金川水電站右岸導(dǎo)流洞出水口邊坡穩(wěn)定性分析

王春山,聶德新,宇天奇

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與工程學(xué)院,四川成都 610059;2.四川省水利水電勘測設(shè)計院勘察分院,四川成都 611731)

金川水電站右岸導(dǎo)流洞出水口邊坡穩(wěn)定性分析

王春山1,聶德新1,宇天奇2

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與工程學(xué)院,四川成都 610059;2.四川省水利水電勘測設(shè)計院勘察分院,四川成都 611731)

通過對金川水電站右岸導(dǎo)流洞出水口邊坡的巖性、構(gòu)造、可能存在的破壞機(jī)制和巖體物理力學(xué)性質(zhì)的研究,利用計算輔助軟件建立三維地質(zhì)模型,分析該邊坡的結(jié)構(gòu)面組合形式,確定由這些結(jié)構(gòu)面切割而成的塊體的空間位置,并利用商用巖石邊坡楔形體穩(wěn)定性分析軟件Swedge對各潛在不穩(wěn)定塊體進(jìn)行計算。計算結(jié)果表明,各種工況下的邊坡均具有很好的穩(wěn)定性。

邊坡穩(wěn)定;CSMR系統(tǒng);確定性塊體;金川水電站

1 地質(zhì)背景

金川水電站位于四川省金川縣境內(nèi),壩址位于縣城以北12km的大渡河上,河谷狹窄,呈V字形,兩岸邊坡陡峭。電站工程開發(fā)任務(wù)主要是發(fā)電,裝機(jī)容量為860MW。水庫正常蓄水位為2253.00m,樞紐建筑物主要由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成,大壩高度約為112m。電站右岸的導(dǎo)流洞出水口位于單薄坡脊上,該坡脊受深溝切割兩面臨空,巖性多樣,構(gòu)造復(fù)雜。經(jīng)野外和平洞的勘察,邊坡巖體出現(xiàn)明顯的蠕滑拉裂變形特征,且與構(gòu)造相關(guān)。為研究該邊坡的變形特征以及其對水工建筑物的影響,進(jìn)行勘探和測試工作,并在此基礎(chǔ)上對可能存在的破壞機(jī)制進(jìn)行深入的分析。

2 邊坡地質(zhì)條件

2.1 邊坡形態(tài)及巖性

邊坡頂部高程為2280.00m,導(dǎo)流洞出口底板高程為2145.00m。受下游新扎溝的切割,該處邊坡形成2處臨空面。朝向大渡河的邊坡為橫向邊坡,朝向新扎溝的邊坡為順層邊坡。巖性為:①T3Z2(1)灰-深灰色塊狀變質(zhì)長石石英細(xì)砂巖夾極少黑色板巖、千枚狀板巖;下部夾極少絹云板巖、千枚巖。②T3Z2(2)深灰色中-厚層變質(zhì)含鈣長石石英細(xì)砂巖夾少量絹云板巖。③T3Z2(3)深灰色厚層變質(zhì)長英質(zhì)砂巖,夾極少綠泥絹云板巖。④T3Z2(4)灰、深灰色薄-中層,少量厚層變質(zhì)鈣質(zhì)長石石英砂巖和變質(zhì)(絹云母化)鈣質(zhì)粉砂巖(圖1)。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

經(jīng)過地表及平洞勘察,導(dǎo)流洞邊坡發(fā)育有原生結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面[1]。原生結(jié)構(gòu)面為沉積過程中形成的層理、層面及軟弱夾層。構(gòu)造結(jié)構(gòu)面為節(jié)理、斷層和層間錯動帶。這些結(jié)構(gòu)面的相互組合和切割,控制并影響了邊坡的穩(wěn)定性。

圖1 導(dǎo)流洞出水口地質(zhì)

層間錯動帶多發(fā)于板巖內(nèi),厚度在3～10cm,主要成分為巖屑、巖粉。邊坡巖體中節(jié)理走向范圍為37°～ 80°,按傾角可分為 23°～39°,51°～ 70°和 76°～85°共3組,其中以76°～ 85°這組最為發(fā)育,成為控制邊坡穩(wěn)定性的主要因素之一。

