長河壩水電站泄洪洞進(jìn)口邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測分析

楊 磊，鄧建輝，鄭 路 ，劉鐵新，陳鱗泉

(1.四川大學(xué) 四川大學(xué)-香港理工大學(xué)災(zāi)后重建與管理學(xué)院，成都 610065； 2. 四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

長期以來，水電站建設(shè)邊坡的穩(wěn)定性一直是工程地質(zhì)界和巖石力學(xué)界研究的熱門問題之一[1-6]。中國近年的水電站開發(fā)多處于高山峽谷之中，巖石邊坡開挖面積大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，斷層、節(jié)理穿插其中，邊坡高而陡等一系列的問題，使得水電站建設(shè)的施工期和運(yùn)行期的穩(wěn)定性受到了嚴(yán)重影響[1]。實(shí)踐證明，有效處理水電站邊坡穩(wěn)定的方法有理論分析、監(jiān)測控制系統(tǒng)和專家經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的綜合集成理論和方法[3-8]。大型邊坡一般都需建立大型監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測邊坡的穩(wěn)定狀況，如黃金坪水電站進(jìn)水口邊坡[1]、小灣電站高邊坡[8]、長河壩水電站右壩肩邊坡[9]、錦屏一級水電站左岸邊坡[10-12]、大崗山右岸邊坡[13]等，都是建立了長期的監(jiān)測系統(tǒng)，并根據(jù)監(jiān)測情況對工程進(jìn)行改進(jìn)，取得良好的效果。本文以長河壩水電站泄洪洞進(jìn)口邊坡監(jiān)測成果為基礎(chǔ)，擬對該邊坡穩(wěn)定性加以分析。

1 邊坡工程概況

1.1 邊坡概況及工程地質(zhì)

長河壩水電站系大渡河水電規(guī)劃“三庫22級”的第10個(gè)水電站，上接猴子巖梯級電站，下游為黃金坪電站。長河壩水電站為礫石土直心墻堆石壩，壩頂高程1 697 m，最大壩高240 m，裝機(jī)容量2 600 MW。壩址區(qū)河道由南東向轉(zhuǎn)成南西向，形成近90°的河彎，河谷形態(tài)呈“V”型谷，枯水期河水面寬80～106 m，正常蓄水位寬509 m；覆蓋層厚度65～75 m，巖性為晉寧期-澄江期侵入巖體，以花崗巖及石英閃長巖為主，巖體致密堅(jiān)硬完整，地應(yīng)力較高，最大水平地應(yīng)力達(dá)24.17 MPa。

進(jìn)口區(qū)分為泄洪洞進(jìn)口邊坡和放空洞進(jìn)口邊坡。限于篇幅，且放空洞和泄洪洞進(jìn)口邊坡工程地質(zhì)條件和分析方法近似，文中只介紹泄洪洞進(jìn)口邊坡的穩(wěn)定監(jiān)測分析。

泄洪洞進(jìn)口位于雙叉溝堆積體對岸下游至象鼻溝間的坡段，全長約200 m，1號(hào)泄洪洞進(jìn)口，縱向坡自然地形坡度45°～50°；2號(hào)、3號(hào)泄洪洞進(jìn)口縱向坡自然地形坡度40°～45°。此段岸坡在1 600 m高程以下地貌上多呈陡壁，坡度80°左右，其上的泄洪洞進(jìn)口段自然地形坡度45°～55°(約1 800 m高程以下)和25°～45°(約1 800 m高程以上)。

1.2 裂隙發(fā)育情況

泄洪洞進(jìn)口邊坡坡體內(nèi)主要出露澄江～晉寧期石英閃長巖(δ(3)02)和中粗?；◢弾r(γ(4)2)，其下部公路邊見侵入少量細(xì)晶花崗巖脈(γl)。泄洪洞進(jìn)口部位無區(qū)域性斷裂通過，地質(zhì)構(gòu)造以次級小斷層、節(jié)理裂隙為特征。次級斷層發(fā)育有f9、f10，f38等(表1)，坡體中主要發(fā)育J4、J7、J2、J6、J3、J1等長大裂隙結(jié)構(gòu)面(表2)，以J4、J7、J2、J6等4組結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育。此外，mj5裂隙密集帶從泄洪洞進(jìn)口穿過。天然邊坡巖體結(jié)構(gòu)總體以塊裂結(jié)構(gòu)為主，局部鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖體總體為Ⅲ類。

