況磊強(qiáng),楊曉娟,費(fèi)文平,陳科文,崔華麗

(四川大學(xué) 水利水電學(xué)院,成都 610065)

1 概 述

拉裂變形體(簡(jiǎn)稱拉裂體)是指邊坡在自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)下快速卸荷引起的巖體淺表層改造,形成卸荷松動(dòng)巖體[1]。拉裂體是一類特殊的危巖體,具有明顯拉裂變形、節(jié)理松動(dòng)、巖體架空特征,是我國(guó)西南峽谷地區(qū)工程建設(shè)所要面臨的一種復(fù)雜的工程地質(zhì)和巖土工程問(wèn)題[2]。作為一種特殊的地質(zhì)分離體,其穩(wěn)定評(píng)價(jià)方法尚不成熟。表1列出了我國(guó)部分已建或在建水電站出現(xiàn)拉裂變形體的工程,拉裂體邊坡的穩(wěn)定性研究具有重要的工程意義。本文采用極限平衡法和監(jiān)測(cè)手段,以某水電站壩前右岸拉裂變形體的一個(gè)斷面為研究對(duì)象,對(duì)施工期穩(wěn)定性進(jìn)行探討,以期為其他類似工程作借鑒。

表1 我國(guó)已建或在建水電站出現(xiàn)拉裂變形體的工程Table 1 Tension-fracture deformations in rockmass appearing in hydropower stations in China

2 工程簡(jiǎn)介

某水電站最大壩高為186 m,水庫(kù)正常蓄水位850.00 m,水庫(kù)總庫(kù)容53.37億m3,電站裝機(jī)總?cè)萘? 300 MW。

壩前右岸拉裂變形體,位于右岸壩軸線上游約780 m左右。如圖1所示,拉裂體前緣高程約為730.00 m,后緣高程約為1 187.00 m,前后緣平面長(zhǎng)約400 m,寬約360 m,高差 450 m。

圖1 拉裂體平面圖Fig.1 Plane view of the tension-fracture rock mass

該變形體為一凸出的山包,兩側(cè)有深 10～35 m淺溝切割。岸坡坡度在高程980.00 m以下近 50°,高程980.00 m以上近 40°。拉裂體岸坡出露地層主要為中前震旦系淺變質(zhì)玄武巖和震旦系下統(tǒng)中基性火山巖,夾多層凝灰質(zhì)砂礫巖。坡體內(nèi)構(gòu)造發(fā)育,共揭露斷層、錯(cuò)動(dòng)帶 93條,主要發(fā)育方向?yàn)轫槍訑D壓性質(zhì)的北西向中陡傾坡內(nèi)(SW傾向)結(jié)構(gòu)面和順坡北西走向的陡、中、緩傾坡外(NE傾向)結(jié)構(gòu)面。巖體以弱風(fēng)化為主,巖體卸荷、松弛較強(qiáng)烈,巖體強(qiáng)卸荷深一般為30～60 m,最深約70 m;弱卸荷一般為65～90m,最深約100m。卸荷、松弛巖體中局部充填次生泥和次生泥膜。

該變形體規(guī)模巨大,距大壩較近,位置較高,所處位置敏感,其破壞方式、穩(wěn)定狀況、發(fā)展趨勢(shì)直接影響著施工期導(dǎo)流洞、上游圍堰以及電站運(yùn)行期間廠房進(jìn)水口和大壩的安全。

3 拉裂體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

本文首先利用二維極限平衡法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,計(jì)算程序采用通用商業(yè)軟件 GEOSLOPE公司開發(fā)的SLOPE/W。以圖1中縱 1-1斷面為例,采取滑面搜索的方法確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的范圍及邊界條件。天然狀態(tài)下最終確定的滑動(dòng)面如圖2所示。分別計(jì)算了加固前后天然蓄水、正常蓄水、正常蓄水 +水位驟降 3種工況下的穩(wěn)定性。其中治理后模擬邊坡加錨索措施,采用搜索滑動(dòng)面粗略計(jì)算,Morgenstern-Price法計(jì)算邊坡的安全系數(shù)如表2所示。

圖2 最危險(xiǎn)滑面位置Fig.2 Location of the most dangerous sliding surface

表2 拉裂體的安全系數(shù)(M-P法)Table 2 Safety factor of the tension-fracture rock mass

由表2可知,若不進(jìn)行加固,工程邊坡安全系數(shù)較小,蓄水后更加不能滿足規(guī)范允許安全系數(shù),加固后安全系數(shù)均在1.25以上,能滿足要求。