受到構(gòu)造運動的影響,巖層發(fā)生了強烈的彎曲,在邊坡處形成1組背斜和向斜。褶皺軸部向山外側(cè)伏,為形成不穩(wěn)定的楔形塊體創(chuàng)造了條件,見圖2。

圖2 導(dǎo)流洞出水口褶皺構(gòu)造

3 變形失穩(wěn)機(jī)制

通過野外露頭和平洞對各巖層厚度進(jìn)行統(tǒng)計,金川水電站導(dǎo)流洞出水口巖體結(jié)構(gòu)類型主要為互層-薄層結(jié)構(gòu)。邊坡的穩(wěn)定主要受到結(jié)構(gòu)面的組合狀況和強度指標(biāo)參數(shù)控制。研究表明,邊坡的變形失穩(wěn)情況主要有:①蠕滑拉裂破壞。由于面向新扎溝的邊坡處巖層走向與邊坡走向基本相同,傾向也相同,且受到層間錯動帶等延伸長大的軟弱結(jié)構(gòu)面控制,可能存在蠕滑拉裂。②楔形體滑動破壞,其可能的組合形式有:由337°∠85°和329°∠60°卸荷裂隙和節(jié)理組合成的楔形體 ;由 337°∠85°和 159°∠84°節(jié)理組合成的楔形體 ;由 337°∠85°和 242°∠36°節(jié)理和層理組合成的楔形體;由 329°∠60°和 159°∠84°節(jié)理組合成的楔形體;由329°∠60°和242°∠36°組合成的楔形體。

4 巖體力學(xué)參數(shù)選取

根據(jù)6組巖體抗剪強度試驗、4組結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場大剪試驗和14組巖體現(xiàn)場變形試驗的成果,以及在成都理工大學(xué)利用MTS伺服機(jī)進(jìn)行的17組小巖體抗剪強度試驗、18組硬性結(jié)構(gòu)面試驗和17組小巖體變形試驗的成果,參考國家規(guī)范[2],并綜合考慮各種因素的影響,給出結(jié)構(gòu)面和邊坡巖體的力學(xué)參數(shù)建議值,見表1。

表1 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)建議值

5 邊坡穩(wěn)定性分析

5.1 邊坡巖體分類

CSMR分級方案是在RMR-SMR體系的基礎(chǔ)上,引入高度修正系數(shù)和結(jié)構(gòu)面條件修正系數(shù),是一種適用于邊坡巖體質(zhì)量評價的方法[3-5]。采用該方法對邊坡進(jìn)行評價,由于邊坡僅涉及弱風(fēng)化帶巖體,故將邊坡分為弱上風(fēng)化帶和弱下風(fēng)化帶,并進(jìn)行逐帶評分,評分結(jié)果見表2。

表2 導(dǎo)流洞出水口邊坡CSMR評價

5.2 確定性楔形塊體穩(wěn)定性分析

圖3 三維地質(zhì)模型

確定性楔形塊體是指可以確定空間具體位置的楔形體,通常由層間錯動帶和斷層等長大軟弱結(jié)構(gòu)面控制。利用計算機(jī)輔助軟件將地形、軟弱面以及巖層等建成三維地質(zhì)模型(圖3),進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)面在空間上的相互組合和交切,確定楔形體的空間位置。利用赤平投影軟件分析得出危險的結(jié)構(gòu)面,然后采用商用巖石邊坡楔形體穩(wěn)定性分析軟件Swedge進(jìn)行計算。該軟件適用于快速分析和評價巖質(zhì)邊坡面潛在的不穩(wěn)定楔形體的安全系數(shù)和失穩(wěn)破壞概率。圖4為1號組合塊體的赤平投影圖,圖5為1號組合塊體的下滑破壞模式,所有組合塊體的計算結(jié)果見表3。

