李建鋒,田保明,張 明,趙宇飛,羅小濤
(1.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開(kāi)發(fā)有限公司,新疆 喀什 844000;2.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000;3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)
近年來(lái),水利水電工程建設(shè)成為國(guó)家拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要舉措,新建的工程大多位于地質(zhì)條件較為惡劣的高山峽谷區(qū),工程建設(shè)中涉及到的巖體開(kāi)挖,改變了河流兩岸巖土體的平衡體系,邊坡穩(wěn)定問(wèn)題成為工程建設(shè)中重要的安全隱患,一旦邊坡失穩(wěn),將引發(fā)巨大的災(zāi)難。因此,對(duì)于大型天然邊坡、古滑坡及工程開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定及處置技術(shù),目前已經(jīng)開(kāi)展了廣泛的研究,獲得了許多重要的成果,同時(shí)為水利水電工程建設(shè)提供了重要保障。
但是,除了大型邊坡穩(wěn)定問(wèn)題,在邊坡中隨機(jī)分布的體量較小的不穩(wěn)定塊體(危巖體),也是工程建設(shè)及運(yùn)行安全的重大隱患。這些危巖體主要是由于多組結(jié)構(gòu)面交切而成,由于其具有方量較小、分布分散、受地形條件影響較大等特點(diǎn),危巖體的識(shí)別、分析及處理措施一直是水利水電工程建設(shè)中的難題。
阿爾塔什水利樞紐屬于葉爾羌河干流“兩庫(kù)十四級(jí)”梯級(jí)規(guī)劃中的第11個(gè)梯級(jí),水庫(kù)總庫(kù)容量為22.49億m3,其擋水壩為混凝土面板砂礫石壩,最大壩高為164.8m,是大(1)型Ⅰ等項(xiàng)目工程。壩體右岸邊坡地形高陡,山體較寬厚,岸坡基巖裸露,坡高為565~610m。其走向近為EW走向,岸坡自然坡度在高程1960m以下為50°~55°,以上為75°~80°。岸坡局部較陡峭,整體呈穩(wěn)定狀態(tài)。
右岸邊坡中發(fā)育有F9斷層,斷層斜切右岸高陡邊坡,其中出露地表部分約650m,為一上盤向西平移的逆斷層,兩盤的巖石層主要由灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r組成,斷層產(chǎn)狀為310°SW∠30°~35°,破碎帶寬度范圍為2.0~8.0m,影響帶寬約為40m,斷層帶主要為碎裂巖、斷層泥以及夾糜棱巖。受斷層影響,右岸高邊坡中分布各種形狀各異、成因不同、方量不一的不穩(wěn)定塊體30余塊,這些不穩(wěn)定塊體的處理關(guān)系到整個(gè)工程建設(shè)進(jìn)度與安全可靠,成為控制大壩填筑的重要因素。在這樣的背景下,利用激光掃描及人工勘測(cè)對(duì)邊坡中的不穩(wěn)定塊體進(jìn)行了系統(tǒng)分析,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了不穩(wěn)定塊體分區(qū)分類,并針對(duì)不同的塊體提出了具體的處理方案,形成了阿爾塔什右岸高陡邊坡不穩(wěn)定塊體群處理關(guān)鍵技術(shù),為工程的安全建設(shè)與可靠性提供了重要的保障。
阿爾塔什水電站壩址區(qū)右岸邊坡地形陡峭,邊坡表面裸露基巖,基本無(wú)植被。原始邊坡的坡高超過(guò)600m,面板壩趾板由人工開(kāi)挖形成的邊坡,高約90m。邊坡在地形上具有上陡下緩的特點(diǎn),以該邊坡的控制性結(jié)構(gòu)面F9斷層為界,上部地形較陡,坡度超過(guò)70°,局部地段近于直立,斷層下部地形較緩,邊坡坡度約為40°。
阿爾塔什右岸邊坡基本上可以劃分為兩部分,上游側(cè)邊坡傾向NW,下游側(cè)傾向NE。邊坡巖層主要由上石炭統(tǒng)塔合奇組(C3t)的厚層白云巖與白云質(zhì)灰?guī)r組成。區(qū)內(nèi)除發(fā)育的最大的結(jié)構(gòu)面,也是控制性結(jié)構(gòu)面為F9斷層,另外還發(fā)育其它卸荷裂隙、層理等結(jié)構(gòu)面。