4 安全監(jiān)測(cè)與穩(wěn)定性分析

4.1 監(jiān)測(cè)儀器布置

監(jiān)測(cè)以內(nèi)、外觀并重的原則,并充分利用已有的平硐。如圖1所示,監(jiān)測(cè)變形設(shè)計(jì)的項(xiàng)目包括:地表三維變形測(cè)量,在已有水平勘探硐進(jìn)行測(cè)斜及水平位移觀測(cè)等。另外,在新縱 1-1、新縱 2-2、新縱 6-6剖面設(shè)有 4個(gè)垂直孔 BZK01～04,用做垂直測(cè)斜。

以縱 1-1剖面為監(jiān)測(cè)縱剖面為例,自上而下分別在硐 7、硐 11、硐 6和硐 9四個(gè)勘探水平硐內(nèi),沿硐軸線水平布置測(cè)斜導(dǎo)管,管外安裝磁感應(yīng)環(huán),采用滑動(dòng)測(cè)微計(jì)觀測(cè)沿硐軸線方向(即左右岸方向)的水平變形。垂直測(cè)斜孔 BZK01用來(lái)測(cè)左右岸坡方向和上下游方向變形。外觀觀測(cè)點(diǎn) T03,T07,T11可以對(duì)該部位不同高程進(jìn)行三維變形觀測(cè),T13可用以檢測(cè)外側(cè)坡體的穩(wěn)定性(工作基點(diǎn)設(shè)在河對(duì)岸)。

測(cè)斜儀是一種量測(cè)儀器軸線與鉛垂線之間夾角變化量的儀器[3],通過(guò)量測(cè)變化量進(jìn)而計(jì)算出巖土層各點(diǎn)的水平位移。測(cè)斜儀套管一般安裝在近似垂直的鉆孔內(nèi),鉆孔需預(yù)料可能發(fā)生位移的區(qū)域,套管的底部嵌入穩(wěn)定的基巖作為基準(zhǔn)?；瑒?dòng)測(cè)微計(jì)是一種手提式高精度變形測(cè)量?jī)x器,用以測(cè)定鉆孔中相距 1m的兩點(diǎn)間的位移差,也可以說(shuō)是一種手提式應(yīng)變計(jì),它能準(zhǔn)確地測(cè)定鉆孔軸向的應(yīng)變分布規(guī)律[4]。鄧建輝等[5]利用滑動(dòng)測(cè)微計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析,取得了較好的效果。

4.2 安全監(jiān)測(cè)成果分析

以縱 1-1剖面(監(jiān)測(cè)布置見(jiàn)圖1)為例,外觀觀測(cè)點(diǎn)T03、垂直測(cè)斜孔 BZK01的測(cè)斜儀IN1、11#水平探硐的滑動(dòng)測(cè)微計(jì)INH3的監(jiān)測(cè)成果曲線分別見(jiàn)圖3至圖5。T03在該斷面的中上部,其測(cè)點(diǎn)高程981.781 m;BZK01孔測(cè)斜儀深49 m,其孔口在拉裂體后緣部位;滑動(dòng)測(cè)微計(jì)安裝在拉裂體中部位置,孔口高程861.748 m。其中,外觀觀測(cè)以 2008年6月13日取得基準(zhǔn)值,變形基點(diǎn)設(shè)在對(duì)岸的相對(duì)不動(dòng)點(diǎn),x向指上下游方向,向下游為正,y向指左右岸方向,向臨空面(河中心)為正,z向指垂直方向,以下沉為正。測(cè)斜儀以 49 m孔深處為基準(zhǔn),合位移指 A向位移(左右岸方向)、B向位移(上下游方向)的有向和。滑動(dòng)測(cè)微計(jì) INH3以98.5 m深孔底當(dāng)做基準(zhǔn)點(diǎn),累計(jì)位移從孔底開始,以每1.0 m套管相對(duì)變形累加。

圖3 外部變形觀測(cè)點(diǎn)T03各向變形曲線Fig.3 Curves of the outer deformation at measuring point T 03

圖4 測(cè)斜儀 IN1累計(jì)合位移-深度關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves of accumulatively resultant displacement versus depth obtained by the inclinometer IN1

圖5 滑動(dòng)測(cè)微計(jì)INH3孔深-累計(jì)位移曲線Fig.5 Relation curves of accumulatively resultant displacement versus depth obtained by the sliding micrometer INH3

