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工程地质学报1004—9665/2009/17(1)JD062旬8
小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义+
敏
黄润秋
巨能攀
张
(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室成都610059)
摘要小湾水电站进水口高边坡地质条件及开挖坡型复杂,断层、节理裂隙发育并相互切割,坝顶平台至进水口底板平台平均开挖坡度88。,最大高差106m,其中垂直开挖段81m,最大水平退坡深度170余米。伴随边坡开挖过程中,边坡上部岩体产生了一系列的变形破裂现象,主要表现为沿混凝土坡面分布的张开宽度和延伸长度不一的裂缝及起壳现象。本文结合边坡的实际工程地质条件和监测结果数据,对变形破裂现象的形成机制进行了系统的分析。结果表明,裂缝产生的原因主要是由于地处高地应力区岩体在边坡开挖过程中产生的卸荷回弹表现,是正常的卸荷松弛变形。在此基础上,对边坡的稳定性分析表明,该边坡稳定性良好。关键词
变形破裂形成机制
高地应力
卸荷松弛
中图分类号:Tu457文献标识码:A
DEFORMATION—FRACTUREMECHANISMANALYSIS
EVALUATIONoFHIGHSLOPEFOR
ANDSTABILITYOF
WATER—INTAKEXlAOWAN
HYDROPOWERSTATION
ZHANGMin
HUANGRunqiu
JUNengpan
610059)
(S地把研k6Dm£D可旷&o缸。趔胁e眦如n肌d&∞聊ir0硎emPr0把c如n,阮7增仇跏加巧毋矿‰^∞z啊。仇n∥“
Abstractstation
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andthemaximalheightdiff-erenceis106mincludingverticalheightpartof81mf而mthedamcI’est
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defbmation
andfracturephenomenaappearalongtheconcretesuIfacecoVe打ngthesIope.Theymainlyin—
Combiningtheengineednggeologjcalconditionsandthemonitoringdataofthe
on
cludescracksandsuIfacebulging.
scene,a
systematicanalysisismade
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def0珊ation
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andfracture.Theresultsindicatethatthe
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bleatpresent.Keywor‘ls
Defo珊ation—fracture,Mechanism-High—intensive
geo—stress,Unloadingandrelaxation,Rock
slopestability,Hydropower
收稿日期:2008一09一IO;收到修改稿日期:2008一12—04.
基金项目:国家自然科学基会雅若江水电开发联合研究基金重点项日(50539050).
第一作者简介:张敏,主要从事岩体稳定及环境地质工程方面的研究工作.Email:rnn由102@126.c0Ⅲ
17(1)张敏等:小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义
63
1
引言
随着大规模建设工程的开展,水力、矿山、交通等领域的天然或人工高边坡的稳定性问题已经越来越突出,但至今仍难以找到统一的准确评价理论和方法。实践证明,工程建设中布置系统有效的监测控制系统能准确地反应高边坡开挖后岩体的宏观变形特征、开挖后真实的力学效应、监测边坡设计的可靠性及掌握边坡加固处理后的稳定状态,如在黄河小浪底工程边坡、二滩水电站2’尾水渠内侧边坡、天生桥二级水电站厂房南边坡、五强溪水电站船闸边坡等,在施工过程中及竣工后相应地建立长期监测系统,成效良好。因此,边坡监测在边坡工程中具有重要的意义,其监测结果将作为支护跟进和动态跟踪反馈的先导信息,按此开展边坡监测的施工图设计。根据支护调整和现场实际情况的需要,监测设计亦进行动态跟踪,及时调整监测布置¨。1。
本文主要依据某水电站进口高边坡开挖施工过程中的表观点、内观点(多点位移计)、锚索测力计等监测资料,分析探讨高边坡在开挖卸荷条件下的宏观变形机制,对边坡开挖过程中出现的变形破裂迹象进行系统分析,并进行整体、局部边坡的稳定性评价。2
工程地质条件
2.1
边坡概况
小湾电站进水口边坡地形陡峻,断层、节理裂隙