根據(jù)工程地質(zhì)勘察對(duì)右岸邊坡中發(fā)育的各類結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析可知,阿爾塔什右岸高邊坡主要發(fā)育有以下三組結(jié)構(gòu)面,分別為:產(chǎn)狀為NW300°~NE10°∠60°~80°的卸荷裂隙,產(chǎn)狀為SW230°∠30°~50°的層面與50°~110°∠50°~70°的結(jié)構(gòu)面。這些結(jié)構(gòu)面與傾向NW或NE的邊坡坡面相互組合,形成了阿爾塔什右岸高陡邊坡中隨機(jī)出露的不穩(wěn)定塊體,為工程建設(shè)的安全造成了重要的影響。
結(jié)合阿爾塔什水利樞紐工程地質(zhì)勘察工作,對(duì)右岸高邊坡中賦存的不穩(wěn)定塊體進(jìn)行了不同階段的調(diào)查,通過(guò)調(diào)查對(duì)右岸不穩(wěn)定塊體分布、主要特點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。在工程地質(zhì)勘探前期,由于右岸邊坡高陡,沒(méi)有施工便道進(jìn)行右岸邊坡實(shí)體勘察,結(jié)合右岸高陡邊坡中地質(zhì)構(gòu)造賦存方式及工程開(kāi)挖布置,利用非接觸式激光掃描技術(shù)對(duì)右岸高邊坡進(jìn)行了掃描分析;工程地質(zhì)勘探后期,結(jié)合實(shí)地踏勘與全站儀測(cè)量,對(duì)右岸高陡邊坡中的不穩(wěn)定塊體進(jìn)行了測(cè)量與調(diào)查。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及不穩(wěn)定塊體調(diào)查分布如圖1所示。
圖1 阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡危巖體分布示意圖
從圖1中可以看出,在右岸高邊坡中不穩(wěn)定塊體分布很廣,結(jié)合水利樞紐運(yùn)行等綜合信息,依據(jù)不穩(wěn)定塊體失穩(wěn)后對(duì)樞紐工程運(yùn)行的影響,將其分為四個(gè)區(qū),分別為A區(qū)、B1區(qū)、B2區(qū)與C區(qū)。另外在這幾個(gè)區(qū)中分為兩類危巖體,用黑色線圈圈起來(lái)的塊體方量較大;用白色線圈圈起來(lái)的主要是高邊坡表層較小的塊石垮落。
各部分不穩(wěn)定塊體詳細(xì)的調(diào)查與測(cè)量以及危巖體方量的估算見(jiàn)表1。
表1 阿爾塔什水利樞紐工程右岸高邊坡不穩(wěn)定塊體統(tǒng)計(jì)表
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘,對(duì)阿爾塔什右岸高陡邊坡中的結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),得到的結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析結(jié)果如圖2所示。
圖2 阿爾塔什右岸高陡邊坡結(jié)構(gòu)面調(diào)查成果(上半球投影)
阿爾塔什的右岸高邊坡主要由三組結(jié)構(gòu)面組成分別是:產(chǎn)狀為SW230°∠30°~50°的層面、產(chǎn)狀為NW300°~NE10°∠60°~80°的卸荷裂隙以及50°~110°∠50°~70°的結(jié)構(gòu)面。邊坡區(qū)內(nèi)除發(fā)育有控制性的F9斷層外,也存在其它的小型結(jié)構(gòu)面,如卸荷裂隙、層理等。受F9斷層的擠壓與結(jié)構(gòu)面的切割作用,邊坡表面巖體較為破碎,孤石林立,特別是在F9斷層的核部與影響帶范圍內(nèi),在斷層擠壓作用下,巖體十分破碎,呈碎裂結(jié)構(gòu)。
對(duì)各個(gè)區(qū)內(nèi)的不穩(wěn)定塊體調(diào)查與測(cè)量得到的信息進(jìn)行了細(xì)致分析,并在此基礎(chǔ)上對(duì)各區(qū)內(nèi)的不穩(wěn)定塊體進(jìn)行了失穩(wěn)破壞模式、穩(wěn)定分析以及失穩(wěn)垮落后的危害進(jìn)行了分析,右岸高邊坡中分布的不穩(wěn)定塊體主要有以下幾種失穩(wěn)破壞模式:
(1)楔形體失穩(wěn)破壞
楔形體失穩(wěn)破壞主要出現(xiàn)在右岸高邊坡內(nèi)的3組主要結(jié)構(gòu)面分別為:傾向?yàn)镹W的陡傾角卸荷裂隙、傾向?yàn)镾W的中緩傾角層面,以及垂直邊坡表面傾向?yàn)镋/SE的陡傾角隨機(jī)結(jié)構(gòu)面。這幾組結(jié)構(gòu)面相互組合可能形成失穩(wěn)的楔形體,兩個(gè)底滑面主要由卸荷裂隙和傾向?yàn)镋/SE的陡傾角結(jié)構(gòu)面組成。
