洪家渡水電站廠房后高邊坡變形特征研究

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽　550081)

巖石高邊坡是山區(qū)工程建設(shè)中的主要地質(zhì)環(huán)境和工程承載體，其穩(wěn)定性決定著工程全生命周期的安全和效益。人工邊坡的破壞失穩(wěn)一般在其變形發(fā)展到一定程度后發(fā)生，因此對坡體的變形進(jìn)行監(jiān)測，了解其變化規(guī)律，可在邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞前采取有效的工程處理措施，確保安全。

本文以洪家渡水電站廠房后高邊坡近15年的變形觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合工程地質(zhì)情況，全面分析該高邊坡變形特征，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法建立邊坡變形統(tǒng)計回歸模型，定量分析影響邊坡變形的各因子權(quán)值，可判斷邊坡穩(wěn)定和預(yù)測邊坡變形趨勢。

1　工程概況

1.1　工程地質(zhì)及開挖支護(hù)簡介

廠房后高邊坡開口線高程為1025.00～1070.00m，開挖高20～75m，每層開挖高13m。高程1036.00m以上開挖坡比1∶0.45～1∶0.65，以下為垂直開挖。

邊坡開挖出露地層為玉龍山段T1y2-5～T1y2-4厚層、中厚層微～新鮮灰?guī)r；頂部出露部分九級灘段T1y3-1泥灰?guī)r夾頁巖及第四系殘坡積的碎塊石夾少量黏土。邊坡巖層N70°～75°E，NW∠28°～31°，為斜順向或逆向坡。發(fā)育裂隙共89條，其中最為發(fā)育的一組裂隙產(chǎn)狀N50°～70°E，SE∠60°～75°，充填方解石及泥質(zhì)，剪性。主要斷層有F8、F13，其中F8為正斷層，斜穿下游側(cè)坡，產(chǎn)狀N80°E，SE∠50°，破碎帶寬1～3m，影響帶寬3～5m，斷層帶溶蝕破碎嚴(yán)重，且發(fā)育溶洞；F13為逆斷層，斜穿下游側(cè)坡，于高程1036.00～1049.00m邊坡交匯，產(chǎn)狀N55°E，NW∠40o，破碎帶寬0.5～1.5m，影響帶寬2～5m，斷層帶局部溶蝕破碎嚴(yán)重。斷層帶及溶洞周邊裂隙發(fā)育，巖體破碎。典型地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1　邊坡典型地質(zhì)剖面

廠房開挖邊坡為斜順向或逆向坡，且發(fā)育的F8斷層均與坡體呈大角度相交，邊坡整體穩(wěn)定性較好，但坡體裂隙較為發(fā)育，特別是受N40°～60°W，SW∠55°～75°組裂隙(該組裂隙與坡體傾向基本一致)與其他結(jié)構(gòu)面切割的影響，邊坡多處存在不穩(wěn)定體。同時，下游側(cè)坡風(fēng)化溶蝕較嚴(yán)重，溶洞發(fā)育。因此為保證廠房開挖邊坡安全，采取的工程處理措施為

a.對邊坡松動塊體進(jìn)行清除，危巖體采用隨機(jī)錨桿進(jìn)行加固。

b.對邊坡均進(jìn)行系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)，大部分邊坡進(jìn)行鋼筋混凝土護(hù)坡。

c.規(guī)模較小的溶洞(其發(fā)育深度小于5m)若存在充填物時，首先清除充填物后再采用混凝土回填，空腔溶洞直接用混凝土回填；對于規(guī)模較大的溶洞，回填水平深度3～8m，并清除回填段內(nèi)充填物，溶洞周邊布設(shè)錨桿進(jìn)行加固后用混凝土回填。

d.對殘缺馬道均用混凝土進(jìn)行修復(fù)。

e.在高程997.20m、高程1025.00m處設(shè)置兩層排水洞對坡體進(jìn)行排水處理。

1.2　監(jiān)測布置

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL 386—2007)和《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(DL/T5259—2010)規(guī)定：廠房后開挖所形成的邊坡為1級，其內(nèi)部變形為永久監(jiān)測項目。因此，在廠橫0-016.00、A—A斷面、廠縱0-004.50、廠縱0+013.68這四個斷面布置多點位移計對邊坡沿深度方向的水平位移進(jìn)行長期監(jiān)測，判斷邊坡位移深度。監(jiān)測儀器分布統(tǒng)計見表1，空間位置如圖2所示。

