楊房溝水電站斷層對(duì)左岸壩肩穩(wěn)定性影響及對(duì)策

閆興田，段偉鋒，么倫強(qiáng)

(中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州 311122)

0 前 言

在中國大型水電工程建設(shè)中，工程邊坡高達(dá)數(shù)百米，如在建的白鶴灘水電站壩頂以上最大坡高為366 m，已建成的小灣、烏東德水電站壩頂以上最大坡高均在500 m以上，這些水電高邊坡的建設(shè)規(guī)模和難度均位居世界前列。大型水電工程多位于我國西南高山峽谷地帶，岸坡陡峭，控制性軟弱結(jié)構(gòu)面是決定巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞模式及穩(wěn)定性的重要因素。隨著邊坡的下挖，巖質(zhì)邊坡巖體會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力調(diào)整和向臨空方向的卸荷變形[1-5]。變形量過大時(shí)，將影響邊坡穩(wěn)定，從而制約工程安全，所以需充分重視邊坡變形問題，及時(shí)采取措施控制，提高邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，以滿足永久邊坡安全標(biāo)準(zhǔn)[6-8]。

楊房溝水電站是雅礱江中游河段的第6級(jí)水電站，楊房溝水電站為Ⅰ等大(1)型，電站總裝機(jī)容量1 500 MW，最大壩高155 m，是國內(nèi)首個(gè)采用設(shè)計(jì)施工總承包建設(shè)模式的百萬千瓦級(jí)大型水電工程，被譽(yù)為“第2次魯布革沖擊”。左岸壩肩邊坡開挖高程2 102.00～2 332.00 m，工程邊坡高度達(dá)230 m，2017年9月，當(dāng)左岸壩肩邊坡開挖至2 142.00 m高程時(shí)，左岸纜機(jī)平臺(tái)高程2 187.00 m揭露出斷層f37，致使攬機(jī)平臺(tái)開裂長度達(dá)50 m；左岸壩肩邊坡高程2 250.00～2 140.00 m邊坡整體穩(wěn)定，但受斷層f37和其它結(jié)構(gòu)面組合的影響，邊坡存在局部穩(wěn)定問題。后續(xù)如繼續(xù)開挖，斷層上盤臨空巖體漸變單薄，對(duì)工程邊坡的局部穩(wěn)定性影響將越來越突出。

1 斷層f37基本地質(zhì)條件

1.1 f37斷層屬性

f37斷層所在左岸壩肩邊坡處巖性為花崗閃長巖，呈弱風(fēng)化，產(chǎn)狀N40～60°W，SW∠45～60°，斷層寬10～30 cm。f37斷層在高程2 240.00～2 140.00 m的工程邊坡已揭露，揭露樁號(hào)分別為：高程2 175.00 m樁號(hào)K0+037.00 m、高程2 160.00 m樁號(hào)K0+036.00 m、高程2 140.00 m樁號(hào)K0+058.00 m(見圖1)；其中，高程2 187.00 m以上產(chǎn)狀N75～80°W，SW∠45～50°，寬為20～30 cm，高程2 187.00 m以下產(chǎn)狀N40～60°W，SW∠60°，寬為10～15 cm，帶內(nèi)巖塊、巖屑填充，鐵錳渲染較嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)面類型屬巖塊巖屑型。

圖1 壩肩邊坡高程2 140.00～2 160.00 m斷層位置

根據(jù)斷層揭露性狀，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)成果，斷層f37參數(shù)建議值如下：天然參數(shù)f′=0.5，c′=0.1 MPa；飽和參數(shù)f′=0.45，c′=0.09 MPa。

為了進(jìn)一步查明壩肩邊坡內(nèi)部地質(zhì)情況，采用鉆孔全景成像手段對(duì)左岸壩肩邊坡2182.00 m高程進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)，共布置2個(gè)水平孔。經(jīng)分析，9號(hào)錨索孔(K0+52.50 m)在孔深7.8～8.2 m揭露f37斷層影響帶，斷層寬度5～10 cm，閉合，帶內(nèi)填充巖塊巖屑；10號(hào)錨索孔(K0+57.50 m)在孔深8.7～8.8 m揭露斷層f37，寬度4～5 cm，閉合，帶內(nèi)填充巖塊巖屑。典型剖面見圖2。

