黃志鵬,唐輝明,董志宏,尹健民,郭喜峰,
(1.長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430010;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,武漢 430074)
我國(guó)在長(zhǎng)江、金沙江、雅礱江、黃河、大渡河、南滄江、怒江等干流上已建和在建的一批大型骨干水電站,如三峽、龍灘、李家峽、小灣、拉西瓦等工程都存在著嚴(yán)重的高邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。其中三峽工程庫(kù)區(qū)中存在10多處近億m3的滑坡體,拉西瓦水電站下游左岸存在著高達(dá)700 m的巨型潛在不穩(wěn)定山體,龍灘水電站左岸存在總方量1 000萬(wàn)m3傾倒蠕變體等。這些邊坡通過(guò)治理加固,已經(jīng)穩(wěn)定。為治理這些邊坡不但耗去了大量的資金,還拖延了工期,成為我國(guó)水利水電工程施工中一個(gè)比較嚴(yán)峻的問(wèn)題,有的邊坡工程甚至已成為制約工程進(jìn)度和成敗的關(guān)鍵。這些工程的規(guī)模和所包含的技術(shù)難度都是空前的。邊坡穩(wěn)定問(wèn)題是水利水電工程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。邊坡的穩(wěn)定性直接決定著工程修建的可行性,影響著工程的建設(shè)投資和安全運(yùn)行。
錦屏一級(jí)水電站位于四川省涼山州鹽源縣雅礱江普斯羅溝峽谷內(nèi),是雅礱江干流上的重要梯級(jí)電站工程。該電站大壩為混凝土雙曲拱壩,壩高305 m,是目前世界上最高拱壩。大壩混凝土骨料約450萬(wàn)m3。由于壩區(qū)上、下游河段內(nèi)缺乏天然砂礫石料,大壩混凝土骨料采用大奔流料場(chǎng)提供的人工骨料。大奔流溝料場(chǎng)邊坡為樞紐工程區(qū)Ⅱ級(jí)邊坡,開挖高度接近500 m,屬于特高邊坡,如圖1所示。邊坡巖層近平行于邊坡,坡體內(nèi)層間錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育,陡傾坡外,岸坡卸荷強(qiáng)烈,巖體結(jié)構(gòu)控制著邊坡的穩(wěn)定。為滿足大壩施工用料及進(jìn)度要求,邊坡開挖卸荷速度快,施工期邊坡的安全穩(wěn)定問(wèn)題突出。
圖1 錦屏一級(jí)水電站大奔流溝料場(chǎng)高邊坡Fig.1 High slope at Dabenliugou quarry of Jinping-ⅠHydropower Station
采用離散元和快速拉格朗日差分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了計(jì)算,分析研究了大奔流高邊坡在開挖支護(hù)后的變形破壞特征、潛在破壞機(jī)制、邊坡開挖后的應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)分布特征,及各種工況下的安全系數(shù)。
大奔流料場(chǎng)位于大奔流溝下游長(zhǎng)約750 m的雅礱江左岸臨江斜坡上,下游距錦屏二級(jí)水電站閘壩0.3~1.0 km。該段邊坡走向自南向北為NE21°—NW334°,傾向SE—NE,傾角55°~65°,局部為直立狀陡崖。坡腳河床地面高程1 620 m,自然邊坡最大坡高780 余米,兩岸岸坡高峻陡峭,自然坡角多>60°[1]。
料場(chǎng)邊坡巖性為大理巖及砂巖,巖層總厚200~350 m,開挖邊坡淺表巖層均為薄層砂巖。巖層總體走向350°~30°,傾向 SE,傾角64°~72°。
邊坡內(nèi)層間剪切軟弱夾層發(fā)育,共有23條。根據(jù)成因條件、物質(zhì)成分和性狀,將層間軟弱夾層分為2個(gè)類型:Ⅰ類夾層(層間剪切破碎夾泥層),在堅(jiān)硬變質(zhì)砂巖中夾有薄層、極薄層炭質(zhì)板巖,經(jīng)后期層間剪切及地下水等的作用,炭質(zhì)板巖發(fā)生泥化;這類夾層,厚度一般為5~30 cm,最厚達(dá)15~55 cm,夾泥厚一般為0.5~1.0 cm,局部可達(dá)3 cm。Ⅱ類夾層(層間剪切破碎夾層),薄層板巖或薄片狀大理巖,在構(gòu)造作用下產(chǎn)生層間剪切錯(cuò)動(dòng)、擠壓破壞,見斷續(xù)泥膜,部分夾片狀石英細(xì)脈;層間剪切破壞面連續(xù)較差,較平直,面粗糙,起狀差較大。
