蝕變帶對(duì)班達(dá)水電站壩址區(qū)邊坡開挖的穩(wěn)定性分析與預(yù)測(cè)

(1.成都理工大學(xué) 四川 成都 610000；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 成都 610059；3.成都市勘察測(cè)繪研究院 四川 成都 610081)

一、前言

巖石蝕變指巖石在流體的影響下而發(fā)生化學(xué)變化和物理變化，使得巖石化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生變化。不少學(xué)者研究表明在水巖作用下，蝕變巖體的孔隙度、彈性模量以及力學(xué)性質(zhì)等相對(duì)于正常巖體的性質(zhì)弱化明顯[1-6]。在實(shí)際工程中，王振對(duì)天池電站巖體的蝕變特征的研究，認(rèn)為蝕變巖體的存在對(duì)開挖過程中圍巖的應(yīng)力分布、位移分布和塑性區(qū)分布有著很大的影響[7]。

由此可見，蝕變巖不僅工程特性極差，還嚴(yán)重影響邊坡穩(wěn)定性。由于研究區(qū)處于察雅縣巴日鄉(xiāng)色汝溝匯入口河段的中部，經(jīng)地質(zhì)測(cè)繪發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)存在由多條構(gòu)造蝕變帶。因此，研究有蝕變帶存在時(shí)，對(duì)班達(dá)水電站的邊坡開挖進(jìn)行穩(wěn)定性分析與預(yù)測(cè)具有十分重要的工程意義。

二、工程概況

(一)地質(zhì)簡(jiǎn)介

擬建水電站位于西藏察雅縣和左貢縣境內(nèi)，壩址區(qū)位于青藏高原的東南部，發(fā)育有大量強(qiáng)烈的逆沖型斷層和走滑型斷層。經(jīng)地質(zhì)測(cè)繪發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的中壩址右岸邊坡發(fā)育兩條大型韌性剪切帶，而在韌性剪切帶內(nèi)發(fā)育多條蝕變帶，發(fā)育寬度最大可達(dá)60m，長(zhǎng)度最大可達(dá)620m，總體產(chǎn)狀與韌性剪切帶一致，為N40°～80°W/SW∠75°。初步調(diào)查發(fā)現(xiàn)其為構(gòu)造蝕變，且受控于韌性剪切帶，主要表現(xiàn)為高嶺土化和絹云母化，風(fēng)化程度高，且遇水極易崩解。

(二)蝕變巖體發(fā)育特征

班達(dá)壩址區(qū)巖石蝕變可分為兩大類，一類是空間上遠(yuǎn)離構(gòu)造帶的巖石蝕變；另一類則是與構(gòu)造帶有關(guān)的蝕變，呈點(diǎn)狀和帶狀分布。其中，條帶狀蝕變幾乎分布于韌性剪切帶中，帶內(nèi)糜棱化英安巖大多發(fā)生絹云母化蝕變和高嶺土化蝕變，而點(diǎn)狀蝕變巖體分布主要受控于小斷層或擠壓帶、構(gòu)造裂隙或巖漿巖的原生節(jié)理面或?qū)恿髅?。中壩址右岸發(fā)育4條，且基本集中在壩軸線兩側(cè)，空間展布圖如圖1所示。

圖1 蝕變帶分布平面圖

三、邊坡開挖穩(wěn)定性分析與預(yù)測(cè)

(一)計(jì)算模型的建立

根據(jù)野外調(diào)查，結(jié)合室內(nèi)資料得到中壩址右岸邊坡的空間展布特征，由邊坡空間展布建立三維模型。具體為：模型最高點(diǎn)(Z軸方向)海拔為3520m，最低點(diǎn)海拔為2800m，順河流方向(X軸方向)長(zhǎng)為900m，垂直于河流向(Y軸方向)寬為900m；兩條大規(guī)模韌性剪切帶貫穿整個(gè)模型，且其中發(fā)育多個(gè)蝕變帶，巖性較差；區(qū)內(nèi)無大的斷層發(fā)育，眾多小斷層、長(zhǎng)大裂隙不予單獨(dú)考慮，將其考慮在巖體參數(shù)取值中。通過深入分析在坡體在天然狀態(tài)下和開挖后的應(yīng)力場(chǎng)特點(diǎn)，及由此引起的坡體位移場(chǎng)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)而對(duì)坡體的穩(wěn)定性狀況及發(fā)展趨勢(shì)作出較為準(zhǔn)確的判斷，以此分析蝕變帶的存在對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響。

由于溢洪洞和放空洞位于中壩址右岸邊坡，為探究開挖邊坡的穩(wěn)定性，在上述計(jì)算模型基礎(chǔ)上進(jìn)行開挖，為接近于工程實(shí)際情況，邊坡采用三級(jí)開挖，一級(jí)開挖底面高程為3150m，二級(jí)開挖底面高程3020m，三級(jí)開挖底面高程2060m。

