黃金坪水電站引水隧洞及泄洪洞進口區(qū)邊坡巖體變形特征分析

谷江波，閔勇章

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

黃金坪水電站引水隧洞及泄洪洞進口區(qū)邊坡巖體變形特征分析

谷江波，閔勇章

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

黃金坪水電站引水隧洞及泄洪洞進口區(qū)邊坡為工程地質條件復雜的松動破碎巖體高邊坡，根據(jù)邊坡工程地質條件、變形監(jiān)測資料，分析邊坡開挖后邊坡應力變形規(guī)律，研究巖體破壞模式，且隨時間變化的長期穩(wěn)定性。巖體變形大小與變化過程、地質條件、施工爆破、錨固等因素有關。

高邊坡；松動破碎巖體；變形破壞模式

0 前 言

黃金坪水電站引水隧洞及泄洪洞進口區(qū)邊坡位于大渡河左岸山脊，上游為叫吉溝，下游為溢洪道邊坡（見圖1）。兩建筑物工程邊坡采取聯(lián)合開挖方式，平面上邊坡呈“W”分布，設計開挖坡比主要為1∶0.5。引水隧洞進口工程邊坡開口線高程1 620 m，進口塔基高程1 444.5 m，最大坡高約175 m，正面坡沿河長約100 m；泄洪洞進口工程邊坡軸線部位開口線高程1 570 m，上游側邊坡開口線高程1 620 m，進口塔基高程1 415 m，最大坡高約205 m，正面坡沿河長約80 m。

圖1 開挖邊坡位置

泄洪洞進口邊坡和溢洪道邊坡開挖后，兩者中間為突出地形，由于受大渡河、叫吉溝和小型沖溝的切割，邊坡巖體三面臨空，巖體卸荷強烈，且強卸荷巖體埋深較深。

該邊坡于2010年8月開始進行開挖，2012年8月開挖支護工作全部完成，針對邊坡開挖過程中出現(xiàn)的變形及局部失穩(wěn)現(xiàn)象，相關人員進行了大量的地質調(diào)查、現(xiàn)場監(jiān)測及支護設計等工作。本文將邊坡工程地質條件、實測巖體變形現(xiàn)象和監(jiān)測資料為依據(jù)，結合工程實際進展，對邊坡巖體變形特征進行分析。

1 邊坡巖體結構特征

工程邊坡地層巖性主要為斜長花崗巖，淺表層巖體強卸荷、弱風化，松動破碎巖體（分布高程1 510 m以上）水平深度0～55 m。強卸荷水平深度60～110 m，弱風化、弱卸荷水平深度大于150 m。

工程邊坡主要發(fā)育有5組優(yōu)勢裂隙［1］：①SN／E∠70°；②N20°～30°W／SW∠70°～80°；③N75°～85°E／NW∠60°～85°；④N70°E／SE∠75°；⑤N10°～20°W／SW∠40°以及fy-3、fy-23、fy-14、fy-28、f9 -3等斷層中緩傾坡外，是形成滑移拉裂變形的潛在底滑面，對邊坡穩(wěn)定不利。上述結構面主要為Ⅲ、Ⅳ級結構面，無貫穿性長大斷層分布。邊坡開挖面干燥，雨季有少量滲水，上方錨索實施過程中，發(fā)現(xiàn)下方個別錨桿孔出現(xiàn)漿液，存在串漿現(xiàn)象，表明裂隙連通性較好。邊坡巖體主要呈塊裂結構，屬Ⅳ級巖體；部分呈散體碎塊狀、碎裂結構，屬Ⅴ級巖體。

自然邊坡位于工程邊坡開口線以上，地形坡度總體25°～40°，局部地段有陡坎。邊坡淺表地層主要為崩坡積塊碎石土，結構稍密，水平深度一般10～29 m。下伏基巖依次為強卸荷松動破碎花崗巖，松動破碎巖帶具架空結構（見圖2），水平深度一般70～121 m；強卸荷巖體，水平深度一般100～162 m；弱卸荷巖體以及新鮮巖體（見圖3）。

圖2 松動破碎巖體

2 邊坡巖體變形特征

2011年9月在工程邊坡及自然邊坡多處均出現(xiàn)裂縫；2011年12月中旬～2012年1月上旬裂縫變形進一步加劇，在空間上進一步延伸。

在進口邊坡共布置4個監(jiān)測剖面。其中，4-4監(jiān)測剖面的1 540.00 m、1 510.00 m、1 481.50 m、1 460.00 m高程馬道上方各布置1套四點式多點位移計、1套錨桿應力計、1套錨索測力計和1個外部變形觀測墩。在自然邊坡增加了10個外部變形觀測墩（TP01～TP10）以及4套活動式測斜儀對自然邊坡變形進行監(jiān)測，編號為INJK-1～INJK-4［1］。根據(jù)監(jiān)測成果，巖體變形具有以下特征：