发育并相互切割,岩体风化卸荷严重。进水口边坡高程范围1139m~1340m,其中正面边坡走向N40。w,高程1245m以上进水口上边坡与缆机边坡连接,平均坡度440,最大高差95m;下游与拱坝坝基边坡连接,宽约250m,高程1245m以下边坡高约106m,其中高程1245一1220m,开挖坡度570,高程1220一1139m(进水口底板平台)为垂直开挖段,下部及前方布置有饮水管道、进水塔等主要建筑物(图1)。
2.2
边坡工程地质条件
进水口边坡出露的地层岩性主要为中一深变质
岩性(M¨1、M肛2)及第四系地层(Q)。基岩岩性主要以黑云花岗片麻岩(MⅣ’1)和角闪斜长片麻岩(M¨2)为主,均夹薄层透镜状片岩。新鲜完整的片
麻岩、片岩均属坚硬一极坚硬岩石,片岩在风化带及
卸荷带中常软化为软弱夹层。第四系地层按成因类型主要有坡积层(Q小)和崩积层(Q。1),主要分布于大椿树沟底及缓坡地段。
图l
研究区主要构造特征及建筑物示意图
Fig.1
Schematic
diagr锄sh州ng
thetypical
geolo矛calstmcturesandbuildingsofstudy
area
1.断层及编号;2.勘探洞及编号
从地质构造上来看,进水口正面高边坡整体走向N400w,断层、小断层、层间挤压带(面)非常发育
(图1),揭露的主要断层有F,、F3、f2、f3、f5、f6、f,:、f8。..、f8。一。等(表1),其中F,为区内规模最大的Ⅱ级结构面,从大椿树沟沟心通过,横穿进水口上游边坡地段;Ⅲ级断层F,位于F,断层南侧,陡倾上游,从进水口正面边坡北侧通过。根据平洞资料统计及开挖边坡工程地质调查,属Ⅳ级结构面的小断层(f)及
挤压面(舯)发育,主要发育3组:(1)近Ew向陡倾
角组,平行或近平行片麻理发育,产状N600一900w,NE[750一900,主要由片状岩、碎裂岩、糜棱岩等构成;(2)中倾角组,从大椿树沟下游侧边坡开挖揭露情况看,该组结构成组发育,其走向与主要构造平行,产状近Ew,N[200一500,主要由糜棱岩、碎块
岩及断续泥膜构成;(3)近sN向陡倾角组,产状N100一200E,NW[850一900,主要由碎裂岩构成。对近SN向陡节理的连通率进行了测量,测量均位于强风化、强卸荷带内,近sN向陡节理面的连通率在75%一90%。
64
如ur7硷2矿E,痧,艘矗昭&DZ啊
工程地质学报2009
从风化卸荷特征来看,进水口正面高边坡中上部(占坡高的1/2—3/4)表层为强风化、强卸荷岩体,弱风化岩体的水平深度在43—46m,进水口直立坡上部(占坡高的1/2~l/3)表层为强风化岩体,弱风化岩体水平深度约15—20m。
从水文地质条件看,地下水主要为基岩裂隙潜水,潜水埋深一般在28—65m。3
描(因高程1245m坝顶公路上石渣较厚,高程
1220m以下为直立开挖边坡无法到达,均未观测到边坡变形现象)。裂缝主要分布于Ⅳ级结构面f6附近,其特征主要表现为裂缝附近喷混凝土表面起壳,裂缝呈右行雁行斜列状,张开1—10mm,说明其上游侧有下错变形迹象。根据该地段的工程地质条件分析(图3),裂缝产生的主要原因是近Ew向f6和近sN向的f89一。切割形成的楔形块体产生了部分下错变形,在f89一,发育部位未发现明显裂缝(附近其他部位也未发现与之相对应的裂缝),说明裂缝还处于边坡局部变形初期,由于周边已完成的预应力锚索作用,变形发展较缓慢。
边坡变形破裂现象及机制分析
图2为边坡于2004年12月开挖至1139m平台
时,在进水口正面边坡及进水口与拱肩槽连接段边坡1230—1245m高程之间混凝土表面局部裂缝素
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图2
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5。钔轴中嘴
1245—1230m高程裂缝示意图
on
Schematicd】‘awingoffhetures
1245~1230m
hl:该处裂缝呈羽裂状,上部最大张开8InrIl;Ll:张开8mm,s侧向外剪出5~8IIlrn,长40~50cm;L2:张开3—4mm,两端尖灭,长50—
60cm,微显错动.L3:呈斜裂,微错,张开3Im:L4:张开小于lmm,齿状起伏;L5:张开5~10nlnl,微差异逢,N50w;IJ6:张开lmm,齿
状起伏,N20w,迹长3—3.5“;L7:张开1mm.波状起伏,迹长2m,N50W;L9:剪张裂缝,上盘外错,张开lmm;LlO:张开3m,延伸长度lm,近Ew向;Lll:张开l一2∞,微错,SE侧下错,延伸长度】m,N70E;L12:张开3—5M.迹长5m,N40w;L13:近水平张裂缝,张开2—5删.下侧微错突出l~2咖,迹长4m;L14:剪张裂缝。多分支,有的错出坡面,同时伴有挤压拱起块体,形成张裂缝,张开最大4cm,一般2—5∞,向斜上方延伸,近Ew向;L15:卸荷张裂变形裂缝,张开4~7|Illn,斜向上右延伸3m
17(1)
张敏等:小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义
一,一赫
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图3
