裂隙發(fā)育巖質(zhì)邊坡變形特征與穩(wěn)定分析

姜 鵬，舒 香，李 韜，張?jiān)垼瑥?偉

(1.成都市李家?guī)r開發(fā)有限公司，四川 成都 611230；2.中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川 成都 610200)

1 概述

邊坡穩(wěn)定一直是困擾西南山區(qū)水利水電工程建設(shè)的一大因素，邊坡失穩(wěn)破壞往往會(huì)造成工程整體延誤，并可能造成災(zāi)難性事故，帶來巨大的生命和經(jīng)濟(jì)損失。其中，1985年12月24日，由于坡腳存在砂質(zhì)淤泥層，在地下水、基坑開挖以及邊坡頂部增加荷載等因素作用下，天生橋二級(jí)水電站閘首邊坡在修建進(jìn)水口攔沙坎上游右岸擋土墻時(shí)發(fā)生滑坡，總方量約7000m3，造成48人死亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失;2009年5月3日、8月16日和9月1日，由于地質(zhì)勘探不足，大崗山水電站右岸壩肩邊坡f231出露斷層在爆破施工以及地下水作用下，出現(xiàn)裂縫及變形加劇，導(dǎo)致邊坡停工半年、增加工程投資2.5億元。因此，近年來，在水利水電工程建設(shè)過程中，對(duì)工程巖質(zhì)邊坡的地質(zhì)調(diào)查，施工控制以及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)越來越重視，但由于巖體的復(fù)雜性，各工程巖體特性均會(huì)出現(xiàn)一定程度上的差異，從而表現(xiàn)出不同程度的邊坡穩(wěn)定性問題。本文以李家?guī)r水庫工程導(dǎo)流泄洪放空洞進(jìn)口閘室邊坡為例，結(jié)合安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究開挖過程中的邊坡穩(wěn)定性問題。

圖1 工程位置圖

李家?guī)r水庫工程位于岷江一級(jí)支流——西河上游的文井江山區(qū)河段右岸如圖1所示。閘室正面邊坡最大開挖高度83m左右，開挖邊坡與巖層走向交角3°～12°，閘室兩側(cè)邊坡開挖高度20～30m，開挖邊坡與巖層走向交角78°～78°。閘室邊坡開挖平面及監(jiān)測(cè)布置如圖2所示。

閘室邊坡于2016年12月2日開始開挖，在開挖過程中，2017年8月17日出現(xiàn)局部垮，在汛期強(qiáng)降雨過程中，邊坡混凝土噴層出現(xiàn)多處裂縫。因此分析邊坡開挖過程中的裂縫成因，評(píng)價(jià)支護(hù)效果及其穩(wěn)定性，對(duì)邊坡的安全具有重要意義。

2 工程地質(zhì)條件

進(jìn)口閘室邊坡地層巖性主要為：K1j①礫巖夾巖屑砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，K1j②巖屑砂巖與泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖不等厚韻律互層夾灰質(zhì)礫巖，K1j③厚層塊狀礫巖夾薄層透鏡狀巖屑砂巖及K1j④礫巖與巖屑砂巖不等厚互層。

閘室正面邊坡巖層傾坡內(nèi)，為逆向坡如圖3所示，邊坡整體穩(wěn)定，但風(fēng)化、卸荷帶裂隙發(fā)育，巖體較破碎，加上粉砂質(zhì)泥巖巖性軟弱，存在局部垮塌問題；側(cè)面邊坡為橫向坡，因此層面不是邊坡穩(wěn)定的控制結(jié)構(gòu)面，邊坡整體穩(wěn)定，但風(fēng)化、卸荷帶裂隙發(fā)育，巖體較破碎，加上其它不利結(jié)構(gòu)面組合，可能存在局部垮塌問題。

圖2 開挖平面及監(jiān)測(cè)布置圖

3 開挖支護(hù)設(shè)計(jì)及裂縫分布

3.1 開挖支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)前期地勘資料，進(jìn)口閘室邊坡的支護(hù)設(shè)計(jì)為：淺層采用噴射混凝土、掛鋼筋網(wǎng)和錨桿支護(hù)，

