某水電站引水隧洞出口高邊坡變形機(jī)理研究

陳興周，柴軍瑞，白俊光

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048;2.中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710065)

圖1 高邊坡工程照片F(xiàn)ig.1 The engineering photo of the high slope

大型水利水電工程建設(shè)中，開挖往往會形成大量巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差的邊坡，在降雨及工程開挖影響下，出現(xiàn)不同規(guī)模的變形或失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工程建設(shè)和運(yùn)行期間的安全.例如，錦屏一級水電站各個水工建筑物巖體在開挖過程中將形成一系列高邊坡，自然邊坡達(dá)到1 000 m，開挖邊坡的高度達(dá)到了300～500 m，邊坡變形機(jī)理與穩(wěn)定性問題十分突出［1－2］.因此，研究水電工程高邊坡的變形破壞機(jī)理，對邊坡治理設(shè)計(jì)與工程運(yùn)營安全具有重要的工程價值.本文擬研究的引水隧洞出口開挖邊坡高達(dá)170～220 m(如圖1所示)，引水隧洞出口及電站廠房均布置在高邊坡坡腳位置附近，是水電站的關(guān)鍵性部位之一.引水隧洞出口開挖邊坡不但坡高而且范圍大，一旦失穩(wěn)，將對整個工程的建設(shè)和運(yùn)行帶來難以設(shè)想的后果.高邊坡開挖始于1987年3月，1991年1月完成，1993年4月開始蓄水，1996年6月達(dá)到正常蓄水位200 m高程;為確保電站建筑物安全運(yùn)行，在施工期開始即對開挖邊坡進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測.施工期和蓄水期的監(jiān)測結(jié)果分析表明，高邊坡的總體變形趨勢是比較符合常規(guī)的，一些學(xué)者也從監(jiān)測資料分析和穩(wěn)定性計(jì)算等方面［3－7］對該邊坡進(jìn)行了相關(guān)分析和評價，結(jié)果表明該邊坡總體是穩(wěn)定的;但是，1998年下半年以來，邊坡中上部巖體逐漸出現(xiàn)反常的朝向上游側(cè)的變形趨勢，這與一般邊坡開挖后巖體向臨空側(cè)(即下游方向)變形的規(guī)律是不同的;然而，目前針對此問題的研究相對較少.因此，本文擬從邊坡巖體特殊的地質(zhì)構(gòu)造和外部影響因素入手，對邊坡出現(xiàn)此類變形的機(jī)理進(jìn)行深入研究.

1 高邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

高邊坡監(jiān)測測點(diǎn)布置見圖2，一共布置了4個監(jiān)測斷面，21個監(jiān)測點(diǎn).引水隧洞出口高邊坡分為正面邊坡和側(cè)面邊坡，其中Ⅰ－Ⅰ和Ⅲ－Ⅲ斷面在東側(cè)邊坡，測點(diǎn)分別布置在165.00，180.00，195.00和210.00 m高程;Ⅳ－Ⅳ和Ⅴ－Ⅴ斷面在引水洞出口邊坡的1#～4#引水隧洞之間，測點(diǎn)分別布置在128.00，150.00，165.00，180.00，195.00和206.00 m高程.每個斷面在不同高程的馬道上，僅布置了1個測點(diǎn)，利用連續(xù)垂線監(jiān)測邊坡的水平變形.

圖2 變形監(jiān)測平面布置圖(單位:m)Fig.2 Schematic diagram for arrangement of slope monitoring points(unit:m)

本文列出了1998年以來的監(jiān)測數(shù)據(jù)(見表1)，部分典型測點(diǎn)的監(jiān)測變形趨勢見圖3.結(jié)合表1和圖3可見，自1998年底開始，引水隧洞出口高邊坡中上部變形總體呈現(xiàn)傾向上游側(cè)的趨勢，而且這個趨勢一直持續(xù)到2001年左右才逐漸趨于穩(wěn)定，這個變形趨勢明顯有別于一般邊坡的變形.因此，有必要對此進(jìn)行深入研究.