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裂缝发育区主要构造特征示意图
geolo百calstmctures
Fig.3schematjcdrawingof
inf}acturesdeveloping
area
A:黄褐色,强风化,挤压面发育,呈网状,SN向缓节理不发育,SN向陡节理短小、稀疏。裂面多旱黄褐、黄白色;B:黄褐色。弱上风化,挤压面及节理裂隙较发育;c:黄褐色、土黄色,强风化,构造运动特征明硅,挤压面(带)发育;D:弱上风化,挤压面不发育,
节理主要为:sN向缓节理和陡节理,缓节理延伸较长,一般3~5m,且在部分地段较集中;陡节理,延伸短,贯通性差;
1.断层;2.挤压错动带(面);3.节理裂隙;4.勘探洞及编号
根据边坡监测(表面观测点、多点位移计、锚索测力计等)结果,进水口正面边坡存在不同程度的变形,变形量相对较大的部位主要位于2。一4”机轴线附近,即临空面最大的直立边坡中部。从边坡揭露的地质情况看,主要结构面为近Ew向陡倾角结构面,其他结构面一般延伸不长或仅局部发育,除已作专门加固处理的f3外,不存在构成较大不利地质体的条件,其变形主要是高地应力区边坡开挖引起的应力集中及差异性回弹所致旧棚J。从变形发展的时间分析,1180m高程以上边坡开挖过程中,变形量较小,随开挖进行,变形开始出现台阶状上升趋势,这说明变形的发展与下部边坡开挖关系密切,其总的变形量不大。电站坝址区位于中高地应力区,在进水口直立边坡上较完整的岩体表层可观察到“葱皮”松弛现象,进水口边坡高陡,开挖必然会造成坡体应力重分布,局部产生应力集中现象,这也会加速变形的发生及发展。
综上所述,进水口正面边坡出现的变形现象主要是由于边坡开挖下切过程中坡体内应力调整产生的,即边坡表生改造过程中产生的卸荷回弹的内在响应,是岩体正常的卸荷松弛变形,随开挖完成会逐渐趋于稳定。4
了4个表面变形监测点。进水口正面边坡主要为岩质边坡,水平切割深度较大,其变形主要由于地应力释放后卸荷回弹产生,边坡失稳的机理主要为块体滑动和卸荷变形,因而进水口正面边坡内部位移主要采用多点位移计进行监测,共布置了7套多点位移计。
进水口正面边坡主要采用了预应力锚索为主、并结合预应力锚杆和普通砂浆锚杆的综合支护方式。为了评价不同支护手段的支护效果、了解支护后期边坡应力调整变化情况,以指导施工、反馈设计,分别选取了一定比例的预应力锚索、预应力锚杆、普通砂浆锚杆安装锚索测力计、锚杆测力计和锚.杆应力计进行支护效果监测(图4,图5)。自2003年9月开始1245m高程以下开挖,截止2004年12月,进水口边坡开挖至高程1139m平台,其中,在2004年12月开始对进水口边坡集中进行爆破开挖。
4.1
表观点监测结果分析
图6为进水口正面边坡的典型“变形一时间曲
线”,TP一02与TP一07同处于54机轴线剖面,TP一02位于1245m高程,TP—07位于1220m高程。下部边坡集中爆破开挖期间,从相同时段内(2004年
边坡安全监测分析
表面变形监测点能从宏观上掌握边坡整体位
12月)位移速率和位移增量来看,TP一02的位移速率为0.20mm・d~,位移增量为18.21mm;TP一07位移速率为0.48mm・d~,位移增量为35.36mm,从两方面看,越靠近开挖面受开挖影响越显著。
移,且实施快,并能在边坡开挖先期埋点测量,反应边坡变形全过程。为此在电站进水口正面边坡布置
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工程地质学报2009
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进水口边坡监测点布置图
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进水口边坡开挖进程时间曲线
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进水口正面边坡表观点变形方向总体朝向临空面,水平合位移曲线总体表现为缓慢增长一增长一平稳的特点,显出与边坡开挖阶段较好的相关性,表
。一10
∞“,N∞H寸o∞N寸o寸o∞H呻o∞“,o∞甲h甲苫
盆占甲苫
∞“.∞o明进水口正面边坡表面变形主要受边坡开挖产生的卸荷效应,位移速率在边坡爆破开挖期间达到了峰值,而越靠近开挖面位移速率越大;从相同时段内合位移增量统计来看,也表现出越靠近开挖面位移增量越大的特点。从以上两方面综合来看,进水口正面边坡变形表现出越靠近开挖面受卸荷效应越显著的特点,随着边坡开挖结束及支护措施的实施,位移速率明显减小,位移趋于收敛稳定。
图6
Fig.6
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∞N∞N∞o田N∞o∞o∞N宕.日。∞“嘧o曲o∞N西。曲o∞N∞N.∞o∞N田o
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测点即一02和TP一07位移时问曲线
Time—history
about
curves
ofthedisplacementTP一07
TP一02加d
a.测点11P一02;b.测点1P一0r71.垂直位移;2.水平位移;3.合位移
