大崗山水電站卸荷裂隙密集帶對(duì)高陡邊坡穩(wěn)定性的影響與分析

，，

(中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

1 研究背景

目前我國(guó)水電工程天然高邊坡最大高度已超過(guò)1 000 m(如雅礱江錦屏水電站高邊坡)，人工高邊坡最大已經(jīng)達(dá)到700 m(如小灣水電站高邊坡)，而且西南地區(qū)的高邊坡具有地應(yīng)力高、地質(zhì)結(jié)構(gòu)特殊等有別于一般工程邊坡的特點(diǎn)[1-2]。

為保證高邊坡施工期以及長(zhǎng)期運(yùn)行的安全需要，在結(jié)合工程實(shí)際的基礎(chǔ)上，建立適應(yīng)于西南高邊坡特殊地質(zhì)特點(diǎn)的邊坡監(jiān)測(cè)布置已迫在眉睫。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展和實(shí)踐[3]，結(jié)合新技術(shù)的監(jiān)測(cè)方式逐步發(fā)展起來(lái)，如GPS在小灣水電站邊坡的應(yīng)用[4]、微震監(jiān)測(cè)在深部礦山中的應(yīng)用[5]等。

本文結(jié)合大崗山水電站右岸邊坡工程，針對(duì)西南水電站高邊坡的特點(diǎn)，建立邊坡表面、淺部、深部和微震監(jiān)測(cè)相結(jié)合的新型邊坡監(jiān)測(cè)布置方案。結(jié)合地質(zhì)條件和邊坡失穩(wěn)模式，分析邊坡卸荷裂隙密集帶的施工開挖響應(yīng)關(guān)系，總結(jié)其變形特征，并分析其對(duì)邊坡安全穩(wěn)定的影響。最后，結(jié)合數(shù)值模擬方法“RFPA”成果[6]進(jìn)一步驗(yàn)證右岸邊坡卸荷裂隙密集帶對(duì)高陡邊坡穩(wěn)定性的影響。通過(guò)上述的分析和探討，可為其他邊坡工程監(jiān)測(cè)布置設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供借鑒。

2 工程概述

大崗山水電站位于四川省大渡河中游石棉縣境內(nèi)，是大渡河干流近期開發(fā)的大型水電工程之一。電站正常蓄水位1 130 m，死水位1 120 m，正常蓄水位以下庫(kù)容約7.42 億 m3，電站總裝機(jī)容量2 600 MW(4×650 MW)。

壩址區(qū)兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，基巖裸露，地應(yīng)力較高，巖體卸荷及風(fēng)化強(qiáng)烈，自然坡度一般40°～65°，相對(duì)高差一般在600m以上。右岸邊坡基巖巖性為灰白色、微紅色中粒黑云二長(zhǎng)花崗巖(γ24-1)，局部出露輝綠巖脈(β)、花崗細(xì)晶巖脈(γL)等。右岸發(fā)育78條輝綠巖脈，8條花崗細(xì)晶巖脈；主要發(fā)育有β4，β97(f93)，β146，β168(f154)，β202(f191)，β203(f194)等巖脈破碎帶，巖脈破碎帶呈塊裂—碎裂結(jié)構(gòu)。

右岸邊坡從坡面到坡里卸荷深度大，且在高高程坡體以里90 ～110 m處發(fā)育有2條卸荷裂隙密集帶XL316-1，XL09-15，中低高程發(fā)育2條中傾坡外的斷層f231，f208，構(gòu)成控制邊坡穩(wěn)定的底滑面；同時(shí)坡體里發(fā)育有一系列反傾巖脈，加之中傾角裂隙發(fā)育，與底滑面共同構(gòu)成邊坡潛在不穩(wěn)定塊體。其中，f231斷層向上與卸荷裂隙密集帶XL316-1相接，向下在邊坡1 092 m高程附近出露。

右岸邊坡天然情況下整體穩(wěn)定，由于施工開挖，將表層巖體挖出，形成了沿上、下游100～200 m范圍內(nèi)，高度約200～300 m，方量約200～500 萬(wàn) m3的整體可能失穩(wěn)塊體及從幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)m3的一系列的局部可能失穩(wěn)塊體。開挖過(guò)程中在塊體底部剪出口附近受開挖卸荷、應(yīng)力條件等因素控制，出現(xiàn)了沿邊界結(jié)構(gòu)面的多次變形錯(cuò)動(dòng)，最終邊坡形成了邊坡錨索+防排水措施+深部抗剪洞(6層抗剪洞、2層錨固洞及3層斜井)的綜合支護(hù)措施。