表1 監(jiān)測結(jié)果Tab.1 Monitoring results

圖3 河流向變形過程曲線Fig.3 Deformation curve along the river

2 高邊坡地質(zhì)巖性構(gòu)成分析

高邊坡的典型地質(zhì)剖面如圖4所示，邊坡為逆向坡，上部為堅(jiān)硬的石龍洞灰?guī)r，下部為軟弱的石碑頁巖，巖層走向70°～80°，傾南東，傾角25°～30°.引水洞進(jìn)水口底板高程142.50 m，隧洞段山體完整，高程175～245 m，上覆巖體厚達(dá)25～100 m.隧洞出口底板高程128 m，走向北東70°轉(zhuǎn)北東30°，坡面傾向北西，平均坡度50余度，陡壁高60～80 m，灰?guī)r陡壁以下為頁巖，呈30°～38°左右的緩坡.地形為上陡下緩邊坡形態(tài)，坡腳地面高程87 m，坡頂處地面高程210～230 m.

圖4 典型地質(zhì)剖面(4#引水隧洞)Fig.4 Typical geological profile(4#diversion tunnel)

引水隧洞出口邊坡開挖形成不同形式的人工邊坡，128.00 m以上為灰?guī)r，按多級臺階開挖，每級坡高15 m，馬道5 m;下部為頁巖，頁巖段整體開挖坡角為29°～45°.廠房區(qū)在近代一、二級階地上，一級階地高程90 m，臺面寬20～30 m，基巖面高程75 m;二級階地高程95 m，臺面寬30～40 m，基巖面高程75～80 m，地勢開闊平坦.

邊坡地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為斷層、裂隙、層間剪切帶等，原有山體經(jīng)歷自然作用與卸荷影響已逐步分解，局部地區(qū)巖體破碎明顯.上游一側(cè)層間剪切特別發(fā)育，與邊坡密切相關(guān)的剪切破碎泥化帶或?qū)娱g剪切面主要有401#，403#，405#和406#;邊坡下游一側(cè)層間剪切和斷層交錯布置，巖體整體性較差，在灰?guī)r與頁巖的交界面處，剪切破壞極為明顯，多出現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的剪切破碎泥化帶;與邊坡密切相關(guān)的剪切破碎泥化帶和斷層有201#，301#，302#，F(xiàn)69，F(xiàn)16，F(xiàn)220，F(xiàn)126 和 F624 等，其中 201#剪切破碎泥化帶尤為發(fā)育.如圖4所示，按巖組性質(zhì)、邊坡整體可以近似分為4段:

(1)邊坡401#剪切帶以上的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)層間剪切特別發(fā)育，為灰?guī)r和頁巖互層，厚約110 m，主要位于邊坡上游一側(cè)，對下游側(cè)邊坡開挖影響較小;

(2)邊坡401#與301#，302#剪切帶之間為薄層泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾細(xì)粒鮞狀灰?guī)r，厚約100 m，該區(qū)域內(nèi)為相對完整的灰?guī)r段;

(3)邊坡301#，302#與201#剪切帶之間為厚層或薄層泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾細(xì)粒鮞狀灰?guī)r，厚約70 m，受斷層切割，完整性較差，其中，301#層間剪切面發(fā)生在石龍洞灰?guī)r下段頂部的疙瘩狀泥灰?guī)r中，錯動面平直，有黃色糜棱巖，遇水易泥化;

(4)邊坡201#剪切帶以下的區(qū)域，厚度約200 m，主要為砂質(zhì)頁巖，表層為第四系階地堆積層，其中，201#剪切帶在石牌頁巖與石龍洞灰?guī)r的接觸處，灰?guī)r與頁巖互層，泥化帶厚4～6 m，由大致層厚0.1～0.2 m劈理化頁巖和厚0.4～0.6 m鮞狀灰?guī)r，由一系列密集的層間剪切面組成，錯動面夾白色軟泥，厚1～5 mm，有滑感，可沿空面塑性流出，在宏觀上形成一個較連續(xù)的剪切破碎泥化帶.