圖3 泄洪洞進口工程地質剖面

（1）邊坡變形具有普遍性，根據(jù)多點位移計監(jiān)測成果，工程邊坡變形量集中于強卸荷巖體內(nèi)；根據(jù)測斜儀成果（見圖6），自然邊坡變形多集中于強卸荷松動破碎巖體內(nèi)，且不具有明顯的滑移面。

（2）1-1監(jiān)測剖面處于上游開挖邊界，為半約束狀態(tài)，水平位移和垂直位移均小于其它監(jiān)測剖面。2-2、3-3、4-4監(jiān)測剖面變形均較大，水平位移最大值300.07 mm（TP JK-6），垂直位移最大值198.55 mm（TP JK-5）。

（3）外觀監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，工程邊坡總體水平位移大于垂直位移，其中1 570 m高程以下水平位移一般280 mm左右，垂直位移一般170 mm；1 570 m高程以上水平位移和垂直位移差距較小，一般4～8 mm；外觀測點變形方向基本朝向開挖臨空面。自然邊坡外觀墩平面合位移1.94～458.98 mm，垂直位移12.08～544.28 mm，表明垂直位移大于水平位移，且變形大于工程邊坡。

（4）自然邊坡裂縫最高發(fā)展至高程1 735 m，上游側邊界裂縫最低高程1 664 m，下游側最低高程1 626 m，向下至工程邊坡開口線之間無明顯變形跡象；邊坡裂縫向高高程和兩側沒有發(fā)展，但向低高程有緩慢延伸趨勢。

（5）從低高程至高高程，位移逐漸增大，變形越明顯，裂縫后緣變形最大。

（6）外觀測點變形方向基本朝向開挖臨空面泄洪洞與溢洪道交匯部位，與凸出山脊基本一致。

（7）2012年3月以后，隨著施工爆破開挖的結束以及深層錨固的逐步實施，引水隧洞和泄洪洞進口邊坡（含自然邊坡）沒有發(fā)現(xiàn)新的變形跡象；監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，工程邊坡最大變形0.185 mm／d，自然邊坡最大變形0.151 mm／d，邊坡變形速率逐漸減小，趨于收斂。

（8）邊坡巖體發(fā)育的結構面以剛性結構面為主，但所有變形與開挖進度之間都表現(xiàn)出一定的滯后現(xiàn)象，即流變變形具有普遍性。開挖高程1 420 m時（2011年11月），即邊坡開挖完成后，邊坡上部全強風化和弱風化巖體水平位移仍在繼續(xù)發(fā)展，大多測點出現(xiàn)了較明顯的位移加速現(xiàn)象（見圖4）。變形趨于穩(wěn)定的時間一般7～8個月，4個月左右完成總時效變形量的約80%。但變形持續(xù)過程隨不同部位巖體結構而差異，且時效變形量值也不同。

圖4 TPJK-18位移時間過程線

3 邊坡巖體變形機理分析

3.1 邊坡巖體可能的破壞模式

根據(jù)前期地表調(diào)查，勘探平洞及施工開挖揭示的地質條件綜合分析，邊坡巖體可能的破壞模式包括［2］：

（1）楔形滑移拉裂型：主要由2～3組結構面與開挖坡面構成不利組合，而形成楔形滑動。根據(jù)控制性結構的規(guī)模，該模式可分為兩種情況：一是邊坡深部一些特定結構面與開挖坡面構成不利組合，或特定結構面與隨機結構面及開挖面構成不利組合，形成規(guī)模較大的楔形塊體；二是邊坡表部一些裂隙與開挖坡面構成不利組合（見圖5），形成規(guī)模較小的隨機楔形塊體。工程區(qū)內(nèi)主要為第二種情況。

圖5 各優(yōu)勢面與坡面組合的赤平投影

（2）平面滑移拉裂型：一般由順坡或順溝谷側壁緩傾臨空面的結構面為主滑面，后緣卸荷張裂隙等中陡傾結構面組合為后緣拉裂面或頂部切割面，隨機發(fā)育的其它結構面為側向切割面，發(fā)生平面滑移拉裂。

（3）蠕滑拉裂破壞：散體結構、塊裂（碎裂）結構巖體受力條件變化時產(chǎn)生的巖體壓縮、蠕變而發(fā)生不均勻沉降，形成張裂縫。

由于進口邊坡沒有特定結構面組合滑移模式，通過對地質資料分析研究，前期提出了4種邊坡失穩(wěn)模式，其中一種或多種模式可能引起邊坡變形。邊坡抗滑穩(wěn)定計算主要考慮以下5種計算模式：

（1）覆蓋層沿基覆界限發(fā)生滑移；

（2）沿fy-3斷層發(fā)生滑移；

（3）沿強卸荷巖體底界與f09-3、fy-28等斷層組合發(fā)生滑移；

（4）沿強卸荷外側松動破碎巖體分界線與fy-14、fy-23斷層組合發(fā)生滑移；

（5）沿強卸荷外側松動破碎巖體發(fā)生滑移。

從測斜儀監(jiān)測成果（見圖6）可以看出，自然邊坡變形垂直深度超過40 m，而覆蓋層垂向厚度約15 m，fy-3斷層出露于高程1 580 m的工程邊坡，且向上延伸，而此高程以下巖體變形量依然較大，因此，上述（1）、（2）可能的滑移模式未得到監(jiān)測成果的證實。

