西龍池下水庫庫岸危巖處理設(shè)計(jì)

楊曉輝

摘 要：西龍池下水庫庫區(qū)分布有大小不等的危巖卸荷體，靠近庫岸的約有19.3萬m3，如果其發(fā)生崩塌，會影響水庫的安全運(yùn)行，必須對其進(jìn)行一定處理，確保庫岸周圍山體的穩(wěn)定。本文通過對部分不穩(wěn)定塊體進(jìn)行計(jì)算分析，提出有效的處理措施，以確保工程安全。

關(guān)鍵詞：不穩(wěn)定塊體;危巖;卸荷巖體

中圖分類號：TV542 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）25-0082-05

Design of Dangerous Rock Treatment on Lower Reservoir Bank of Xilongchi

YANG Xiaohui

（Power China Beijing Engineering Corporation Limited，Beijing 100024）

Abstract： There are dangerous rock unloading bodies of different sizes distributed in the reservoir area of Xilongchi Lower Reservoir. There are about 193，000m3 near the reservoir bank. If the reservoir collapses， it will affect the safe operation of the reservoir. It must be treated to ensure the stability of the mountain around the reservoir bank. Through the calculation and analysis of some unstable blocks， this paper put forward effective measures to ensure the safety of the project.

Keywords： unstable block;dangerous rock;unloading rock mass

1 研究背景

西龍池下水庫兩側(cè)岸坡陡峻，山頂高程1 400～1 534m，與庫底相對高差為600～700m，呈陡緩相間的“梯坎”狀。左側(cè)庫岸沖溝發(fā)育，局部切割呈“墻”狀山脊，發(fā)育懸谷[1]。右側(cè)庫岸則為陡立的巖壁地形。在這些高陡的基巖岸坡上，分布有潛在的不穩(wěn)定巖體，若不穩(wěn)定巖體產(chǎn)生滑塌，對水庫主體工程的正常施工及電站今后的安全運(yùn)行均有可能造成直接危害。因此，在水庫主體工程施工前有必要對水庫周邊不穩(wěn)定巖體預(yù)先進(jìn)行開挖處理。

2 庫岸自然邊坡穩(wěn)定分析

水庫庫岸地形復(fù)雜、陡峻，垂直向呈陡緩相間的“梯坎”狀，陡立的地形坡度大于70°，高差為60～300m，長為數(shù)十米至幾百米，緩坡地段坡度10°～45°，高差10～70m;水平向則以深切溝谷與“墻”狀山脊相連，溝谷寬5～30m，溝底坡度10°～40°或更陡，“墻”型山脊厚20～160m、長40～340m，溝底與脊頂相對高差為50～137m。組成岸坡的巖石為崮山組上段（∈3g2）至上馬家溝組（O2s）的灰?guī)r、白云巖及頁巖，巖層傾向山里，傾角5°～12°，發(fā)育的主要斷層、裂隙方向?yàn)镹E10°～20°、NE30°～60°、NW330°～334°和NW280°～290°，并控制著高陡邊坡的形成[2]。水庫自然邊坡的穩(wěn)定性具有如下特點(diǎn)。

①庫岸自然邊坡的陡壁間均有緩坡相隔，其組合形態(tài)為天然的復(fù)式結(jié)構(gòu);組成岸坡的巖石風(fēng)化相對較弱，而巖層又傾向山里，不易形成山巖整體破壞的基本條件。

②自然岸坡最低的一級陡壁（由崮山組地層形成）底部高程為820～840m，高出Ⅲ級階地（階地高程700～720m）120m，并在山前形成了崩坡積體，覆蓋于中更新世洪積扇之上，據(jù)此認(rèn)為岸坡形成時期與古洪積扇形成年代相近，其經(jīng)歷了長期的水流沖刷、風(fēng)化剝蝕作用，以及邊坡穩(wěn)定性的調(diào)整，岸坡的改造已經(jīng)基本完成。通過地表調(diào)查和平洞勘探發(fā)現(xiàn)：與岸坡平行且不利于岸坡穩(wěn)定的卸荷張開裂隙較少，只是在陡壁的頂部或凸出的山脊有卸荷裂隙發(fā)育，一般厚度2～8m?？梢姡?dāng)前自然岸坡整體趨于穩(wěn)定狀態(tài)，僅局部仍殘留有少量的分離體[3]。