3 高邊坡的變形機(jī)理分析

高邊坡在施工時基本遵循了自上而下的開挖順序，受開挖卸荷的影響，施工期基本呈向下游側(cè)變形的趨勢，并最終隨工程結(jié)束而逐漸趨于穩(wěn)定;蓄水以來，在庫水壓力的作用下，邊坡向下游側(cè)變形趨勢有所增加，除局部危巖體有較大變形之外，邊坡整體仍然處于穩(wěn)定狀態(tài).較多學(xué)者采用各種方法對高邊坡在施工期和蓄水期(主要是1998年以前)的變形機(jī)理和穩(wěn)定性進(jìn)行了較多的分析評價［3－7］，而1998年年底邊坡出現(xiàn)的這種與前期相反的變形趨勢是比較反常的.通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)、地質(zhì)資料和外界影響因素的綜合對比，分析認(rèn)為邊坡出現(xiàn)這樣的變形趨勢有其發(fā)生發(fā)展的內(nèi)在機(jī)理，主要可歸結(jié)為以下幾點(diǎn):

(1)1998年8月，庫區(qū)遭遇了千年一遇的洪水，大壩蓄水位高達(dá)203.94 m，高出正常蓄水位3.94 m.從監(jiān)測資料來看，此次洪水打破了邊坡蓄水以來逐漸形成的平衡狀態(tài)，是邊坡變形趨勢改變的一個重要的誘因，但是變形趨勢的改變與邊坡特殊的巖體結(jié)構(gòu)、庫水位上漲帶來的附加影響因素也是密切相關(guān)的.

(2)從巖體結(jié)構(gòu)角度來看，引水隧洞出口高邊坡上部為堅(jiān)硬而裂隙發(fā)育的石龍洞組灰?guī)r，下部為軟弱的石牌組頁巖，在兩種巖性交界處為厚4～6 m的201#剪切泥化破碎帶，形成了典型的上硬下軟的不利巖體結(jié)構(gòu)組合.邊坡總體為逆向坡，沒有平行邊坡走向且傾向坡面的大斷層存在，故產(chǎn)生順坡向大規(guī)模滑動的可能性不大，這類邊坡的變形，往往是以下部軟巖的變形為先導(dǎo)，引起上部巖體的變形，進(jìn)而控制邊坡的整體變形趨勢.地質(zhì)資料顯示邊坡上游側(cè)和下游側(cè)層間剪切帶、泥化帶和斷層帶充分發(fā)育，破碎泥化現(xiàn)象明顯.1998年的洪水，一方面導(dǎo)致了邊坡上游側(cè)水壓力、拱壩推力的明顯增大;另一方面，庫水位的上漲和持續(xù)的強(qiáng)降雨改變了坡體內(nèi)部的滲流場和應(yīng)力場、坡體內(nèi)交錯分布的剪切泥化帶和斷層帶進(jìn)一步發(fā)育、強(qiáng)度進(jìn)一步弱化，在上部巖體壓力增大的情況下，201#剪切帶下部的頁巖表現(xiàn)出逐漸被擠出的趨勢，進(jìn)而導(dǎo)致了剪切帶上部巖體有被抬升和向上游旋轉(zhuǎn)的趨勢，從而使得邊坡上部產(chǎn)生朝向上游的變形.