坡體內(nèi)查明大小斷層32條,剖面出露斷層有5條,分別為F12,F(xiàn)17,F(xiàn)18,F(xiàn)113,F(xiàn)90。斷層參數(shù)及特征見表1。F12,F(xiàn)90,F(xiàn)113斷層傾角較小,與巖層層面近90°相交;F17及F18斷層傾角較陡,與巖層層面夾角分別為53°和32°,形成楔形體,見圖2。置分級(jí)攔石網(wǎng)。邊坡防護(hù)采用表層、深層支護(hù)及邊坡排水、坡頂清理等綜合處理措施。
設(shè)計(jì)坡面支護(hù)在2 030 m高程以上系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)6~8 m,3 m×3 m梅花形布置。每級(jí)邊坡布置有2排預(yù)應(yīng)力錨索,為深30 m/1 000 kN和深60 m/2 000 kN 2種梅花形布置,整個(gè)坡面均采用掛網(wǎng)噴護(hù)處理。2 030 m高程以下系統(tǒng)錨桿改深為4.5 m和6 m梅花形布置,錨索為一排深30 m/1 000 kN和深60 m/1 000 kN 2種梅花形布置,其余處理方式基本相同。此外,對(duì)開挖邊坡局部可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定塊體采取了加強(qiáng)隨機(jī)錨桿處理,對(duì)部分巖體較破碎坡面進(jìn)行了加強(qiáng)錨索支護(hù)處理。大奔流料場(chǎng)邊坡開挖始于2008年12月,截止至2014年1月,Ⅰ區(qū)開挖支護(hù)至高程1 760 m;Ⅱ區(qū)開挖支護(hù)至高程1 775 m;Ⅲ區(qū)開挖支護(hù)至高程1 775 m。
根據(jù)料場(chǎng)地形地質(zhì)情況,料場(chǎng)布置成“L”形,設(shè)計(jì)邊坡頂高程為2 188.5 m,設(shè)計(jì)開采底高程為1 730 m,最大開挖坡高458.5 m。相鄰兩級(jí)馬道高差為15 m,1 835 m高程以上單級(jí)坡比1∶0.3~1∶0.45,1 835 m 高程以下單級(jí)坡比1∶0.45,大部分馬道寬為2~3 m,部分馬道加寬以便于布置錨索和設(shè)
圖2 工程地質(zhì)剖面Fig.2 Engineering geological profile
表1 巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters
大奔流料場(chǎng)高邊坡開挖將傾角為50°~55°自然邊坡開挖形成單級(jí)坡角71°、綜合坡角64°左右的人工邊坡,巖層傾角與開挖邊坡坡角十分接近,屬于陡傾、薄層狀順向邊坡。組成坡體的巖體具有層狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),這種層狀巖體相對(duì)數(shù)百米坡高來(lái)講可視為薄板。當(dāng)邊坡開挖后,層狀巖層一側(cè)臨空,層間摩擦力降低,層狀巖層沿層面滑移,在坡腳受阻,邊坡中、下部可能會(huì)出現(xiàn)彎曲、外鼓和拉裂等,引起潰屈破壞[2-3]。
根據(jù)邊坡的工程及地質(zhì)特征,選取計(jì)算剖面如圖2,該剖面位于北西正面坡。模型計(jì)算范圍寬度630 m,高度850 m。按實(shí)際開挖與支護(hù)順序模擬了26級(jí)馬道開挖及錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)。模擬了邊坡的斷層 F12,F(xiàn)17,F(xiàn)18,F(xiàn)113,F(xiàn)90,J301,J302,J303 等23條層間錯(cuò)動(dòng)帶。巖體材料劃分為厚層大理巖、中厚層大理巖、薄層砂板巖、中厚層砂板巖、及厚層砂板巖,見圖2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)成果,計(jì)算分析采用巖體及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)見表1。由于山體陡峻、卸荷充分,因此僅考慮自重應(yīng)力。計(jì)算采用離散元法[4](UDEC),巖塊的力學(xué)模型為摩爾-庫(kù)倫模型,結(jié)構(gòu)面力學(xué)模型為庫(kù)倫滑移模型。