監(jiān)測(cè)成果表明,拉裂體邊坡變形主要以左右岸方向?yàn)橹?可能存在一個(gè)滑動(dòng)帶。

由圖3可知,外觀測(cè)量點(diǎn) T03向臨空面位移達(dá)到79.56mm,三向合位移81.14mm,可以看出,變形主要以左右岸方向?yàn)橹鳌?/p>

由圖4可知,IN1孔口累計(jì)位移70.46mm。從測(cè)斜孔孔口到孔底深度范圍可分為4段:第1段為孔口至孔深5.5m段,處于覆蓋層表面,存在一定變形;第2段為孔深5.5～15.5 m段,各點(diǎn)位移基本一致,近乎一直線,5.5 m處累計(jì)位移為55.86 m,15.5 m處累計(jì)位移為53.30mm;第3段為孔深15.5～23.5 m段,各點(diǎn)變形成一個(gè)斜率很小的線,該段變形占總體變形72.9%,是邊坡變形的主要部分;第4段為孔深23.5 m至孔底段,各點(diǎn)位移在0附近近乎成一垂線,各點(diǎn)與初始安裝時(shí)無(wú)變形。

由圖5可知,INH3到 2009年4月孔口累計(jì)位移23.5mm,孔深62.5～63.5 m段錯(cuò)動(dòng)變形量為7.3mm,占總變形的30.9%,在2008年12月該段變形占總變形的比例曾最高達(dá)到48.5%。除該段外,各段變形都較小,直線斜率不變,變形一致。

變形呈現(xiàn)出以下規(guī)律:①變形均表現(xiàn)為向河中心方向的正位移,并以該方向?yàn)橹饕冃畏较?②拉裂體頂部高程變形量大于底部變形,表3是不同高程孔口累計(jì)(合)變形量值,728.97 m高程 9#探硐孔口變形量最小,為1.50mm,最大變形量為外觀點(diǎn)T03為79.56mm;③拉裂體地質(zhì)條件相對(duì)薄弱處變形是變形的主要部分,如 IN1的孔深15.5～23.5 m段,INH3的62.5～63.5 m段,這些部位均處巖體變化處(見(jiàn)圖6)。

表3 縱 1-1斷面部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量統(tǒng)計(jì)表Table 3 Displacements of monitoring points at section 1-1

圖6 可能滑動(dòng)面示意圖Fig.6 Layout sketch of a possible sliding surface

4.3 可能滑動(dòng)面分析及滑動(dòng)趨勢(shì)分析

由圖4和圖5可知,測(cè)斜孔 BZK01存在一個(gè)距孔口約20 m、深約8 m的破碎帶,11#探硐在深 63 m處也存在一個(gè)寬小于1 m的薄弱層,將兩孔出現(xiàn)位錯(cuò)的大概位置連接,形成的可能滑面 1如圖6所示。

從圖6中可以看出,可能滑動(dòng)面 1基本與強(qiáng)卸荷下限重合,可以推斷可能滑動(dòng)面 1即為強(qiáng)卸荷下限。BZK01的“錯(cuò)動(dòng)帶”跨越卸荷松動(dòng)體和弱卸荷下限,11#探硐 “錯(cuò)動(dòng)帶”的規(guī)模、錯(cuò)動(dòng)距離都比BZK01孔的“錯(cuò)動(dòng)帶”要小很多,卸荷松動(dòng)體線推斷為可能滑動(dòng)面 2。

鑒于拉裂體的重要性,而拉裂體地質(zhì)較為破碎,從開工到 2008年8月,該處發(fā)生多次局部淺表部位拉裂滑塌失穩(wěn)現(xiàn)象[6],2008年6-12月對(duì)拉裂體進(jìn)行了大規(guī)模加固措施。治理主要措施兼顧淺部和深部,采用錨索、錨筋束和錨桿相結(jié)合的綜合治理措施,表面噴有混凝土,坡腳鎖固區(qū)采用貼坡混凝土和錨索加固。此外,處理工作還包括清坡、排水、裂縫回填等。

圖7為IN1孔深15.5～23.5 m合位錯(cuò)以及滑動(dòng)測(cè)微計(jì)INH3孔深62.5～63.5 m水平向錯(cuò)動(dòng)的時(shí)間曲線。

圖7 “錯(cuò)動(dòng)帶”的錯(cuò)動(dòng)-時(shí)間曲線Fig.7 Relation curves of fracture zone's displacement-time