③危及岸坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面是反傾向的緩傾角結(jié)構(gòu)面，而此類構(gòu)造面在本區(qū)不發(fā)育，因此出現(xiàn)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的概率也就較小。

④岸坡的發(fā)育方向受長大結(jié)構(gòu)面控制，所以結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性是邊坡穩(wěn)定的主要問題。經(jīng)分析可知，最為發(fā)育的結(jié)構(gòu)面組合切割形成的結(jié)構(gòu)體的棱線傾角在80°以上，大于自然邊坡，對岸坡穩(wěn)定的影響較小。因此，若不人為地破壞坡腳，其自然邊坡的穩(wěn)定性較好。

⑤運(yùn)用剛體平衡理論分析控制山體失穩(wěn)的邊界條件，結(jié)果表明：岸坡山體僅存在臨空面和側(cè)向切割面，而較完整的后緣切割面還未形成，更無控制性底滑面，因此不存在整體失穩(wěn)的邊界條件。但是，仍假設(shè)存在臨空面、側(cè)向和后緣切割面，以巖層層面作為底滑面，并考慮局部傾向山外，且最大傾角不會大于12°，以此進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，其安全系數(shù)[K]大于2。

⑥運(yùn)用有限單元法對應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：拉應(yīng)力僅存在岸坡的頂部，且均小于0.2MPa，此值遠(yuǎn)小于巖石的抗拉強(qiáng)度。

⑦據(jù)PD97-1、PD97-2、PD97-3、PD97-4號平洞揭示，未發(fā)現(xiàn)卸荷帶，說明水庫庫岸巖體卸荷帶不發(fā)育，其穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面組合切割而形成的結(jié)構(gòu)體控制[4]。

綜上所述，庫岸高邊坡整體穩(wěn)定性較好，僅局部存在少量殘留的分離體和卸荷巖體，岸坡穩(wěn)定受結(jié)構(gòu)體控制。

3 庫岸危巖統(tǒng)計(jì)

為了更詳細(xì)地調(diào)查統(tǒng)計(jì)殘留危巖和卸荷巖體的位置和體積，分別對庫岸邊坡進(jìn)行了分級、分段研究。

垂直向分為三級高邊坡：Ⅰ級邊坡鄰近庫岸，底高程為810～840m、頂高程為870～890m，巖層為崮山組第二段（∈3g2）;Ⅱ級邊坡亦近鄰庫岸，底高程為900～930m、頂高程為1 100～1 150m，巖層為長山組第二段（∈3c2）、鳳山組（∈3f）和冶理組第一段（O1y1）;Ⅲ級邊坡離庫岸較遠(yuǎn)，底高程為1 110～1 300m、頂高程為1 400～1 510m，巖層為下馬家溝組第二段（O2x2）和上馬家溝組第一段（O2s1）。Ⅰ、Ⅱ級之間為長山組第一段（∈3c1）形成的緩坡，坡高為10～20m、坡度為5°～20°;Ⅱ級邊坡以上為冶里組第二段（O1y2）和亮甲山組（O1L）地層形成的陡坡，坡高約190m、坡度為30°～50°，局部還有高約10m的陡坎[5]。

Ⅰ、Ⅱ級邊坡鄰近庫岸，對水庫正常運(yùn)行影響較大，因此重點(diǎn)對其進(jìn)行分析研究。自右壩肩開始，頂部沿環(huán)庫公路引一導(dǎo)線，止于左壩肩，長度約2 100m，將Ⅰ、Ⅱ級邊坡劃分為A、B、C、D四個區(qū)段，分區(qū)分段危巖統(tǒng)計(jì)見表1。

4 危巖處理范圍

在統(tǒng)計(jì)的危巖中，對水庫影響較大的有三處：①B區(qū)，樁號0+400m～0+460m，為F104斷層上盤巖體滑移后殘留的分離體，總體積為0.45×104m3，其中0.30×104m3分布高程為822～890m，影響岸坡防滲體的穩(wěn)定;②路子溝口右側(cè)（B區(qū)樁號0+800m～0+940m），分布在高程950～1 026m，后緣有F114-1斷層切割，東側(cè)為沿F114形成的沖溝（即路子溝），受F114影響，山體內(nèi)NE方向小規(guī)模斷層及NE、NW方向裂隙極為發(fā)育，致使巖體風(fēng)化卸荷，穩(wěn)定性較差，估算其潛在不穩(wěn)定巖體體積為4.8×104m3;③C區(qū)樁號1+200m～1+800m，分布高程900～940m，后緣被F118斷層切割，殘留有分離體和卸荷巖體，殘留體已基本脫離山體，其體積為0.33×104m3，卸荷巖體體積為1.5×104m3。對這三處危巖應(yīng)采取妥善的處理措施。