如在不穩(wěn)定塊體W14,右岸高邊坡頂端的不穩(wěn)定塊體W1~W9內(nèi)都可以見(jiàn)到這種模式的塊體失穩(wěn)后的楔形體槽等,如圖3所示。
圖3 危巖體W14區(qū)內(nèi)形成的較大方量的楔形體
另外的一種塊體破壞模式,主要是在右岸高邊坡中,中低高程中由傾向NW的陡傾角的卸荷裂隙與傾向SW的中緩傾角的層面,作為底滑面;垂直邊坡表面發(fā)育的傾向E/SE的陡傾角的隨機(jī)結(jié)構(gòu)面?zhèn)惹袔r體形成臨空面,或有自然的臨空面,所組成的可能失穩(wěn)的塊體。
如在右岸高邊坡中方量最大的不穩(wěn)定塊體W19,以卸荷裂隙與巖層層面作為滑面,與其兩側(cè)由于巖體崩塌所形成的臨空面形成較大的塊體。
(2)單滑面失穩(wěn)破壞
單滑面失穩(wěn)破壞所發(fā)生的區(qū)域主要為卸荷裂隙為滑面、危巖體兩側(cè)的邊坡崩塌巖體以及沖蝕而形成的臨空面組成的不穩(wěn)定塊體。另外右岸高邊坡坡面上堆積的坡積物兩側(cè)有沖溝形成孤立山梁時(shí),其可能的失穩(wěn)模式也屬于該類型,如圖4所示。
圖4 危巖體單滑面滑動(dòng)失穩(wěn)模式示意圖
采取三維剛體極限平衡法,對(duì)阿爾塔什右岸高邊坡表層露出的不穩(wěn)定塊體在蓄水前的狀況、自然降雨時(shí)的狀況以及正常蓄水位遭遇地震等情況的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。
考慮地震情況下,在每個(gè)土條的重心處施加水平與豎直兩方向的地震力,在對(duì)應(yīng)方向設(shè)防烈度,根據(jù)邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范選用擬靜力法對(duì)其進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析。右岸高陡邊坡中巖體參數(shù)及各結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 右岸高邊坡不同類型結(jié)構(gòu)面的參數(shù)建議值與計(jì)算取值
該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)其安全系數(shù)的設(shè)定情況為:自然狀態(tài)與正常蓄水位條件下的安全系數(shù)大于1.25,地震工況條件下的安全系數(shù)大于1.1。
由上綜合分析,高陡邊坡不穩(wěn)定塊體的穩(wěn)定性主要靠摩擦系數(shù)f和凝聚力c來(lái)維持,經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)大部分不穩(wěn)定塊體目前處于穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)摩擦系數(shù)f和凝聚力c不能夠維持不穩(wěn)定塊體的穩(wěn)定性時(shí),將導(dǎo)致出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。
在右岸高都邊坡中,不穩(wěn)定塊體W19是右岸高邊坡中發(fā)育的規(guī)模最大的一個(gè)危巖體,其分布高程為1950~2100m,位于正常蓄水位以上。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,結(jié)合結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,該部位主要發(fā)育2組結(jié)構(gòu)面:J1:5°∠80°,卸荷裂隙;J2:230°∠30°,層面。邊坡面的產(chǎn)狀為0°∠70°。
在進(jìn)行W19穩(wěn)定分析時(shí),考慮了重要的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀變化對(duì)危巖體穩(wěn)定影響,進(jìn)行了相關(guān)的敏感性分析,影響W19的卸荷裂隙的產(chǎn)狀NW330°~NE20°∠50°~80°,而邊坡面的平均產(chǎn)狀為∠0°~70°。通過(guò)赤平投影分析可知,隨著卸荷裂隙的產(chǎn)狀由NW向NE方向變化,與層面的交棱線方向在上游方向由走向山里逐漸向臨空面發(fā)展。此外,當(dāng)卸荷裂隙的傾向由NW向NE向發(fā)展時(shí),其與層面的交棱線的傾角逐漸變緩,塊體穩(wěn)定性應(yīng)該逐漸好轉(zhuǎn),但所形成的塊體體積也逐漸變大。