整個(gè)邊坡施工開挖歷時(shí)3年4個(gè)月。2007年7月20日開始進(jìn)行邊坡開挖，2008年12月10日，壩頂1 135 m高程以上邊坡開挖完成；拱肩槽上游側(cè)坡7月23日開挖至1 070 m高程；2009年8月初，因邊坡局部變形暫停施工；2010年6月，低高程3層抗剪洞開挖和一期混凝土回填完成后恢復(fù)開挖，至2011年6月開挖至917 m大壩建基面高程；2011年11月完成6層抗剪洞的開挖和回填混凝土施工。

3 邊坡監(jiān)測(cè)布置

隨著邊坡地質(zhì)條件的逐步揭示，尤其是對(duì)邊坡卸荷裂隙密集帶認(rèn)識(shí)的不斷深化，最終形成包括邊坡表面、淺部、深部、微震監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的邊坡安全監(jiān)測(cè)方案，監(jiān)測(cè)布置平面圖如圖1所示，監(jiān)測(cè)方案見表1。

圖1 右岸邊坡基本地質(zhì)條件及監(jiān)測(cè)布置

3.1 邊坡淺表部變形監(jiān)測(cè)

(1)表面變形監(jiān)測(cè)：邊坡表面監(jiān)測(cè)設(shè)立36個(gè)外部觀測(cè)墩，同時(shí)測(cè)量水平位移和垂直位移，基本覆蓋整個(gè)邊坡并控制主要結(jié)構(gòu)面f231在地表出露邊界兩側(cè)的變形。開挖邊坡以外布設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)，1 255m高程以上邊坡布設(shè)11個(gè)測(cè)點(diǎn)，1 135～1 255 m高程邊坡設(shè)14個(gè)測(cè)點(diǎn)，1 135 m高程以下拱肩槽邊坡設(shè)7個(gè)測(cè)點(diǎn)。

(2)邊坡淺部監(jiān)測(cè)：邊坡淺部監(jiān)測(cè)包括開挖及其影響區(qū)域，邊坡坡面以里80 m的范圍。其中，纜機(jī)平臺(tái)基礎(chǔ)及以上邊坡布設(shè)2套四點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)，15臺(tái)錨索測(cè)力計(jì)、21套錨桿應(yīng)力計(jì)，12個(gè)測(cè)斜孔；纜機(jī)平臺(tái)以下至壩頂邊坡布設(shè)8套四點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)、13套錨桿應(yīng)力計(jì)、4套錨索測(cè)力計(jì)和4個(gè)測(cè)斜孔；壩頂以下邊坡布設(shè)7套四點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)、7套錨桿應(yīng)力計(jì)、7套錨索計(jì)和3個(gè)測(cè)斜孔。

3.2 深部變形監(jiān)測(cè)

(1)勘探平洞的利用：在地質(zhì)演化過(guò)程中，西南高邊坡具有一些明顯的特征[1-2]，這勢(shì)必在邊坡巖體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一些深度較深的主要軟弱結(jié)構(gòu)面[7]?，F(xiàn)場(chǎng)充分利用右岸邊坡現(xiàn)有的地質(zhì)勘探平洞，布置測(cè)縫計(jì)和石墨桿收斂計(jì)監(jiān)測(cè)卸荷裂隙密集帶的錯(cuò)動(dòng)變形。邊坡1 107 m高程卸荷裂隙密集帶監(jiān)測(cè)布置見圖2。

圖2 右岸邊坡1 107 m高程沿不同深度變形監(jiān)測(cè)布置

(2)加固抗剪置換洞監(jiān)測(cè)：6層抗剪洞(高程1 060，1 120，1 150，1 180，1 210，1 240 m)共布置18個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，三點(diǎn)式位移計(jì)29套、錨桿應(yīng)力計(jì)55支、位錯(cuò)計(jì)36套、鋼筋計(jì)40支、滲壓計(jì)2支，以監(jiān)測(cè)抗剪洞工作性態(tài)。具體的監(jiān)測(cè)布置見表1所示。

表1 右岸邊坡監(jiān)測(cè)布置方案

3.3 邊坡微震監(jiān)測(cè)