表1 泄洪洞進(jìn)口小斷層、密集帶發(fā)育統(tǒng)計(jì)表Tab.1 The statistics of the development of small faults andintensive area of spillway entrance

前期研究表明進(jìn)口邊坡整體穩(wěn)定。局部塊體的穩(wěn)定性主要受控于J4、J7兩組陡傾角裂隙及J6、J2組兩組中緩傾角裂隙。其主要的變形破壞方式為：① 沿J4、J7組陡傾角裂隙的卸荷拉裂變形，形成明顯的拉裂縫，構(gòu)成板裂狀的結(jié)構(gòu)，易發(fā)生傾倒拉裂破壞。②內(nèi)側(cè)及洞臉邊坡中以J6組傾角裂隙為底滑面，發(fā)生局部的滑移拉裂破壞，其中J4組裂隙構(gòu)成后緣拉裂面，J7組裂隙為側(cè)向切割面。③ 內(nèi)側(cè)坡中，J2組或J1組裂隙走向與開挖面近于平行，且傾向坡外，由于其傾角小于開挖坡腳，易發(fā)生滑移拉裂破壞，其中J4組裂隙作為側(cè)向割裂面，J7組裂隙作為后緣拉裂面。④外側(cè)坡中，局部沿J3組裂隙易發(fā)生滑移拉裂破壞。

表2 泄洪洞進(jìn)口段裂隙發(fā)育統(tǒng)計(jì)表Tab.2 The statistics of cracks of spillway entrance

2 邊坡穩(wěn)定分析

2.1 計(jì)算方法

采用Morgenstern-Price(M-P)法進(jìn)行二維穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算軟件采用美國GEO-SLOPE公司的Geostudio2007軟件。首先，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及前期計(jì)算成果，結(jié)合長河壩壩址所在區(qū)域歷史地震活動(dòng)情況及進(jìn)口邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀，選取典型的不利剖面反演結(jié)構(gòu)面的參數(shù)(連通率)。然后，根據(jù)反演的結(jié)構(gòu)面參數(shù)，計(jì)算邊坡開挖后的安全系數(shù)，提出加固措施并計(jì)算加固后的安全系數(shù)。

考慮連通率條件下，結(jié)構(gòu)面參數(shù)按結(jié)構(gòu)面與巖體的長度采用加權(quán)平均法進(jìn)行計(jì)算。

2.2 結(jié)構(gòu)面參數(shù)反演

進(jìn)口邊坡的穩(wěn)定性主要受緩傾坡外的裂隙J6控制，因此選取與J6傾向一致的剖面(J6-1剖面)作為計(jì)算的控制剖面，進(jìn)行結(jié)構(gòu)面連通率反演?？紤]兩種滑動(dòng)模式，計(jì)算模型及相應(yīng)的滑動(dòng)模式見圖1。

圖1 進(jìn)口邊坡J6-1剖面計(jì)算模型Fig.1 Calculation model of J6-1 profile of inlet slope

計(jì)算時(shí)，選取不同的結(jié)構(gòu)面連通率，進(jìn)行安全系數(shù)的敏感性分析。采用加權(quán)平均法得到的結(jié)構(gòu)面計(jì)算參數(shù)見表3。經(jīng)計(jì)算分析，結(jié)合長河壩壩址所在區(qū)域歷史地震活動(dòng)情況及進(jìn)口邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀，將天然邊坡地震狀況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)按1.0考慮，確定結(jié)構(gòu)面連通率為83%，見表4。

表3 不同連通率下結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)Tab.3 The intensity parameters of structural planeunder different connectivity rates

表4 進(jìn)口邊坡J6-1剖面開挖前安全系數(shù)計(jì)算成果Tab.4 The calculation results of safety factor before excavation of J6-1 section of inlet slope