圖3 閘室正面邊坡開挖圖

深層采用錨索支護(hù)。掛網(wǎng)鋼筋為A6.5@20×20；錨桿采用C25系統(tǒng)錨桿，L=6m，間排距為2m，梅花型布置，馬道及開口線處采用一排C28鎖扣錨桿，L=9m，間距2m；錨索支護(hù)采用2000KN，L=55m錨索，高層分部為EL699～723m。

3.2 裂縫分布

閘室邊坡于2016年12月2日開始開挖，2018年4月18日導(dǎo)流洞貫通，2018年6月17日開挖至閘室底板高程EL669。2017年8月17日，在汛期強(qiáng)降雨過程后，閘室正面邊坡EL.735.0m～EL.715.0m出現(xiàn)局部跨塌如圖4所示，塌腔體積約為1190m3。導(dǎo)流隧洞貫通以后，邊坡混凝土噴層出現(xiàn)多處裂縫，并在2018年10月隧洞洞內(nèi)0～30m樁號(hào)段出現(xiàn)工字鋼變形如圖5所示。

圖4 直面邊坡EL.735.0m～EL.715.0m局部垮塌

圖5 邊坡裂縫

4 邊坡變形特征分析

4.1 淺層巖體變形特征分析

進(jìn)口邊坡的淺層巖體監(jiān)測(cè)主要以錨桿應(yīng)力計(jì)為主。其中，共安裝單點(diǎn)式錨桿應(yīng)力計(jì)24支，兩點(diǎn)式錨桿應(yīng)力計(jì)18支，均安裝在洞軸線偏左15.7m，洞軸線偏左2m和洞軸線偏右19m三個(gè)斷面上如圖2所示。錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6—7所示。

從圖6—7可以看出，截止2018年11月23日，進(jìn)口邊坡錨桿應(yīng)力累計(jì)值均較大，最大值為202KN(PR13，洞軸線偏左2.0m，EL745～EL752)。從錨桿應(yīng)力計(jì)增長(zhǎng)趨勢(shì)來看，錨桿應(yīng)力計(jì)在安裝初期均出現(xiàn)了較大應(yīng)力增長(zhǎng)，在監(jiān)測(cè)后期，錨桿應(yīng)力值逐漸趨于收斂。主要原因是在錨桿施工時(shí)，邊坡巖體松弛變形開始處于約束狀態(tài)，邊坡內(nèi)部應(yīng)力開始進(jìn)行調(diào)整，在監(jiān)測(cè)后期，邊坡內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整結(jié)束，巖體逐漸趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為錨桿應(yīng)力計(jì)趨于收斂。上述現(xiàn)象表明，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化過程反映出監(jiān)測(cè)巖體的應(yīng)力調(diào)整過程。

圖6 進(jìn)口邊坡單點(diǎn)式錨桿應(yīng)力計(jì)應(yīng)力變化過程曲線

圖7 進(jìn)口邊坡兩點(diǎn)式錨桿應(yīng)力計(jì)應(yīng)力變化過程曲線

針對(duì)2017年8月17日的閘室直面邊坡局部跨塌事件，選取該時(shí)段進(jìn)口邊坡錨桿應(yīng)力計(jì)作為研究對(duì)象，其應(yīng)力變化過程曲線如圖8所示。

從圖8可以看出，在局部垮塌發(fā)生前的上一個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段，塌腔附近多個(gè)錨桿應(yīng)力值突增，表明此時(shí)邊坡淺層已發(fā)生失穩(wěn)破壞，2017年8月17日強(qiáng)降雨直接導(dǎo)致該處邊坡EL.735.0m～EL.715.0m淺層巖體突然垮塌。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該處巖體失穩(wěn)為內(nèi)部巖體破壞與強(qiáng)降雨的綜合作用所致。

圖8 閘室直面邊坡局部跨塌事件前后錨桿應(yīng)力計(jì)變化過程曲線

4.2 深層巖體變形特征分析

進(jìn)口邊坡深層巖體監(jiān)測(cè)主要以多點(diǎn)位移計(jì)、錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)為主。其中，共安裝錨索測(cè)力計(jì)6只，均勻分布于洞軸線偏左15.7m，洞軸線偏左2m和洞軸線偏右19m三個(gè)斷面上；共安裝三點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)4只，均勻分布于洞軸線偏左15.7m和洞軸線偏右19m二個(gè)斷面上。錨索測(cè)力計(jì)和多點(diǎn)位移計(jì)變化過程曲線分別如圖9—10所示。