大崗山右岸邊坡微震監(jiān)測(cè)布置由主機(jī)控制中心、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集中心和接收傳感器陣列3大部分組成。系統(tǒng)開通28個(gè)通道，28個(gè)傳感器陣列監(jiān)測(cè)的邊坡覆蓋范圍達(dá)600 m×400 m×600 m(分別為沿河流方向以壩肩為中心上、下游各300 m范圍，高程800～1 400 m之間600 m范圍以及由邊坡表面向深部巖體400 m范圍)，可進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)震源的定位誤差不大于10 m。具體的監(jiān)測(cè)布置見表1所示。

4 卸荷裂隙密集帶對(duì)邊坡影響分析

4.1 卸荷裂隙密集帶變形特征概述

PD314勘探平洞內(nèi)監(jiān)測(cè)斷層f231的測(cè)縫計(jì)開合度為9.5～11.9 mm，其他測(cè)值均小于1 mm，其錯(cuò)動(dòng)變形明顯(圖3)；布置在PD316(1 300.46 m高程)、PD09(1 225.00 m高程)、PD314(1 107.00 m高程)內(nèi)的石墨桿收斂計(jì)孔口位移分別為6.1，27.6，23.1 mm(圖3)。三者變形值沿邊坡高程方向上分布呈現(xiàn)“中間大、兩頭小”的特征，這與各探洞內(nèi)卸荷裂隙密集帶對(duì)施工開挖的不同響應(yīng)關(guān)系有關(guān)。

圖3 石墨桿收斂計(jì)孔口位移及測(cè)縫計(jì)開合度過(guò)程線

4.2 施工開挖響應(yīng)分析

巖體的變形行為與連續(xù)介質(zhì)存在較大差異，結(jié)構(gòu)面變形與施工開挖響應(yīng)關(guān)系對(duì)邊坡穩(wěn)定影響分析有重要意義[8]。下面就卸荷裂隙密集帶的錯(cuò)動(dòng)變形對(duì)施工開挖的響應(yīng)進(jìn)行分析。

4.2.1 XL316-1

XL316-1穿過(guò)石墨桿收斂計(jì)SL-PD316深度100.1～120.3 m的范圍，其錯(cuò)動(dòng)變形為2.6 mm，占總變形值的42.6 %，變形主要發(fā)生在邊坡開挖完成幾個(gè)月內(nèi)；XL316-1穿過(guò)石墨桿收斂計(jì)SL-PD09深度62.0～83.0 m的范圍，其錯(cuò)動(dòng)變形為14.4 mm，占總變形值的52.2 %，變形主要發(fā)生在邊坡1 055～985 m高程開挖期間，在開挖完成后的半年內(nèi)，隨著支護(hù)的完成，變形逐步收斂。該部位卸荷裂隙密集帶XL316-1錯(cuò)動(dòng)變形較PD316大的主要原因是由于監(jiān)測(cè)儀器離開挖影響范圍較近。石墨桿收斂計(jì)SL-PD314各測(cè)點(diǎn)過(guò)程線如圖4所示。

圖4 石墨桿收斂計(jì)SL-PD314各測(cè)點(diǎn)位移過(guò)程線

f231穿過(guò)石墨桿收斂計(jì)SL-PD314深度33.3～53.1 m范圍，其錯(cuò)動(dòng)變形15.3 mm，占總變形值的66.2 %，變形主要發(fā)生在邊坡1 070～1 010 m高程開挖期間，后期支護(hù)完成后，變形收斂。

4.2.2 XL09-15

XL09-15穿過(guò)石墨桿收斂計(jì)SL-PD09深度12.0～30.0 m的范圍，其錯(cuò)動(dòng)變形為3.3 mm，占總變形值的27.6 %。根據(jù)與施工響應(yīng)關(guān)系的分析，XL09-15變形與施工開挖響應(yīng)的關(guān)系不明顯，且測(cè)值較小。

綜上所述，XL316-1(f231)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面受邊坡卸荷開挖影響明顯，在邊坡開挖期間，錯(cuò)動(dòng)變形最大為14.4 mm，隨著施工開挖高程的逐步下臥，變形逐步收斂，在邊坡開挖結(jié)束后，大概經(jīng)歷2～4個(gè)月，變形收斂。主要卸荷裂隙密集帶監(jiān)測(cè)變形特征表見表2。