表1中統(tǒng)計(jì)的不穩(wěn)定巖體總體積約為19.3×104m3，基本位于正常蓄水位840m以上，對水庫有直接影響，應(yīng)采取相應(yīng)處理措施，防止其入庫。此外，Ⅱ級邊坡上尚存在約10×104m3的潛在不穩(wěn)定體，遠(yuǎn)離庫岸的Ⅲ級邊坡上亦存在一些潛在的不穩(wěn)定體，其對水庫雖無直接影響，但應(yīng)注意觀測其變形情況。施工時要嚴(yán)格按照開挖邊坡建議值開挖，盡量不人為地破壞岸坡坡腳，以保持岸坡自然狀態(tài)的穩(wěn)定。

5 危巖處理設(shè)計(jì)

5.1 危巖處理設(shè)計(jì)計(jì)算

5.1.1 計(jì)算工況及荷載組合。根據(jù)本工程的特點(diǎn)，考慮如表2所示的計(jì)算工況及荷載組合。

5.1.2 穩(wěn)定安全系數(shù)的取用。由于庫岸危巖處理工程不同于電站主體工程，因此，考慮適當(dāng)降低危巖體的穩(wěn)定安全系數(shù)，按表3取用。

5.1.3 穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算簡圖如圖1所示（圖中未示地震荷載）。

由于危巖體的穩(wěn)定計(jì)算在規(guī)范中沒有規(guī)定，因此按剛體極限平衡理論計(jì)算，計(jì)算公式如下。

[K=f·ΣWΣP]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

[K′=f′·ΣW+c′?AΣP]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[K]表示按抗剪公式計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);[f]表示危巖體沿假定滑動面的抗剪摩擦系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)專業(yè)提供的資料，取0.55;[ΣW]表示作用在危巖上的全部荷載在垂直于假定滑動面方向的分力;[ΣP]表示作用在危巖上的全部荷載在平行于假定滑動面方向的分力;[K′]表示按抗剪斷公式計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);[f′]、[c′]表示危巖體沿假定滑動面的抗剪斷摩擦系數(shù)和黏聚力，取[f′]=0.65，[c′]=0.5MPa;[A]表示滑動面的計(jì)算截面積。

5.2 危巖處理設(shè)計(jì)

庫區(qū)危巖不穩(wěn)定體BW1～BW14、S2～S3、S6～S8、S10～S11、S13、S17～S18、S20～S21、S25、S29～S32等共計(jì)31塊約19.3×104m3，潛在不穩(wěn)定體QW1～QW13共計(jì)13塊約20.4×104m3。其中，不穩(wěn)定體BW13、S2、S11、S17、S18、S20、S21、S29在水庫庫盆開挖時進(jìn)行處理;BW1～12、BW14、S3、S6～S8、S10、S13、S25、S30～S32共23塊約17.8×104m3，采用爆破技術(shù)挖除。其他潛在不穩(wěn)定體距庫岸較遠(yuǎn)，原則上不做處理，但應(yīng)注意觀測其變形情況。

6 危巖處理措施

①危巖處理開挖采用控制爆破方法。對全部挖除類危巖，全部爆破挖除。對部分挖除類危巖，可進(jìn)行分層分塊鉆孔開挖爆破，部分挖除，開挖應(yīng)當(dāng)由上而下。

②每塊危巖最終實(shí)施的爆破開挖方法還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)地形情況進(jìn)行調(diào)整，避免危巖處理開挖擾動附近山體，或形成新的不穩(wěn)定巖體，以保證經(jīng)危巖處理開挖后的山體和邊坡及其附近的山體和邊坡的穩(wěn)定性。

③為保證水庫庫岸的穩(wěn)定和水庫的安全運(yùn)行，還應(yīng)布設(shè)測量觀測設(shè)施，以觀測水庫庫岸邊坡在運(yùn)行期的穩(wěn)定性，并根據(jù)地形地質(zhì)條件設(shè)置適當(dāng)?shù)穆涫雷o(hù)措施。

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