圖9 進(jìn)口邊坡錨索測(cè)力計(jì)變化過程曲線

圖10 進(jìn)口邊坡多點(diǎn)位移計(jì)變化過程曲線

從圖9可以看出，位于洞軸線偏左2.0m，EL706高程的Dp3錨索測(cè)力計(jì)變化較為明顯，并于2018年11月后趨于收斂，其余錨索測(cè)力計(jì)應(yīng)力積累均保持在較低水平。Dp3出現(xiàn)較大應(yīng)力積累的原因，一方面是因?yàn)镈p3位于洞軸線正上方，在該處隧洞形成后，在隧洞頂部以上三角體容易形成應(yīng)力集中區(qū)；另一方面是，邊坡巖體風(fēng)化較為嚴(yán)重，卸荷裂隙帶發(fā)育，巖體較為破碎，在汛期強(qiáng)降雨作用下，巖體遇水軟化嚴(yán)重，從而易出現(xiàn)向臨空面的變形問題如圖5(f)所示。

從圖10可以看出，多點(diǎn)位移計(jì)深層測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)期內(nèi)均處于較低水平，巖體變形均以淺層變形為主。

5 邊坡穩(wěn)定性分析

通過對(duì)進(jìn)口閘室邊坡地質(zhì)條件及開挖期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可以看出，儀器安裝初期以及邊坡開挖過程中，巖體存在一個(gè)內(nèi)部應(yīng)力重分布的過程，特別是在汛期降雨的作用下，邊坡易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。在邊坡形成以后，隨著支護(hù)措施的跟進(jìn)，巖體內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整結(jié)束，巖體變形得到控制，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于收斂，邊坡巖體整體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

6 結(jié)論

本文通過大量監(jiān)測(cè)資料，結(jié)合工程地質(zhì)條件，分析了李家?guī)r水庫工程導(dǎo)流泄洪放空洞進(jìn)口閘室邊坡開挖過程中的變形特征與穩(wěn)定性，分析了邊坡的潛在失穩(wěn)區(qū)域，研究結(jié)果可為同類型邊坡的施工及監(jiān)測(cè)儀器的布置提供參考。得出以下結(jié)論：

(1)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)儀器安裝初期數(shù)據(jù)增長(zhǎng)較為明顯，而后隨著支護(hù)措施的跟進(jìn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)逐漸趨于收斂。

(2)隧洞頂部以上三角體容易形成應(yīng)力集中區(qū)，在邊坡及隧洞形成后，巖體應(yīng)力調(diào)整所需時(shí)間較長(zhǎng)，且在降雨作用下易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，為邊坡的潛在失穩(wěn)區(qū)域。在邊坡施工過程中應(yīng)做好工程排水措施，并密切關(guān)注此類巖體的穩(wěn)定性問題。

(3)正面邊坡局部垮塌巖體附近多個(gè)監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變，表明該處巖體失穩(wěn)為內(nèi)部巖體破壞與強(qiáng)降雨的綜合作用所致，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與巖體失穩(wěn)破壞表現(xiàn)出較好的一致性。

(4)對(duì)于巖質(zhì)邊坡工程，在邊坡開挖及支護(hù)過程中應(yīng)高度重視監(jiān)測(cè)工作，并密切關(guān)注監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)，分析巖體內(nèi)部的穩(wěn)定狀態(tài)及失穩(wěn)預(yù)測(cè)對(duì)邊坡的安全施工具有重要的意義。

(5)在邊坡施工過程中，巖體深層監(jiān)測(cè)儀器未及時(shí)安裝造成一定程度上的數(shù)據(jù)缺失，因此，在開挖邊坡的監(jiān)測(cè)儀器安裝過程中，應(yīng)高度重視儀器安裝的及時(shí)性，確保數(shù)據(jù)完整。