表1　廠房后高邊坡監(jiān)測儀器

圖2　廠房后高邊坡監(jiān)測布置

2　邊坡變形特征分析

2.1　廠橫0-016.00剖面

由圖3、圖4可知：MC1-1、MC1-2各深度測點位移未與降雨量呈現(xiàn)一定的相關(guān)性變化，即在每年降雨量較多的5—8月期間及短期暴雨前后，邊坡位移未見趨勢性變化。

邊坡歷史最大位移均發(fā)生在淺表層，且多發(fā)生在施工開挖階段，隨著時間的推移，各測點位移呈周期性波動變化，目前已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2　A—A剖面

由圖5、圖6可知：MC2-1、MC2-2各深度測點位移量值不大，且未與降雨量呈現(xiàn)一定的相關(guān)性變化。

邊坡歷史最大位移均發(fā)生在淺表層，且多發(fā)生在施工開挖階段。其中MC2-1各深度處測點位移在支護(hù)完成后基本保持不變；MC2-2監(jiān)測歷史最大位移1.80mm，最大位移接近其多年位移平均值，表明位移波動幅度較小，測值穩(wěn)定。各深度處測點位移在2012年之前均呈現(xiàn)周期性波動的緩慢增大趨勢，之后則基本呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的周期性波動變化，規(guī)律性較好，位移已基本收斂。

2.3　廠縱0-004.50剖面

由圖7可知：MC3-1監(jiān)測歷史最大位移3.42mm，發(fā)生在孔口處，最大位移接近其多年位移平均值，表明位移波動幅度較小，其余各測點位移均不大，未見明顯異常變化。各測點位移主要發(fā)生在開挖前期，隨著時間推移，各測點位移均呈現(xiàn)周期性波動變化，規(guī)律性較好，已基本收斂。

圖3　多點位移計位移MC1-1位移與降雨量變化過程線

圖4　多點位移計MC1-2位移與降雨量變化過程線

圖5　多點位移計MC2-1位移與降雨量變化過程線

圖6　多點位移計MC2-2位移與降雨量變化過程線

圖7　多點位移計MC3-1位移與降雨量變化過程線

圖8　多點位移計MC3-2位移與降雨量變化過程線

由圖8可知：MC3-2監(jiān)測歷史最大位移12.18mm，發(fā)生在孔口處。各測點歷史實測位移的量值均明顯大于同斷面高程處MC3-1各測點位移，但位移主要由施工期開挖引起，開挖期間所發(fā)生的位移均接近8mm。隨著時間推移，各測點位移變化趨緩，但均呈現(xiàn)緩慢增大趨勢，且孔口處位移變化速率略大于其他各深度處測點位移速率。從2005年至今，各測點年變化速率分別為0.344mm/a、0.153mm/a、0.150mm/a、0.180mm/a。該套多點位移計穿過斷層F8，該斷層溶蝕破碎嚴(yán)重，是導(dǎo)致多點位移計出現(xiàn)緩慢變形的主要原因。

另外，各深度測點位移亦未與降雨量呈現(xiàn)相關(guān)性變化。

2.4　廠縱0+013.68剖面

由圖9可知：MC4-1各深度處測點實測位移在2011年5月之前基本趨于穩(wěn)定，之后緩慢啟動第二次位移過程，至2013年11月份開始出現(xiàn)明顯增大趨勢，變形速率增大。從2013年至今，各測點年變化速率分別為0.234mm/a、0.114mm/a、0.154mm/a、0.134mm/a、0.074mm/a。同時，各深度測點位移與降雨量呈現(xiàn)微弱的相關(guān)性，即在短期降雨量較為集中以及暴雨前后有小幅增大，但滯后明顯。分析原因主要為該段邊坡兩面臨空，且?guī)r溶發(fā)育，巖體完整性差，從而引起坡體產(chǎn)生蠕變變形。

由圖10可知：MC4-2僅孔口處測點位移呈現(xiàn)緩慢增大趨勢，近幾年年變化速率為0.222mm/a。其余各測點實測位移變化平緩，基本收斂，其中位于22m和31m深度處的測點實測位移未見收斂，且與孔口處位移方向相反，而位于4.5m深度處的位移基本不變，表明在深度4.5～22m區(qū)間內(nèi)可能存在破裂面。同時，各深度測點位移與降雨量未呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。