通過(guò)分析可知,隨著卸荷裂隙產(chǎn)狀的變化,交棱線產(chǎn)狀從268.07°∠38.53°變化為276.64°∠33.24°,塊體穩(wěn)定分析得到的在天然工況、降雨工況及地震工況運(yùn)行條件下的安全系數(shù)分別從1.44變化為1.46,0.62變化為0.96,1.25變化為1.27。
阿爾塔什水利樞紐工程右岸高陡邊坡不穩(wěn)定塊體群的加固工程,對(duì)大壩填筑施工安全與質(zhì)量有至關(guān)重要的影響。根據(jù)不穩(wěn)定塊體實(shí)際的地形及相互之間關(guān)系,制定了右岸不穩(wěn)定塊體群的加固方法,主要為:分區(qū)對(duì)待、上下聯(lián)動(dòng)、挖錨結(jié)合。針對(duì)右岸高邊坡中的W19進(jìn)行重點(diǎn)處理,并且在處理過(guò)程中,采用了智能錨索技術(shù)進(jìn)行加固。不穩(wěn)定塊體群處理方案與關(guān)鍵技術(shù)包括:
(1)分區(qū)對(duì)待。右岸高邊坡分布有31塊不穩(wěn)定塊體,根據(jù)本文中所提出的分區(qū)內(nèi)容,針對(duì)不同區(qū)域危巖體采用了不同的處理方案。W1~W9位于右岸高邊坡頂部,均為以孤石與危巖的垮落破壞為主,進(jìn)行專門的挖除。W17和W18以孤石垮落為主,且其失穩(wěn)破壞對(duì)工程正常運(yùn)行影響較大,在施工中全部進(jìn)行挖除。W22巖體較為破碎,正常施工中已經(jīng)全部清除。W19(W20)、W21(W21- 1)、W23、W24危巖體進(jìn)行表層清理和部分挖除,其中由于W19(W20)位置比較重要,需要進(jìn)行錨固處理。
(2)上下聯(lián)動(dòng)。在進(jìn)行右岸高陡邊坡危巖體處理過(guò)程中,結(jié)合不同塊體高程及分區(qū)不同,進(jìn)行了相互協(xié)調(diào)的聯(lián)動(dòng)處理方法,這樣大大加快了右岸不穩(wěn)定塊體群處理的施工時(shí)間,并且也考慮了危巖體挖除的石渣處理。在邊坡下部河灘地設(shè)置集渣平臺(tái),有效控制邊坡甩渣滾落范圍,減少滾石對(duì)圍堰填筑、基坑開(kāi)挖的影響。
(3)挖錨聯(lián)合。針對(duì)不同區(qū)域、不同方量的不穩(wěn)定塊體,采用了不同的處置方法。對(duì)于失穩(wěn)影響嚴(yán)重且方量較小的不穩(wěn)定塊體,直接進(jìn)行全部挖除;對(duì)于方量較大的不穩(wěn)定塊體,需要結(jié)合其發(fā)育特點(diǎn)及主要控制結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況,進(jìn)行挖錨聯(lián)合處理方式。如W19(W20),其方量較大,結(jié)合其賦存特點(diǎn),進(jìn)行了表層清理,清理后采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行支護(hù)。
其他的未進(jìn)行全部挖除的不穩(wěn)定塊體,在進(jìn)行了表層清理之后,進(jìn)行了錨噴及主被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的支護(hù)處理。
(4)智能錨索技術(shù)的應(yīng)用。在進(jìn)行W19(W20)的預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)中,采用了新型的預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)進(jìn)行支護(hù)。智能錨索主要是在內(nèi)錨固段、自由段以及外錨頭分別利用內(nèi)錨頭測(cè)力計(jì)、鋼絞線測(cè)力傳感器以及錨索測(cè)力計(jì)等受力監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行不同深度的鋼絞線長(zhǎng)期受力監(jiān)測(cè)分析(如圖5所示),進(jìn)而通過(guò)鋼絞線受力變形來(lái)合理評(píng)價(jià)邊坡加固巖體受力變形特征。
圖5 智能錨索原理示意圖及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施照片
結(jié)合W19(W20)錨固施工狀態(tài),擬在2030高程、2040高程、2050高程中的17剖面左右兩側(cè)布置3根智能錨索,智能錨索編號(hào)分別為480(2050高程),436(2040高程)、422(2030高程)。在傳感器位置設(shè)計(jì)中,考慮了不同深度卸荷的位置。通過(guò)智能錨索的實(shí)施,可以針對(duì)右岸高邊坡中最重要的不穩(wěn)定塊體中不用位置的卸荷裂隙的張開(kāi)變形進(jìn)行有效監(jiān)測(cè),為運(yùn)行期右岸的安全可靠提供了重要支撐。