由于強卸荷巖體底界和強卸荷外側松動破碎巖體分界線成為規(guī)則的幾何線的可能性較小，使用這兩種模式進行計算時，臨近剪出口使用f09-3、fy-23、fy-28等作為固定滑動面，其它部位則采用搜索方式確定較為合適。考慮巖體的結構特點，使用圓弧逼近是一種可行方案，搜索范圍根據(jù)邊坡的變形范圍確定。

3.2 邊坡巖體變形機理

黃金坪水電站引水隧洞及泄洪洞進口區(qū)邊坡在開挖之前的地形是經(jīng)過漫長的地質歷史時期形成的，巖體內(nèi)的應力處于一種自然的平衡狀態(tài)［4］。邊坡開挖引起的巖體應力釋放會導致巖體變形。在邊坡開挖階段，開挖荷載對巖體變形起主導作用。由于巖體結構面普遍存在，巖體變形并不完全是隨開挖荷載瞬時產(chǎn)生、立即穩(wěn)定的彈性變形，開挖引起的巖體變形趨勢會持續(xù)一段時間［3］。在開挖完成一段時間后，結構面的存在使邊坡巖體二次應力場分布不連續(xù)，在結構面切割的塊體中，巖體自重的作用可以比較突出。開挖結束一段時間后巖體在垂直方向上的下沉變形與塊體自重作用密切相關。

引水洞及泄洪洞進口邊坡（含自然邊坡）天然狀態(tài)下整體基本穩(wěn)定，由于地形相對單薄，卸荷強烈，巖體較破碎，下部連續(xù)開挖高陡邊坡，支護相對滯后，卸荷松動破碎坡體因開挖應力調(diào)整產(chǎn)生向臨空方向變形，牽引影響到上部自然邊坡，且有向邊坡下方推移變形趨勢。變形機制為在重力作用下的蠕滑—拉裂變形。

圖6 測斜孔INJK-2 A向、B向監(jiān)測成果

4 結 論

（1）對高山峽谷地區(qū)引水隧洞、泄洪洞高陡邊坡前期工程地質勘察在不同高程布置勘探平硐，查明影響山體穩(wěn)定的控制性結構面，風化、卸荷松動巖體深度、范圍，為分析邊坡巖體穩(wěn)定提供評價的地質依據(jù)。

（2）對巖質高陡邊坡設計應盡量采用“少開挖、強支護”的原則設計。

（3）引水隧洞和泄洪洞進口區(qū)邊坡（含自然邊坡）所在的山脊巖體在邊坡大面積開挖、削腳后，沒有及時支護，對邊坡應力狀態(tài)改變較大，邊坡內(nèi)部松動破碎巖體產(chǎn)生變形，表現(xiàn)為向臨空方向蠕變，自然邊坡上的覆蓋層則因下部松動破碎巖體壓縮、蠕變而發(fā)生不均勻沉降，形成張裂縫。

（4）邊坡的變形破壞模式屬于在重力作用下的蠕滑—拉裂變形和滑移，這是由于邊坡淺表部存在強卸荷巖體以及其外側的強卸荷松動破碎巖體組合所形成的復雜工程地質條件所決定的。

（5）邊坡巖體發(fā)育的結構面以剛性結構面為主，但所有變形與開挖進度之間都表現(xiàn)出一定的滯后現(xiàn)象，即流變變形具有普遍性。

（6）由于強卸荷巖體底界和強卸荷外側松動破碎巖體分界線成為規(guī)則的幾何線的可能性較小，使用這兩種模式進行計算時，建議使用圓弧逼近的方法，搜索范圍根據(jù)邊坡的變形范圍確定。

（7）對引水隧洞和泄洪洞進口區(qū)的變形邊坡的支護設計采用了大噸位、長錨索（P＝2 500 kN、3 000 kN，L＝100 m）的支護處理方案，效果明顯。

［1]中國水電顧問集團成都勘測設計研究院有限公司.四川省大渡河黃金坪水電站引水及泄洪洞進口區(qū)邊坡穩(wěn)定性評價及處理方案報告［R］.2014.

［2]四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，中國水電顧問集團成都勘測設計研究院有限公司，四川大學工程科學與災害力學研究所.四川省大渡河黃金坪水電站引水、泄洪進口邊坡穩(wěn)定分析及加固措施研究［R］.2014.

［3]朱煥春.三峽臨時船閘及升船機高邊坡巖體變形特征［J］.巖石力學與工程學報，2000，19（3）：281-284.

［4]石安池，趙明華，薛果夫.三峽工程永久船閘高邊坡巖體變形特征與機理分析［J］.巖石力學與工程學報，2001，20（5）：638 -642.

TV223.3，TV651.3，TV672.1

B

1003-9805（2015）04-0073-04

2015-07-21

谷江波（1976-），男，山西芮城人，高級工程師，從事水電工程地質勘察工作。