圖9　多點位移計MC4-1位移與降雨量變化過程線

圖10　多點位移計MC4-2位移與降雨量變化過程線

3　邊坡變形模型建立及成果分析

3.1　模型建立

大量工程表明，溫度、降雨量與邊坡變形存在一定的相關(guān)性，時效也將對邊坡變形產(chǎn)生一定影響。因此綜合考慮溫度、降雨量和時效三個因素影響，邊坡變形統(tǒng)計模型可表示為

δ=δT+δP+δθ

(1)

式中δ——位移量因子，mm；

δT——溫度分量因子；

δP——降雨量分量因子；

δθ——時效分量因子。

3.1.1溫度分量

從多年觀測資料來看，壩址氣溫基本上呈年周期性變化，溫度因子可選用周期的諧波作為因子，由此求得溫度分量δT如下：

(2)

式中ai——回歸系數(shù)(i=1～4)；

t——監(jiān)測日至始測日的累計天數(shù)/d。

3.1.2降雨量分量

降雨對邊坡位移的影響具有一定滯后作用，影響時段一般在15d以內(nèi)，因此采用前期平均降雨量作為影響因子：

(3)

式中Pm——前m天平均降雨量，m為1、3、5、15，mm；

bj——降雨量變化引起位移分量的回歸系數(shù)。

3.1.3時效分量

邊坡產(chǎn)生時效變形的原因極為復(fù)雜，參照類似工程經(jīng)驗，采用式(4)來表示位移變化的時效分量，即

δθ=c1θ+c2lnθ

(4)

式中θ——累計觀測天數(shù)除以100的值；

c1、c2——時效分量的回歸系數(shù)。

3.2　成果分析

根據(jù)監(jiān)測成果可知，邊坡位移主要發(fā)生在淺表層，因此選取多點位移計淺層實測位移資料進(jìn)行回歸分析，成果見表2和表3。

由表2可知：邊坡變形回歸模型總體精度較高，擬合復(fù)相關(guān)系數(shù)介于0.90～0.97(除MC4-1)，基本能夠反映邊坡變形的真實情況。

由表3可知：各影響因子在邊坡變形中的貢獻(xiàn)依次為：壩址氣溫>時效>降雨量，表明壩址氣溫和時效為引起邊坡變形的主要因素，降雨量的影響微弱。

目前壩址氣溫呈年周期性變化，降雨量也呈較好的正態(tài)分布特征，各年度內(nèi)的變幅相近，而時效因子呈增大趨勢。因此，時效變形是引起邊坡蠕變的主要原因。

表2　 擬合成果檢驗

表3　擬　合　成　果

4　結(jié)　論

a.廠房后高邊坡歷史位移量值均不大，且主要發(fā)生于淺表層，各部位坡體位移的年變化速率介于0.074～0.344mm/a，變化速率小。目前邊坡總體處于穩(wěn)定狀態(tài)，其中正后方邊坡已穩(wěn)定，側(cè)方邊坡靠近河道的區(qū)段，由于邊坡兩面臨空，巖溶發(fā)育，巖體較破碎，巖體完整性差，坡體存在蠕變變形。

b.建立的邊坡變形回歸模型精度較好，測點擬合復(fù)相關(guān)系數(shù)介于0.90～0.97，擬合成果表明壩址氣溫和時效變形對坡體淺層位移影響最大，降雨量的影響微弱，與實際監(jiān)測成果吻合。該模型可作為判斷邊坡穩(wěn)定和預(yù)測邊坡變形趨勢的有效手段之一。

c.在該模型的基礎(chǔ)上，后續(xù)可根據(jù)邊坡長序列的觀測數(shù)據(jù)不斷更新調(diào)整模型，以確保其長期回歸預(yù)測結(jié)果的精準(zhǔn)。

[1]陳蘭,仲云飛,吳邦彬,等.逐步回歸算法在邊坡安全監(jiān)測中的運(yùn)用[J].長江科學(xué)院院報,2013(1):21-25.

[2]談小龍,徐衛(wèi)亞,劉大文,等.高邊坡變形的組合預(yù)測模型及其應(yīng)用[J].水利學(xué)報,2010(3):294-299.

[3]劉海洋,郝哲.基于時序分析的邊坡變形預(yù)報與變形行為特征[J].沈陽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012(2):81-86.