(3)引水隧洞出口高邊坡變形趨勢的改變不是短時間完成的，從圖3可見邊坡變形具有明顯的滯后效應(yīng)，一直持續(xù)到2001年左右才逐漸趨于新的穩(wěn)定和平衡.從這個變化過程也可看出，1998年出現(xiàn)的超高洪水位引起了整個坡體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)整，整個調(diào)整過程是一個達(dá)到新的平衡狀態(tài)的過程，具有明顯的時間效應(yīng).在這個調(diào)整的過程中，邊坡的變形也出現(xiàn)了較大的波動，一方面與庫水位的升降變化有關(guān)，另一方面與邊坡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，坡體內(nèi)部層間剪切破碎帶和斷層帶交錯發(fā)育，巖體的整體性差，在上部荷載變化作用下，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，坡體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、應(yīng)力調(diào)整過程極為復(fù)雜，往往伴隨著剪切帶、斷層帶的進(jìn)一步發(fā)育、擴(kuò)展和巖體的局部破壞，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡的變形趨勢出現(xiàn)了較大的波動.

(4)巖體開挖卸荷作用，包括瞬時卸荷和卸荷流變兩個方面;卸荷效應(yīng)引起的巖體質(zhì)量劣化，是一個長期而緩慢的過程，具有明顯的時間效應(yīng).此外，庫水位升降變化、降雨和泄洪霧化、溫度變化［8］、巖體風(fēng)化和水－巖相互作用［9］等其他因素也會促進(jìn)卸荷流變［10］的發(fā)展.下部軟弱頁巖的力學(xué)強(qiáng)度低，是整個坡體內(nèi)的薄弱部位，卸荷流變引起的擴(kuò)容變形特別明顯，這也是導(dǎo)致邊坡中上部產(chǎn)生朝向上游的變形的原因之一.

(5)在開挖過程中，為了防止201#剪切帶及下部區(qū)域頁巖不進(jìn)一步劣化，工程中采用混凝土置換部分區(qū)域軟弱夾層(如圖5所示)，對坡面巖體淺層失穩(wěn)起到了抑制作用;但是，由于軟弱巖體分布區(qū)域較大、較深，混凝土置換對邊坡的整體穩(wěn)定的貢獻(xiàn)是有限的.表1中的監(jiān)測結(jié)果表明，1998年以來，各監(jiān)測剖面低高程監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)了明顯的傾向下游側(cè)的變形，也印證了上述分析所提出的“擠出”現(xiàn)象.

圖5 混凝土置換區(qū)域示意圖(單位:m)Fig.5 Concrete replacement region(unit:m)

4 結(jié)語

(1)在詳細(xì)分析地質(zhì)資料、監(jiān)測數(shù)據(jù)和外部影響因素的基礎(chǔ)上，對引水隧洞出口高邊坡反常的變形趨勢進(jìn)行了深入研究:1998年庫區(qū)遭遇千年一遇的洪水是邊坡變形趨勢改變的重要誘因，邊坡上硬下軟的巖體構(gòu)造特性和充分發(fā)育的層間剪切帶、斷層帶是其變形的內(nèi)在原因，邊坡巖體的卸荷流變、庫水位變化、降雨和泄洪霧化、巖體風(fēng)化、水－巖長期作用等是變形發(fā)展的外界因素.

(2)工程監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2001年之后、邊坡各測點(diǎn)的變形基本趨于穩(wěn)定，說明經(jīng)過3年左右的調(diào)整，邊坡內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力等達(dá)到新的平衡狀態(tài);但是，在后期的運(yùn)行過程中，如果再次遭受外界較強(qiáng)的觸發(fā)因素(如高水位的洪水、地震等)的影響，邊坡的變形趨勢是否會繼續(xù)發(fā)生變化，則不可預(yù)測;因此，必須堅(jiān)持長期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)及時分析處理.

(3)由于邊坡巖體特殊的地質(zhì)構(gòu)造，層間剪切帶反傾構(gòu)造，斷層裂隙分布較多，在降雨、泄洪霧化作用下，水易順著裂縫滲入到軟弱巖層中，特別是滲入到充分發(fā)育的層間剪切帶中，會使其力學(xué)性狀進(jìn)一步惡化，從而導(dǎo)致沿層間剪切帶變形的進(jìn)一步發(fā)展;因此，必須注意坡面排水措施，并對出露裂縫、斷層及時進(jìn)行回填封閉等坡面防護(hù)措施.

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