2.3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)泄洪洞布置及地質(zhì)條件，洞臉坡塔基開挖高程至塔頂高程(1 697.00 m)段為垂直開挖，塔頂高程以上開挖坡比1∶0.22。

邊坡支護(hù)以預(yù)應(yīng)力錨索為主，輔以系統(tǒng)噴錨及截排水系統(tǒng)等。根據(jù)邊坡的實(shí)際開挖及支護(hù)情況，對進(jìn)口邊坡各剖面進(jìn)行加固前后的安全系數(shù)計(jì)算。

穩(wěn)定性評價(jià)考慮持久狀態(tài)和偶然狀態(tài)。持久狀況為水庫正常蓄水位運(yùn)行工況，荷載組合為基本荷載自重；偶然狀況為基本組合+地震荷載。不同工況加固前、后的安全系數(shù)計(jì)算成果見表5。從計(jì)算結(jié)果可見，如不考慮加固，開挖之后部分塊體穩(wěn)定性較開挖前有所降低，安全系數(shù)不能滿足規(guī)范要求?？紤]加固措施后，安全系數(shù)總體能滿足規(guī)范要求。

表5 泄洪洞進(jìn)口邊坡安全系數(shù)計(jì)算成果Tab.5 The calculation results of safety factorfor inlet slope of spillway tunnel

3 邊坡變形監(jiān)測及成果分析

3.1 邊坡監(jiān)測布置

泄洪洞邊坡監(jiān)測內(nèi)容包括內(nèi)、外部變形監(jiān)測與錨索受力監(jiān)測[14,15]。

外觀變形監(jiān)測采用GPS監(jiān)測系統(tǒng)，共布置GPS觀測墩39個(gè)，測點(diǎn)布置見圖2。內(nèi)部變形監(jiān)測采用多點(diǎn)位移計(jì)，內(nèi)部變形監(jiān)測和錨索測力監(jiān)測主要布置在泄洪洞進(jìn)口邊坡，共布置4個(gè)監(jiān)測斷面，監(jiān)測剖面1、3、4分別沿1、2、3號(hào)泄洪洞中心線布置，監(jiān)測剖面2位于1、2號(hào)泄洪洞之間，沿主要潛在底滑面J6裂隙傾向布置，測點(diǎn)布置見圖3。其中，內(nèi)觀多點(diǎn)位移計(jì)18套，錨索測力計(jì)18臺(tái)，多點(diǎn)位移計(jì)與錨索測力計(jì)安裝在相同部位，以便于對監(jiān)測成果進(jìn)行對比分析。

圖3 泄洪洞進(jìn)口邊坡多點(diǎn)位移計(jì)及錨索測力計(jì)監(jiān)測布置圖Fig.3 Monitoring arrangement plan of multiple position extensometer and anchor cable gauges for inlet slope of spillway tunnel

3.2 邊坡監(jiān)測成果分析

(1)外部變形監(jiān)測成果統(tǒng)計(jì)。外部變形監(jiān)測成果見圖3，其中，X為坡向的位移；Y為河流方向位移；H垂直方向位移。泄洪洞進(jìn)口邊坡外部變形觀測成果表明，X向累計(jì)位移量在-24.8～49.1 mm范圍；Y向累計(jì)位移量在-24.60～62.10 mm范圍；H向累計(jì)位移量在-35.40～73.90 mm范圍。從整體監(jiān)測成果來看，開挖引起的邊坡變形量級適中，為厘米級，邊坡較為穩(wěn)定。

(2)錨索測力計(jì)監(jiān)測成果統(tǒng)計(jì)。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明錨固力主要以預(yù)應(yīng)力損失為主，預(yù)應(yīng)力損失統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示，在錨固力鎖定值的基礎(chǔ)上損失率為-4.14%～13.00%，預(yù)應(yīng)力損失率在0～10% 以內(nèi)的達(dá)到72.22%。錨固力增長的有1臺(tái)，為PRXJK-14。其中2-2監(jiān)測剖面PRXJK-3，3-3監(jiān)測剖面PRXJK-6、PRXJK-7，4-4監(jiān)測剖面PRXJK-13等4支錨索測力計(jì)損失率超過10%，結(jié)合多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測成果，損失率過高的原因應(yīng)與強(qiáng)卸荷松弛區(qū)灌漿質(zhì)量不易保證有關(guān)。錨索錨固力隨時(shí)間總體存下降趨勢，以PRXJK-7為例，錨固力隨時(shí)間的變化見圖5，目前錨固力變化基本趨于平緩。