(二)邊坡開挖應(yīng)力場(chǎng)分析

圖2 剖面3150m高程(一級(jí)開挖后平臺(tái))監(jiān)測(cè)線上

圖3 剖面2960m高程(三級(jí)開挖后平臺(tái))監(jiān)測(cè)線上

注：圖中紅色虛線代表蝕變帶SB3在監(jiān)測(cè)線上所揭露的位置。

其結(jié)果如圖2～圖3所示(圖中負(fù)值代表壓應(yīng)力，正值代表拉應(yīng)力)。由上圖可知：

(1)通過分析各高程的最大應(yīng)力圖可知，自然狀態(tài)與開挖狀態(tài)下的應(yīng)力趨勢(shì)線大致相同，而數(shù)值上呈自然狀態(tài)、第一、二、三級(jí)開挖遞減。邊坡的最大主應(yīng)力隨著Y值的增加而減小，說明越靠近坡表，最大主應(yīng)力值越小，數(shù)值上表現(xiàn)為從深部的10～12MPa降至0.5～2MPa，并且據(jù)紅色區(qū)域可知，蝕變帶區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，隨著高程的減小，松弛現(xiàn)象越明顯。

(2)通過分析各高程最小主應(yīng)力圖可知，在高程較大時(shí)，蝕變帶右側(cè)出現(xiàn)局部拉應(yīng)力，隨著高程的減小，拉應(yīng)力消失。通過比較紅色區(qū)域可得，隨著高程的減小，蝕變帶區(qū)域最小主應(yīng)力從壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力再轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。

(三)邊坡開挖剪應(yīng)變?cè)隽糠治?/h3>

在對(duì)圖2、3剖面開挖前二維剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D進(jìn)行分析后表明，巖土體滑動(dòng)失穩(wěn)，都是沿剪切應(yīng)變最大的部位發(fā)生。強(qiáng)卸荷巖體底界面中上部分剪應(yīng)力增量比周邊剪應(yīng)變要大，但并未貫通至前緣部位。而在蝕變帶分布區(qū)域，剪應(yīng)變明顯劇增，這與其巖體質(zhì)量較差有關(guān)。

再對(duì)圖2、3剖面各級(jí)開挖后二維剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D，可知，一級(jí)開挖揭露了蝕變帶SB3巖體，使得蝕變帶分布區(qū)域特別是出露地表的一定范圍內(nèi)，剪應(yīng)變明顯劇增，此時(shí)剪應(yīng)變?cè)龃髱晕挥趶?qiáng)卸荷底界附近和蝕變帶分布區(qū)域，且并未貫通至前緣部位，也未貫通至一級(jí)開挖平臺(tái)，說明一級(jí)開挖后坡體失穩(wěn)可能性不大；二級(jí)開挖后剪應(yīng)變?cè)隽枯^大區(qū)域已經(jīng)與強(qiáng)蝕變巖體貫通，此時(shí)坡體易從一級(jí)平臺(tái)處剪出。

(四)綜合分析

邊坡在天然狀態(tài)下穩(wěn)定性較好，雖然蝕變帶的存在對(duì)坡體的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)均有較大的影響，但受周圍正常巖體的限制，對(duì)自然邊坡的穩(wěn)定性不起控制性作用；但在邊坡開挖后，應(yīng)力得到釋放，部分表層巖體發(fā)生明顯的卸荷回彈，在蝕變帶SB3開挖后出露地段隨其下部正常巖體的開挖，減弱了對(duì)其變形的限制，由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，向臨空方向發(fā)生了較大的位移，使得其上部巖體以強(qiáng)卸荷底界為滑移面從此處剪出，造成坡體失穩(wěn)，因此，開挖至一級(jí)平臺(tái)后，應(yīng)對(duì)此段巖體做強(qiáng)支護(hù)后再進(jìn)行二級(jí)開挖。

四、結(jié)論

本文通過有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果可知，在邊坡開挖中，蝕變帶處的應(yīng)力出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，并且最小主應(yīng)力出現(xiàn)拉應(yīng)力；在第二級(jí)邊坡開挖后，蝕變帶處的剪應(yīng)變明顯增加，剪應(yīng)變?cè)隽枯^大且與強(qiáng)蝕變巖體貫通，說明剪應(yīng)變?cè)隽枯^大區(qū)域?yàn)檫吰聨r體的失穩(wěn)的滑動(dòng)面。隨著逐級(jí)開挖的進(jìn)行，蝕變帶邊坡穩(wěn)定性影響增加，剪應(yīng)變?cè)隽繀^(qū)不斷擴(kuò)大，說明邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低，邊坡趨于不穩(wěn)定。

根據(jù)研究結(jié)果，班達(dá)水電站中壩址右岸的蝕變帶影響邊坡的穩(wěn)定性，因此在邊坡開挖過程中必須用隨機(jī)錨桿先錨固可能不穩(wěn)定的邊坡塊體，再進(jìn)行系統(tǒng)錨桿、支護(hù)和噴混凝土等工序，并實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和后續(xù)支護(hù)，以防止剪應(yīng)變?cè)隽繀^(qū)和邊坡變形破壞進(jìn)一步擴(kuò)大。