1.2 受f37斷層影響塊體及其失穩(wěn)模式

左岸壩肩邊坡高程2 250.00～2 140.00 m邊坡整體穩(wěn)定，局部較破碎，巖體呈次塊狀～鑲嵌結(jié)構(gòu)，以Ⅲ類巖體為主，上、下游開口線附近巖體呈強(qiáng)卸荷，屬Ⅳ類巖體。但受斷層f37、其它結(jié)構(gòu)面、以及開挖臨空面組合影響，斷層跡線附近局部存在塊體穩(wěn)定性問題。

圖2 3-3剖面鉆孔成像示意 單位：m

f37斷層在攬機(jī)平臺(tái)高程2 187.00 m出現(xiàn)張開裂隙主要原因是：工程邊坡下挖到高程2 140.00 m后，f37斷層逐漸出露(如圖3虛線所示)，對(duì)工程邊坡的局部穩(wěn)定性影響將越來越突出，斷層上盤臨空巖體漸變單薄，邊坡巖體應(yīng)力調(diào)整，沿?cái)鄬觙37近平行坡面段產(chǎn)生卸荷松弛現(xiàn)象。

左岸壩肩邊坡2 190.00 m高程以下范圍內(nèi)，f37斷層下游側(cè)出露f169斷層、f166斷層、f145斷層。其中，f169斷層產(chǎn)狀N70°E，SE∠70～75°，寬5～10cm，夾碎裂巖、巖屑，面見鐵錳質(zhì)渲染，出露在高程2 160.00～2 190.00 m邊坡上，在高程2 160.00 m以下逐漸尖滅，結(jié)構(gòu)面類型屬巖塊巖屑型。f166斷層產(chǎn)狀N10～15°E，SE∠80°，寬5～10 cm，夾碎裂巖、巖屑，面見鐵錳質(zhì)渲染，局部蝕變，強(qiáng)～弱風(fēng)化狀，出露在高程2 160.00～2 190.00 m邊坡上，在高程2 160.00 m以下斷層帶變窄，相當(dāng)于節(jié)理，結(jié)構(gòu)面類型屬巖塊巖屑型。

高程2 190.00～2 140.00 m范圍內(nèi)邊坡，f37斷層和f169斷層組合形成潛在不穩(wěn)定塊體1；f37斷層、f169斷層、f166斷層組合形成潛在不穩(wěn)定塊體2，如圖3所示。

1.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在攬機(jī)平臺(tái)裂縫高程2 187.00 m安裝了3支測(cè)縫計(jì)(編號(hào)為Jzbp-1～3)及3個(gè)表面變形臨時(shí)測(cè)點(diǎn)(TPzbp-1～3)，以監(jiān)測(cè)裂縫的開合變化情況。儀器安裝埋設(shè)位置如圖4所示。

圖3 f37斷層影響潛在不穩(wěn)定塊體三維

圖4 高程2187.00 m f37斷層裂縫觀測(cè)點(diǎn)示意

截止9月14日，Jzbp-1(裂縫最上游、9月5日安裝)累計(jì)開合度為0.08 mm；Jzbp-2(裂縫中間、9月5日安裝)累計(jì)開合度為0.07 mm；Jzbp-3(裂縫最下游、9月4日安裝)累計(jì)開合度為-0.08 mm。

左岸裂縫高程2 187.00 m平臺(tái)3個(gè)表面變形測(cè)點(diǎn)TPzbp-1～3顯示當(dāng)前水平位移累計(jì)量介于-1.5～2.5 mm，24 h變化量介于-0.8～1.7 mm；垂直位移累計(jì)量介于-1.6～1.7 mm，24 h變化量介于-1.5～-0.1 mm；各測(cè)點(diǎn)變化量均在±2.5 mm(測(cè)量精度)以內(nèi)。綜合觀測(cè)誤差等因素，該部位在未繼續(xù)下部開挖的情況下，變形量較小。監(jiān)測(cè)成果顯示，近期f37斷層及其影響塊體未發(fā)生變形。

