進行回歸分析,表2顯示了各測值的模型回歸系數及復相關系數。從回歸分析的結果看,所有測值模型的復相關系數R均高于0.9,可以認為所建立的模型精度總體較高。此外,利用各支錨桿應力計的回歸模型,將預測值按照影響因子的不同進行分離,并將各類錨桿應力計預測值與應力分量過程線繪制于圖4～6中,用以定量分析開挖高程分量、溫度分量、時效分量等對錨桿應力的影響。

表2 錨桿應力計統(tǒng)計模型回歸系數

圖4 變形應力為主型錨桿應力計預測值與因子分量過程線

a.開挖高程分量影響效應分析。開挖高程分量的變化僅發(fā)生在錨桿應力計埋設初期(埋設后1～2個月),即錨桿應力計測值絕對值在埋設初期的迅速增大主要由于開挖高程分量的變化。隨著邊坡開挖結束,邊坡開挖高程分量的數值逐漸收斂并穩(wěn)定,同時其影響程度與錨桿應力計的埋設高程有關,埋設于較高位置的錨桿應力計受開挖高程分量的影響較大,如圖5(a)中PRC1的開挖高程分量幅值達到了56.2mPa,因此邊坡開挖高程分量對錨桿應力的影響主要反映在錨桿應力計埋設初期,與前述定性分析及實際情況一致。

圖5 溫度應力為主型錨桿應力計預測值與因子分量過程線

圖6 變形與溫度共同作用型錨桿應力計預測值與因子分量過程線

b.溫度分量影響效應分析。對于變形應力為主型的錨桿應力計,溫度分量的幅值及變化幅度很小,其中溫度分量對PRC2的影響幅度僅為-7.4～-5.4MPa。對于溫度應力為主型的錨桿應力計,溫度分量的幅值及變化幅度較大,其中溫度分量對PRC10的影響幅度達到了56.2～82.9MPa。而對于變形與溫度共同作用型的錨桿應力計的溫度分量影響程度介于上述兩種類型之間,其中溫度分量對PRC9的影響幅度為20.6～29.6 MPa?？梢姕囟确至繉Ω麇^桿應力計均產生不同程度的影響,且定量分析的結果與前述定性分析一致。

c.時效分量影響分析。時效分量在各錨桿應力回歸模型中所占比例均相對較高,但時效分量的變化趨勢隨錨桿應力計的類型不同而有所不同。在溫度應力為主型的錨桿應力計埋設初期,時效分量有所增長,但其隨時間推移逐漸穩(wěn)定并收斂,且不斷衰減。而對于變形應力為主型和變形與溫度共同作用型的錨桿應力計,時效分量逐月增大,其中錨桿應力計PRC7及PRC9的時效分量已開始表現出收斂趨勢,而錨桿應力計PRC2及PRC3的時效分量仍處在不斷增大狀態(tài),說明其巖體有輕微滑移趨勢,尚未穩(wěn)定,因此建議加強這些測點部位巖體的監(jiān)測。

4 結 語

壩后廠房高邊坡的穩(wěn)定與否直接關系到電站廠房的安全,采用多元線性回歸方法對高邊坡錨桿應力進行分析,是對常用邊坡數值分析方法的有效補充,可以在資料分析初期快速查找錨桿應力主要成因,有效判斷邊坡巖體穩(wěn)定狀態(tài),及時發(fā)現和排除隱患。分析結果表明:龍江水電站壩后廠房高邊坡總體趨于穩(wěn)定,但部分以變形應力為主型錨桿應力計所在巖體存在輕微滑移趨勢,建議加強監(jiān)測,且著重關注錨桿應力變化是否逐漸減弱或趨于收斂穩(wěn)定。

[1]欒茂田,黎勇.非連續(xù)變形計算力學模型在巖體邊坡穩(wěn)定性分析中的應用[J].巖石力學與工程學報,2000,19(3):289-294.

[2]王庚蓀.邊坡的漸進破壞及穩(wěn)定性分析[J].巖石力學與工程學報,2000,19(1):29-33.

[3]張季如.邊坡開挖的有限元模擬和穩(wěn)定性評價[J].巖石力學與工程學報,2002,21(6):843-847.

[4]趙尚毅,鄧衛(wèi)東.用有限元強度折減法進行節(jié)理巖質邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖石力學與工程學報,2003,22(2):254-260.

[5]朱維申,程峰.能量耗散本構模型及其在三峽船閘高邊坡穩(wěn)定性分析中的應用[J].巖石力學與工程學報,2000,19(3):261-264.

[6]黃潤秋.巖石高邊坡發(fā)育的動力過程及其穩(wěn)定性控制[J].巖石力學與工程學報,2008,27(8):1525-1544.

[7]莊曉瑩,蔡永昌,朱合華.錨固邊坡穩(wěn)定性分析有限元模型及錨固效應的探討[J].巖土工程學報,2008,30(7):1099-1104.

[8]夏元友,李梅.邊坡穩(wěn)定性評價方法研究及發(fā)展趨勢[J].巖石力學與工程學報,2002,21(7):1087-1091.

[9]高大水,曾勇.三峽永久船閘高邊坡錨索預應力狀態(tài)監(jiān)測分析[J].巖石力學與工程學報,2001,20(5):653-656.

[10]云南龍江水電站樞紐工程第一次階段性蓄水安全鑒定報告[R].南京:南京水利科學研究院,2009.

[11]云南龍江水電站樞紐工程第二次階段性蓄水安全鑒定報告[R].南京:南京水利科學研究院,2010.

[12]龍江水電站樞紐工程大壩安全監(jiān)測設施及監(jiān)測資料分析報告[R].南京:南京水利科學研究院,2010.

[13]劉祖強,廖勇龍,朱全平.三峽永久船閘一期高邊坡監(jiān)測錨桿應力分析[J].長江科學院院報,2004,21(1):40-42.

[14]何曉群,劉文卿.應用回歸分析[M].北京:中國人民大學出版社,2001.

[15]吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應用[M].北京:高等教育出版社,2003.