圖4 1號組合塊體與出水口邊坡赤平投影

圖5 1號組合塊體下滑破壞模式

表3 邊坡組合塊體穩(wěn)定性系數(shù)

5.3 非確定性塊體穩(wěn)定性分析

邊坡處可能存在5種楔形體的組合形式,控制這些楔形體的邊界為硬性結(jié)構(gòu)面。這些硬性結(jié)構(gòu)面多短小,數(shù)量多且分布的規(guī)律性差,各結(jié)構(gòu)面組合成的塊體體積小,數(shù)量多。將各條硬性結(jié)構(gòu)面組合起來進(jìn)行確定性分析的難度較大。因此對野外測量的硬性結(jié)構(gòu)面進(jìn)行統(tǒng)計分析,獲得優(yōu)勢產(chǎn)狀。然后利用概率軟件進(jìn)行兩兩組合,得到能夠組成不穩(wěn)定塊體的優(yōu)勢產(chǎn)狀的組合,進(jìn)而計算分析在天然、暴雨、地震等工況下不確定塊體的穩(wěn)定性,水平地震峰值加速度a=0.097g。經(jīng)計算各種組合在天然和地震工況下的安全系數(shù)在2.36以上,在暴雨工況下安全系數(shù)略低,但也在1.3以上。在暴雨與地震這種極端情況下,由 337°∠85°與 242°∠36°節(jié)理和層理組合成的楔形體和由 329°∠60°與242°∠36°組合成的楔形體安全系數(shù)小于1。

6 結(jié) 論

由于受到褶皺構(gòu)造的控制和影響,金川水電站右岸導(dǎo)流洞出水口巖質(zhì)邊坡可能存在的破壞類型有蠕滑拉裂破壞和楔形體滑動破壞。通過對野外長大結(jié)構(gòu)面的測量和硬性結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計分析,利用CSMR方法對邊坡巖體進(jìn)行評價分析,結(jié)果表明邊坡巖體穩(wěn)定。確定性塊體與非確定性塊體分析結(jié)果也表明,除了在極端的工況下局部塊體會失穩(wěn)外,其他塊體均較穩(wěn)定。因此,該巖質(zhì)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),不會對電站的生產(chǎn)運行和交通運輸產(chǎn)生威脅。

[1]張悼元,王士天,王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].北京:地質(zhì)出版社,1994:9-10.

[2]GB50287—20069 水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[3]楊天俊.邊坡巖體質(zhì)量分類體系介紹[J].西北水電,2004(2):8-9.

[4]李勝偉,李天斌,王蘭生,等.邊坡巖體質(zhì)量分類體系的CSMR法及應(yīng)用[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2001,12(2):69-72.

[5]余先華,聶德新.巖質(zhì)邊坡確定性塊體穩(wěn)定性的研究[J].水土保持研究,2007,14(3):180-181.

Slope stability of outlet of diversion tunnel at right bank,Jinchuan Hydropower Station

WANG Chun-shan1,NIE Dexin1,YU Tian-qi2(1.College of Environment and Civil Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu610059,China;2.Shichuan Research Institute of Investigation and Design of Water Conservancy and Hydropower,Chengdu611731,China)

The lithology,structure,physical andmechanicalpropertiesof rock mass and possible failure mechanism of the slope at the outlet of the diversion tunnel at the right bank,Jinchuan Hydropower Station were studied.A three-dimensional geological modelwas established by using computer aided software.The combination modes of the structure plane for the slope were analyzed,and then the locations of blocks cut by the structural planeswere determined.The stability of potentially unstable blocks was calculated by means of the Swedge software,business analysis software for the stability of rock slope wedges.The calculated results show that the slope is stable under various working conditions.

slope stability;CSMR system;determinative block;Jinchuan Hydropower Station

TV672+.1

A

1006-7647(2010)03-0065-03

10.3880/j.issn.1006-7647.2010.03.017

王春山(1979—),男,吉林樺甸人,博士,從事巖土體穩(wěn)定性及工程環(huán)境效應(yīng)研究。E-mail:brown02@126.com

2009-12-29 編輯:駱超)