開挖支護(hù)完成后,邊坡變形矢量分布如圖3所示。受陡傾斷層水平擠出作用影響,1 925 m高程以下坡面巖體變形較大,1 925 m高程以上坡面巖體變形較小。受下部開挖影響,1 925 m高程以上巖體鉛直變形方向向下。受上部開挖卸荷影響,1 925 m至1 685 m高程坡面巖體鉛直變形以向上為主。
圖3 邊坡總變形分布Fig.3 Total deformation distribution
在邊坡開挖過(guò)程中,各級(jí)馬道巖體均首先表現(xiàn)出卸荷回彈變形。隨著向下開挖,卸荷回彈變形逐漸減小,直至為0。隨著開挖高程逐漸降低,馬道巖體變形方向發(fā)生改變,并隨著下部開挖產(chǎn)生向下變形增量。
邊坡開挖位移以卸荷回彈變形為主,且位移矢量的方向受控于結(jié)構(gòu)面。在1 925 m高程以上,邊坡水平向的位移值明顯小于豎向位移。在1 925 m高程以下,邊坡水平向的位移值明顯大于豎向位移。坡體淺表薄層砂板巖變形較大,其它巖層變形較小。邊坡變形較大的部位出現(xiàn)在1 925 m高程至1 745 m高程坡面,為陡傾角斷層F18及緩傾角斷層F113在坡面出露部位。由于陡傾斷層和開挖臨空面形成的楔形體向下位移,對(duì)斷層下盤形成向外擠出作用,位移較大,最大位移達(dá)到11.29 cm,以水平位移為主。
在1 730 m高程以上坡體內(nèi),層間錯(cuò)動(dòng)帶處于不連續(xù)張開狀態(tài)。邊坡多數(shù)層間錯(cuò)動(dòng)帶及F17,F(xiàn)18斷層多處于剪切極限狀態(tài)。其中層間錯(cuò)動(dòng)帶J203,J307,F(xiàn)18斷層、F17 斷層剪切變形較大,其中F17的剪切錯(cuò)動(dòng)變形達(dá)到9.2 cm,如圖 4。由此可見,邊坡的變形主要為結(jié)構(gòu)面變形,巖體變形較小。
開挖邊坡破壞區(qū)如圖5所示,主要為拉伸破壞,主要分布于結(jié)構(gòu)面交匯區(qū)域,零星分布于坡體表面,剪切破壞區(qū)較少。破壞區(qū)不連續(xù),開挖邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。
為了驗(yàn)證和模擬大奔流料場(chǎng)高邊坡的破壞機(jī)制,采用離散元強(qiáng)度折減法[5]進(jìn)行計(jì)算。不考慮支護(hù)加固,將巖體和結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度分別折減25%,30%,35%,計(jì)算結(jié)果如圖6。
圖4 邊坡結(jié)構(gòu)面剪切變形Fig.4 Shear deformation of structural plane
圖5 開挖邊坡塑性區(qū)分布Fig.5 Plastic zone distribution
當(dāng)強(qiáng)度降低到25%和30%,結(jié)構(gòu)面及斷層剪切錯(cuò)動(dòng)變形不大,巖層彎曲不明顯。當(dāng)強(qiáng)度降低到35%時(shí),陡傾斷層F17和F18發(fā)生強(qiáng)烈的剪切錯(cuò)動(dòng),坡體內(nèi)厚層大理巖、中厚層大理巖和薄層砂板巖沿?cái)鄬渝e(cuò)動(dòng),邊坡淺表的中厚層大理巖和薄層砂板巖產(chǎn)生強(qiáng)烈的彎曲變形。層間錯(cuò)動(dòng)帶與陡傾斷層形成的楔形體向下滑移,斷層錯(cuò)動(dòng),下盤巖體被擠出,向坡外變形,向內(nèi)彎曲,見圖6。
邊坡變形同時(shí)受順坡向?qū)娱g錯(cuò)動(dòng)帶和反傾斷層控制,除了順層滑移和彎曲變形外,還有沿陡傾結(jié)構(gòu)面的錯(cuò)動(dòng)變形。按中國(guó)水利水電工程地質(zhì)規(guī)范[6-7],這種含有反傾結(jié)構(gòu)面的順坡向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)邊坡的變形破壞屬潰屈破壞。
圖6 不同強(qiáng)度折減系數(shù)邊坡的變形及破壞Fig.6 Deformation and failure of slope with different strength reduction factors