表2 主要卸荷裂隙密集帶監(jiān)測(cè)變形特征

4.3 坡表裂縫成因分析

在邊坡開挖過(guò)程中，共出現(xiàn)3次坡表裂縫，基本特征見表3。2009年5月3日，在已掛網(wǎng)噴混凝土封閉范圍上出現(xiàn)裂縫，裂縫呈斷續(xù)延伸，展布和裂縫所在部位地質(zhì)剖面見圖5。結(jié)合地質(zhì)條件分析，裂縫形成的主要原因?yàn)閒231斷層與βj601輝綠巖脈組合形成塊體，破壞形式以βj601輝綠巖脈為后緣切割面，f231斷層為底滑面的平面滑動(dòng)破壞。

表3 裂縫分布特征

在裂縫展布區(qū)域埋設(shè)的多點(diǎn)位移計(jì)M45的監(jiān)測(cè)成果也驗(yàn)證了裂縫產(chǎn)生的成因(圖5(b)和圖6)。隨著邊坡1 123～1 100 m高程的開挖，各測(cè)點(diǎn)位移增長(zhǎng)加速，2個(gè)月內(nèi)位移達(dá)到10 mm，且不同深度測(cè)點(diǎn)位移出現(xiàn)明顯的分異現(xiàn)象，13～25m深度范圍的相對(duì)位移為10.2 mm，占總位移的70.8 %，說(shuō)明該部位巖體向臨空面的錯(cuò)動(dòng)主要是由于在開挖影響下，塊體底滑面f231的錯(cuò)動(dòng)變形造成的。邊坡3次裂縫均是由于f231斷層在開挖卸荷條件下的錯(cuò)動(dòng)變形造成的。

圖5 第一次裂縫現(xiàn)場(chǎng)展布和所在部位地質(zhì)剖面

圖6 1 135 m高程多點(diǎn)位移計(jì)M45過(guò)程線

4.4 微震監(jiān)測(cè)成果分析

監(jiān)測(cè)微震事件主要集中在1 135～1 240 m高程的抗剪洞和大壩拱肩槽附近，這與現(xiàn)場(chǎng)施工活動(dòng)影響范圍吻合；同時(shí)，微震事件密集區(qū)域與卸荷裂隙密集帶f231，XL316-1，XL09-15的位置吻合，說(shuō)明由于施工擾動(dòng)誘發(fā)右岸深部巖石微破裂，卸荷裂隙密集帶為右岸邊坡主要損傷區(qū)域。結(jié)合數(shù)值模擬成果，巖石微破裂事件主要沿卸荷裂隙密集帶XL316-1和斷層f231下盤萌生、演化和擴(kuò)展，XL316-1損傷效應(yīng)明顯，前期推斷的XL316-1處巖石微破裂聚集區(qū)域通過(guò)三維數(shù)值模擬結(jié)果得到很好的驗(yàn)證。邊坡微震事件與RFPA3D計(jì)算潛在滑裂面空間對(duì)比見圖7。

圖7 邊坡微震事件與RFPA3D計(jì)算潛在滑裂面空間對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐和總結(jié)，建立包括邊坡表面、淺部、深部和微震監(jiān)測(cè)相結(jié)合的新型邊坡監(jiān)測(cè)布置方案。監(jiān)測(cè)布置成功應(yīng)用于大崗山右岸邊坡，并取得豐富的監(jiān)測(cè)成果，為邊坡的安全穩(wěn)定評(píng)價(jià)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，可供其他工程借鑒使用。

(2)通過(guò)對(duì)邊坡卸荷裂隙密集帶變形特征、施工響應(yīng)關(guān)系分析，總結(jié)主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)面(卸荷裂隙密集帶)對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，對(duì)邊坡安全穩(wěn)定進(jìn)行評(píng)價(jià)。經(jīng)分析，XL316-1(f231)卸荷裂隙密集帶對(duì)邊坡安全穩(wěn)定影響明顯，在開挖期間其錯(cuò)動(dòng)變形為14.4 mm，隨著邊坡加固處理后，2～4個(gè)月時(shí)間內(nèi)變形收斂。監(jiān)測(cè)成果和微震數(shù)值模擬都相互驗(yàn)證了卸荷裂隙密集帶XL316-1(f231)對(duì)邊坡的影響。

(3)本文對(duì)西南地區(qū)高陡邊坡裂隙巖體和特殊地質(zhì)構(gòu)造的在開挖卸荷條件下的錯(cuò)動(dòng)變形特征進(jìn)行了探討和分析，在接下來(lái)的工程實(shí)踐中可以進(jìn)一步的升華和完善。

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