2019年11月19日,一期下閘蓄水;2020年7月,通過(guò)二期下閘蓄水驗(yàn)收,2021年7月18日,通過(guò)正常蓄水驗(yàn)收。
右岸邊坡針對(duì)不穩(wěn)定塊體群,結(jié)合施工條件布設(shè)4座變形觀測(cè)墩,分別為G1~G4。其布設(shè)位置見(jiàn)如圖6所示。其觀測(cè)墩水平位移和沉降時(shí)程曲線見(jiàn)如圖7所示。
圖6 右岸邊坡布設(shè)變形觀測(cè)墩示意圖
圖7 右岸高邊坡不同觀測(cè)墩水平位移計(jì)沉降時(shí)程曲線
通過(guò)變形觀測(cè)墩實(shí)測(cè)資料可知。右岸邊坡觀測(cè)墩G1~G4的沉降變形均呈抬升趨勢(shì),但量值不大,且年度變幅也不大。右岸邊坡觀測(cè)墩G1、G2的水平位移呈向左岸向下游趨勢(shì),G3、G4的水平位移呈向右岸向上游趨勢(shì),但總體量值不大,且年度變幅也不大??傮w而言,右岸邊坡沉降呈抬升,整體沉降較為一致;水平位移上部呈向左岸向下游、下部呈右岸向上游趨勢(shì),整體受斷層F9影響,上下部呈微錯(cuò)動(dòng)趨勢(shì),邊坡整體安全。
為進(jìn)一步了解整個(gè)右岸高陡邊坡在蓄水過(guò)程中的整體變形規(guī)律,在缺乏相關(guān)資料的情況下,利用InSAR技術(shù)對(duì)右岸高陡邊坡從2018年1月開(kāi)始到三期蓄水過(guò)程中的遙感影像進(jìn)行了分析。
圖8 右岸邊坡遙感解譯形變?cè)茍D
從圖可見(jiàn),右岸邊坡形變呈增加趨勢(shì),但增幅較小。右岸邊坡上部典型測(cè)點(diǎn)TS1處三年最大累積形變達(dá)到-14.79mm左右,且以每年-1.51mm左右的速度增加;下部典型測(cè)點(diǎn)T2處3年最大累積形變達(dá)到-6.58mm左右,且以每年0.23mm左右的速度增加。
右岸邊坡遙感影像解譯形變結(jié)果與變形監(jiān)測(cè)所反映的結(jié)果較為一致,右岸邊坡上、下部均呈增加趨勢(shì),但上、下部增加趨勢(shì)不一致,表現(xiàn)為上、下部存在微錯(cuò)動(dòng)趨勢(shì)。
另外,針對(duì)W19不穩(wěn)定塊體中的智能錨索安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,除智能錨索張拉過(guò)程中由于錨固段存在大型裂隙失效外,其他三根智能錨索都運(yùn)行正常,從其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看,如圖10所示,目前W19塊體在阿爾塔什水利樞紐工程蓄水過(guò)程中錨索全程受力較為均勻,不存在較大變形問(wèn)題。
圖9 典型測(cè)點(diǎn)形變時(shí)程曲線圖
圖10
從以上3個(gè)方面來(lái)看,對(duì)右岸高陡邊坡中存在的不穩(wěn)定塊體群治理之后,在樞紐工程三期蓄水過(guò)程中,右岸高陡邊坡變形較小,目前是較為安全的。
阿爾塔什水利樞紐工程是新疆葉爾羌河山區(qū)河段上的一座大型控制性水利樞紐工程,在其右岸高陡邊坡中,由于發(fā)育F9斷層、巖層層面等結(jié)構(gòu)面,在卸荷裂隙的進(jìn)一步影響下形成了大小不一的諸多不穩(wěn)定塊體,這些不穩(wěn)定塊體是工程建設(shè)、運(yùn)行階段重要的安全隱患。通過(guò)利用激光掃描等技術(shù)手段,對(duì)這些危巖體進(jìn)行了相關(guān)量測(cè)分析,并且進(jìn)行了分區(qū)與穩(wěn)定分析,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出了分區(qū)對(duì)待、上下聯(lián)動(dòng)、挖錨結(jié)合綜合處理方案,并且應(yīng)用了智能錨索監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù),使得右岸危巖體處理的年度施工計(jì)劃提前了2個(gè)月完成。另外通過(guò)近幾年邊坡安全監(jiān)測(cè)資料分析可知,右岸邊坡變形較小,W19頂部錨索受力較為均勻,目前邊坡安全可靠。
本文所開(kāi)展的不穩(wěn)定塊體群的治理技術(shù),結(jié)合實(shí)際地形與地質(zhì)條件,取得了較好的應(yīng)用效果,也將為其他相類似工程中的不穩(wěn)定塊體群的治理提供重要的參考和借鑒。