2 f37斷層影響邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 3DEC離散元法邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)開挖揭露的巖體結(jié)構(gòu)特征，不利斷層組合后可能在纜機(jī)平臺(tái)以下邊坡形成塊體1、塊體2，塊體1由f37、f169組合而成，塊體2由斷層f37、f166及優(yōu)勢(shì)節(jié)理等組合而成，塊體均以f37為潛在底滑面，塊體的空間分布特征如圖5～7所示，計(jì)算表明，塊體1、塊體2及塊體1+塊體2組合塊體的潛在破壞模式均為滑移破壞。

圖5 塊體1典型破壞模式示意

圖6 塊體2典型破壞模式示意

圖7 塊體1+塊體2典型破壞模式示意

2.2 剛體極限平衡法邊坡穩(wěn)定性分析

(1) 計(jì)算模型

根據(jù)赤平投影(見圖8)分析，f37作為底滑面與側(cè)滑面f169組合形成不利塊體1，f37作為底滑面與側(cè)滑面f169、f166組合形成不利塊體2，在重力及纜機(jī)荷載作用下，塊體1和塊體2有可能產(chǎn)生平面型滑動(dòng)破壞。計(jì)算塊體1選取2-2剖面計(jì)算，塊體2選取4-4剖面計(jì)算，如圖9、10所示。

圖8 穩(wěn)定性分析赤平投影圖

圖9 塊體1典型剖面示意 單位：m

(2) 計(jì)算結(jié)果

穩(wěn)定分析分為邊坡完成開挖后，纜機(jī)基礎(chǔ)混凝土澆筑前、纜機(jī)基礎(chǔ)混凝土澆筑后(纜機(jī)未運(yùn)行)、纜機(jī)運(yùn)行期三個(gè)時(shí)期進(jìn)行計(jì)算?？紤]邊坡永久運(yùn)行期無纜機(jī)運(yùn)行荷載，而其設(shè)計(jì)安全系數(shù)與纜機(jī)運(yùn)行期一致，故纜機(jī)運(yùn)行期若能夠滿足設(shè)計(jì)安全系數(shù)，邊坡永久運(yùn)行期則自然滿足。

1) 纜機(jī)基礎(chǔ)混凝土澆筑前

纜機(jī)基礎(chǔ)混凝土澆筑前且無支護(hù)措施時(shí)對(duì)塊體1、塊體2進(jìn)行剛體極限平衡計(jì)算，其穩(wěn)定安全系數(shù)如表1所示。在暴雨?duì)顟B(tài)下塊體1的安全系數(shù)值小于標(biāo)準(zhǔn)值1.15，不滿足規(guī)范要求。故需對(duì)塊體1采取加固措施。經(jīng)復(fù)核計(jì)算，為滿足塊體1暴雨期穩(wěn)定要求，需要單寬1 200 kN加固力，即布置3排2 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索@5 m×5 m。

表1 塊體1、塊體2穩(wěn)定安全系數(shù)

2) 纜機(jī)基礎(chǔ)混凝土澆筑后(纜機(jī)未運(yùn)行)

高程2 187.00～2 130.00 m邊坡按設(shè)計(jì)已明確的4排錨索措施施工完成后，對(duì)塊體1和塊體2進(jìn)行剛體極限平衡計(jì)算，其穩(wěn)定安全系數(shù)如表2所示。

表2 塊體1、塊體2穩(wěn)定安全系數(shù)

表2可知，在暴雨?duì)顟B(tài)下塊體1的安全系數(shù)值1.11，不滿足規(guī)范要求。塊體2滿足規(guī)范要求。故纜機(jī)基礎(chǔ)混凝土澆筑后塊體1不滿足規(guī)范要求，控制工況為暴雨工況，需要在澆筑基礎(chǔ)混凝土前采取加強(qiáng)支護(hù)處理措施。