基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法[8](FLAC3D)建立了數(shù)值分析模型,計(jì)算表明:全部開挖完成后,邊坡淺部巖體卸荷松弛,松弛范圍大致沿著層間錯(cuò)動(dòng)帶呈折線型分布,層面和錯(cuò)動(dòng)帶消耗了大量的卸荷釋放能量,松弛深度一般為20~35 m。邊坡開挖后,在坡腳部位存在一定程度的壓應(yīng)力集中,為3~5 MPa,如圖7所示。開挖完成后,邊坡內(nèi)有小范圍的拉應(yīng)力區(qū)。最大拉應(yīng)力值為0.73 MPa,出現(xiàn)在高程1 835 m馬道、高程1 730 m平臺(tái)。邊坡開挖過(guò)程中,總體上,各級(jí)馬道坡腳部位的應(yīng)力值隨上覆巖層的開挖而逐步降低。但本級(jí)馬道開挖時(shí),存在一定的應(yīng)力集中,最大主應(yīng)力經(jīng)歷了原巖應(yīng)力場(chǎng)—上覆巖體卸載—本級(jí)馬道開挖加載—下部開挖再卸載的復(fù)雜力學(xué)過(guò)程。
邊坡巖體的塑性區(qū)隨開挖逐漸增加,在開挖坡面上主要分布在各級(jí)馬道。薄層砂板巖塑性區(qū),在坡表出露部位。在邊坡內(nèi)部,塑性區(qū)主要位于中下部薄層砂板巖以及弱卸荷帶范圍內(nèi)。邊坡內(nèi)塑性屈服程度較大部位主要發(fā)生在錯(cuò)動(dòng)帶內(nèi)部以及中下部特別是泥夾碎屑型結(jié)構(gòu)面內(nèi)塑性應(yīng)變較大。如圖8。
邊坡加固的重點(diǎn)應(yīng)對(duì)下部抗力體加以合理的保護(hù)和加固,及時(shí)提供圍壓,預(yù)應(yīng)力錨索、鋼筋混凝土格構(gòu)以及系統(tǒng)錨桿等措施均可以起到良好的加固作用;邊坡放緩坡比,留寬平臺(tái),并使邊坡坡面出露在厚層砂巖中以及采用每級(jí)馬道多排錨索支護(hù)方案對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性效果明顯。
邊坡安全系數(shù)隨開挖坡高的增大而逐漸降低。由于邊坡在1 895 m高程以下坡比放緩,邊坡坡面避開了薄層砂板巖,在中~ 厚層砂巖出露,下部安全系數(shù)有較明顯的提高,且隨開挖高程降低安全系數(shù)降低幅度變小,正常工況、短暫工況(暴雨作用)及偶然工況(地震作用)邊坡安全系數(shù)見表2。
圖7 開挖完成后的最大主應(yīng)力云圖Fig.7 Maximum principal stress after the excavation
圖8 邊坡開挖完成后的塑性區(qū)分布Fig.8 Plastic zone distribution after the excavation
表2 邊坡安全系數(shù)Table 2 Safety factors of slope
邊坡開挖完成后正常工況對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.35;短暫工況對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.18,偶然工況對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.17。滿足規(guī)范中安全系數(shù)的不同工況的對(duì)應(yīng)要求。
(1)邊坡開挖變形以卸荷回彈為主,豎向變形大于水平變形;層間錯(cuò)動(dòng)帶及陡傾斷層錯(cuò)動(dòng)變形較大,層間錯(cuò)動(dòng)面多處于剪切極限狀態(tài)和不連續(xù)張開狀態(tài)。
(2)邊坡開挖后,在坡腳部位存在一定程度的壓應(yīng)力集中,為3~5 MPa;邊坡內(nèi)有小范圍的拉應(yīng)力區(qū)。
(3)邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài),但邊坡巖體局部存在塑性破壞區(qū),主要分布于薄層砂板巖、剪切錯(cuò)動(dòng)帶及坡體淺表,以拉伸破壞為主,少量剪切破壞;邊坡為潰屈破壞模式。
(4)建議及時(shí)對(duì)下部坡腳巖體進(jìn)行錨固,提供側(cè)向壓力,限制邊坡下部巖體的側(cè)向變形,防止因下部巖體側(cè)向變形過(guò)大而引起邊坡的破壞。
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長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)2015年10期