圖4 錨索應(yīng)力損失統(tǒng)計(jì)分布柱狀圖Fig.2 Bar graph of pre-stress loss of anchor cables

圖5 PR7錨固力及損失率隨時(shí)間關(guān)系Fig.5 Relationship between anchoring force and loss rate with time

(3)內(nèi)部變形監(jiān)測成果統(tǒng)計(jì)。從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，多點(diǎn)位移計(jì)孔口實(shí)測位移量在-3.24～7.02 mm之間，位移計(jì)各點(diǎn)年變化量-7.96～7.50 mm。受監(jiān)測時(shí)間段以及儀器埋設(shè)等因素影響，1-1和2-2監(jiān)測剖面測得的位移量普遍偏小或?yàn)樨?fù)值，3-3和4-4監(jiān)測剖面開挖邊坡中下部測得的位移相對較大。

從位移與時(shí)間關(guān)系曲線來看(圖6)，位移隨時(shí)間呈階躍式發(fā)展，上述部位位移主要發(fā)生在2014年10月17-29日。在該時(shí)間段，1760高程錨索錨固力也出現(xiàn)了上升現(xiàn)象。結(jié)合該剖面地質(zhì)結(jié)構(gòu)，推斷該部位位移應(yīng)為J6結(jié)構(gòu)面的張開及錯(cuò)動(dòng)位移，其潛在變形破壞模式以J6為底滑面、J4為后緣拉裂面。該部位位移變化速率在后期逐漸減緩，特別是2016年3-4月位移出現(xiàn)下降(圖6)，且錨索錨固力趨于平緩，說明其現(xiàn)狀條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 泄洪洞進(jìn)口M4XJK-13號(hào)多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測曲線Fig.6 Monitoring curve of M4XJK-13 multiple position extensometer for spillway tunnel

截止到2016年8月1日，各多點(diǎn)位移計(jì)位移變化速率較小(小于0.5 mm/月)。由于大部分多點(diǎn)位移計(jì)安裝于自然邊坡的強(qiáng)卸荷松弛區(qū)，灌漿質(zhì)量難以保證，一定程度上影響了監(jiān)測成果的規(guī)律性。但是從整體成果來看，多點(diǎn)位移計(jì)的觀測值較小，表明邊坡穩(wěn)定狀況良好。

3.3 監(jiān)測成果小結(jié)

綜合變形與應(yīng)力觀測成果，邊坡整體變形量級適中或偏小，錨索錨固力以適度松弛為主，不論變形與應(yīng)力目前均趨于收斂，表明該邊坡整體穩(wěn)定性較好。

4 結(jié) 語

(1)根據(jù)邊坡實(shí)際的開挖及支護(hù)情況，結(jié)合邊坡監(jiān)測與地質(zhì)資料分析所反映出來的潛在破壞模式，采用二維極限平衡分析方法對泄洪洞及放空洞進(jìn)口邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性復(fù)核。穩(wěn)定性計(jì)算成果表明，對邊坡進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索加固后，邊坡整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

(2)從監(jiān)測成果來看，邊坡的整體變形量級適中或偏小，錨索荷載以適度松弛為主，且應(yīng)力與變形已趨于收斂。邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定。監(jiān)測剖面3-3和監(jiān)測剖面4-4位移量相對較大，其潛在變形破壞模式以J6為底滑面、J4為后緣拉裂面，與地質(zhì)分析結(jié)果一致。該部位位移變化速率在后期逐漸減緩，在現(xiàn)狀條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

理論與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果表明，長河壩水電站泄洪洞進(jìn)口邊坡的變形已基本趨于穩(wěn)定，且變形量級在安全容許范圍內(nèi)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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