經(jīng)計(jì)算分析，為使塊體1在澆筑纜機(jī)基礎(chǔ)混凝土后滿足穩(wěn)定要求，需單寬加固力2 000 kN，布置5排2 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索@5 m×5 m，控制工況為暴雨工況；為使塊體2滿足穩(wěn)定要求，需要單寬加固力800 kN，需要布置2排2 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索@5 m×5 m，控制工況為暴雨工況。

3) 纜機(jī)運(yùn)行期

經(jīng)計(jì)算分析，為滿足塊體1在纜機(jī)運(yùn)行期各種工況下的穩(wěn)定性，需單寬加固力3 600 kN，布置9排2 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索@5 m×5 m，控制工況為暴雨工況；為滿足塊體2在纜機(jī)運(yùn)行期各種條件下的穩(wěn)定性，需要單寬加固力2 400 kN，布置6排2 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索@5 m×5 m，控制工況為暴雨工況。加固后，塊體1和塊體2穩(wěn)定安全系數(shù)如表3所示。

表3 加固后塊體1、塊體2穩(wěn)定安全系數(shù)

3 加固措施及安全監(jiān)測(cè)布置

根據(jù)塊體穩(wěn)定計(jì)算分析成果，為滿足邊坡下挖及纜機(jī)混凝土澆筑、纜機(jī)運(yùn)行邊坡穩(wěn)定要求，對(duì)加固及監(jiān)測(cè)措施設(shè)置如下：

(1) 爆破開挖2 130.00 m高程以下邊坡及纜機(jī)基礎(chǔ)混凝土澆筑前需完成的加固措施(Ⅰ期加固)。

(2) 纜機(jī)運(yùn)行前需完成的加強(qiáng)支護(hù)措施(Ⅱ期加固)。

(3) 針對(duì)斷層f37影響區(qū)域原已布置1套多點(diǎn)位移計(jì)、6支錨桿應(yīng)力計(jì)、2臺(tái)錨索測(cè)力計(jì)、2個(gè)表面變形測(cè)點(diǎn)。為觀測(cè)在施工期及運(yùn)行期間f37斷層對(duì)左岸纜機(jī)運(yùn)行及邊坡穩(wěn)定的影響，在高程2 187.00 m平臺(tái)裂縫產(chǎn)生位置增加2組三向測(cè)縫計(jì)，觀測(cè)f37斷層變形情況；同時(shí)在2 162.00 m高程新增的錨索上選擇布置1臺(tái)錨索測(cè)力計(jì)，在2 143.00 m高程新增的錨索上選擇布置1臺(tái)錨索測(cè)力計(jì)。

4 結(jié) 論

(1) f37斷層所在左岸壩肩邊坡巖性為花崗閃長巖，高程2 187.00 m以下邊坡主要受f37影響，可能形成以f37為底滑面，以f169斷層、f166斷層為側(cè)滑面的潛在不穩(wěn)定塊體，在重力及纜機(jī)荷載作用下，可能產(chǎn)生滑移破壞。

(2) 三維離散元計(jì)算成果表明，f37斷層和f169斷層組合形成的塊體1以及f37斷層、f169斷層、f166斷層組合形成的塊體2破壞模式均為以斷層f37為底滑面的滑移破壞模式。

(3) 剛體極限平衡計(jì)算成果表明,為滿足纜機(jī)運(yùn)行及邊坡永久運(yùn)行的穩(wěn)定要求，應(yīng)對(duì)塊體1和塊體2進(jìn)行加固，布置5排2 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索后，塊體各工況下安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求；布置9排2 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)后，各種荷載組合情況下，塊體各工況下安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，說明當(dāng)前擬定支護(hù)方案是合適的，能夠滿足纜機(jī)運(yùn)行期及永久運(yùn)行期邊坡穩(wěn)定要求。

(4) 在邊坡后續(xù)的開挖過程中，應(yīng)重視對(duì)塊體1、塊體2變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，及時(shí)反饋并為邊坡支護(hù)提供依據(jù)。