由圖可知,2個(gè)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)相似,從開始觀測(cè)到 2008年12月,曲線的斜率基本保持不變,表明錯(cuò)動(dòng)一直處于發(fā)展過(guò)程中。進(jìn)入加固處理的后期,邊坡錯(cuò)動(dòng)的速率明顯趨緩。例如,IN1測(cè)斜孔和位錯(cuò)速率 2008年3月達(dá)到14.7mm/月,到 2009年4月降到0.9mm/月,滑動(dòng)測(cè)微計(jì) INH3錯(cuò)動(dòng)速率觀測(cè)初期為1.0mm/月,到 2009年4月降到0.1mm/月。隨著邊坡處理的逐步結(jié)束,變形速率明顯趨緩,變形基本收斂,施工期的拉裂體邊坡趨于穩(wěn)定。

上述分析表明:錨索、錨桿和錨筋束以及坡腳外加混凝土貼坡的方法對(duì)拉裂體的加固是有效的。

5 結(jié) 論

本文采用數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法,結(jié)合地質(zhì)資料,對(duì)某水電站壩前右岸拉裂變形體的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。主要結(jié)論如下:

(1)拉裂體邊坡在二維極限平衡分析中通過(guò)滑面搜索技術(shù),在正常蓄水位 +水位驟降工況下邊坡的安全系數(shù)為1.071,需進(jìn)行加固設(shè)計(jì);加固后計(jì)算安全系數(shù)為1.407,滿足要求。

(2)該拉裂變形體頂部高程變形較大,“破碎帶”錯(cuò)動(dòng)是變形的主要原因,頂高程 BZK01測(cè)斜孔和中高程 11#探硐的“破碎帶”變形占變形的總比例分別達(dá)到72.9%和30.9%。

(3)隨著加固的逐步結(jié)束,邊坡變形基本收斂,表明本工程加固合理到位,通過(guò)該工程研究與分析,可為今后其他類似工程施工提供重要參考和借鑒。

(4)在邊坡的運(yùn)行和治理過(guò)程中,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)非常必要的施工控制技術(shù),有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能較好地反映當(dāng)前邊坡的運(yùn)行狀態(tài),不僅對(duì)支護(hù)加固效果做較好的監(jiān)測(cè),還能對(duì)施工起到較好的指導(dǎo)作用。

[1]陳 鴻,趙其華,陳衛(wèi)東.某水電站庫(kù)首右岸拉裂變形體形成機(jī)理研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2005,25(3):25-29.(CHENHong,ZHAOQi-hua,CHENWeidong.Forming mechanism of a tenstion-displaced body of a hydropower station slope[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2005,25(3):25-29.(in Chinese))

[2]曹林曦.牙根水電站拉裂松動(dòng)巖體穩(wěn)定性研究[D].成都:四川大學(xué),2009.(CAO Lin-xi.Study on stability of loosened-tension crack rock mass of Yagen power station[D].Chengdu:Sichuan University,2009.(in Chinese))

[3]王義鋒.基于測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)成果的蠕滑體變形機(jī)制分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(1):212-216.(WANG Yi-feng.Analysis of creep deformation mechanism based on inclinometer monitoring results[J].Chinsee Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(1):212-216.(in Chinese))

[4]李光煜.滑動(dòng)測(cè)微計(jì)簡(jiǎn)介[J].巖土力學(xué),1988,9(1):77-81.(LI Guang-yu.Introduction of sliding micromemter[J].Rock and Soil Mechanics,1988,9(1):77-81.(in Chinese))

[5]鄧建輝,王 浩,姜清輝,等.利用滑動(dòng)變形計(jì)監(jiān)測(cè)巖石邊坡松動(dòng)區(qū)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(2):180-184.(DENG Jian-hui,WANG Hao,JIANG Qing-hui,et al.Monitor of disturbed zone for rock slope by slide deformeter[J].Chinese Journal of Rock mechanics and Engineering,2002,21(2):180-184.(in Chinese))

[6]中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘察設(shè)計(jì)研究院.庫(kù)首右岸拉裂變形體穩(wěn)定性研究地質(zhì)報(bào)告[R].成都:中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘察設(shè)計(jì)研究院,2005.(Hydrochina Chengdu Engineering Corporation.Study on stability of the tension-displaced rock mass in front of the dam of Pubugou Hydropower Station[R].Chengdu:Hydrochina Chengdu Engineering Corporation,2005.(in Chinese))

[7]宋勝武,鞏滿福,雷承第.峽谷地區(qū)水電工程高邊坡的穩(wěn)定性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(2):226-233.(SONG Sheng-wu,GONG Man-fu,LEI Cheng-di.Study on stability of high rock slope in hydropower engineering[J].Chinese Journal of Rock mechanics and Engineering,2006,25(2):226-233.(in Chinese))