17(1)张敏等:小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义
67
4.2
多点位移计监测结果分析
根据测点“变形一时间曲线”的特点,可以将进
水口正面边坡的变形分为3种类型,即浅表松弛型、协调渐变型和回弹错动型,将各类型的特点叙述如下:
4.2.1浅表松弛型
变形在坡体一定范围内形成卸荷松弛带,是浅表部正常的卸荷松弛变形,变形不受某一结构面控制,M—13与M—01测点属于此种类型(图7)。M一13位于3’、4。机轴线之间的1175m高程,埋深50m;坡体在0~20m范围内变形较大,向里延伸,变形量值较小,说明0—20m范围的坡体为卸荷松弛带,此测点部位岩体属于正常的卸荷松弛变形,随着边坡开挖结束及支护措施的实施,位移速率逐渐降低,位移趋于收敛稳定。M一01位于5。机轴线的1220m高程,临近TP一07,埋深26m;坡体在0一15m范围内变形较大,与TP一07测点量值进行比较,2004年12月期间,1P一07的水平位移增量为35.5mm,M一01的孔口位移增量为2.38mm,两者相差太大,说明26m不能做为M一01的基准点,同时也说明M—Ol部位岩体的卸荷松弛范围超过了
26m。
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图7
测点M—01和M—13位移时间曲线
Fig.7
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curves
ofthedisplacement
aboutM一01andM~13
a.测点M—OlIb。测点M一13
4.2.2协调渐变型
变形表现为一定的连续性和由表及里的渐变性,坡体变形不受某结构面控制,变形量级取决于岩体的宏观特性和支护的强度。M一12测点位移一时间曲线表现出由坡面向坡内逐渐变形、渐进连续变化的特点(图8),表明此部位的岩体变形是连续的、不受特定的结构面控制。随着边坡开挖结束及支护措施的实施,变形趋于收敛稳定,至2005年8月17日,孔口位移量为17.56mm,属岩体正常变形范围内。
监剥日期/年一月一日
图8测点M一12位移时间曲线
Fig.8
Time—history
cunres
ofthedjsplacement
aboutM—12
4.2.3回弹错动型
变形在距坡面一定深度范围内具有很好的同步性和一致性,表明在这个深度上存在特定的结构面,控制了其外侧边坡在开挖卸荷过程中的整体回弹变形,测点M一02与M一14属于此种变形特征(图9)。M一02与M一14分别位于2”机轴线1220m和
1
195m高程,根据工程地质条件分析,该工程部位位
于SN向缓裂密集带中,M一02与M一14测点部位
岩体在0—17m和0—20m范围内变形具有同步性和一致性,说明此部位岩体沿SN向节理带产生了一定的下错变形,但随着边坡开挖结束及支护措施的实施,变形已经趋于收敛稳定。
尽管进水口正面边坡不同部位岩体表现出不同的变形特点,但有以下共同特点:(1)下边边坡爆破开挖时,位移速率较大,2004年12月集中爆破开挖
期间达到峰值,随着边坡开挖结束及支护措施的实施,位移速率逐渐降低,位于趋于收敛稳定,表明进水口正面边坡的变形整体上受边坡开挖卸荷的影
响;(2)相同时段内,低高程测点的位移速率和位移增量大于上部,说明越靠近开挖面受卸荷影响越显著。
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朗b图9测点M—02和M—14位移时I司曲线
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ofthedisplacement
aboutM—02andM一14
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a.测点M一02;b.测点M—14
锚索测力计监测结果分析
根据锚索荷载一时间曲线特征(图10),锚索荷
从锚索荷载变化与坡体的位移关系看,锚索荷通过对电站进水口边坡开挖过程中变形特征调(1)表观点、深部监测点(多点位移计)位移一
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监测日期/年一月一日
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图10荷载变化与位移增量时间曲线
Fig.10
Time—history
curves
0fthedisplacement
andtheanchorloads
a.PR一03与TP一07;b.PR—08与M—14;c.PR一32与M—13
(2)下部边坡爆破开挖期间,位移、荷载呈台坎(3)内观点位移变化规律显示出坡体的变形在(4)边坡开挖至进水口平台后(2004年12月),4.3
载经过初期的调整后,在边坡开挖期间荷载逐步呈增加的趋势,增长率为6%一17%,之后锚索荷载随边坡开挖结束趋于稳定。锚索测力计结果表明,一方面锚索对边坡的变形起到了约束作用;另一方面,锚索增长幅度较小,变形在稳定容许的范围内。从空间关系看,高高程的荷载增量较小,低高程的荷载增量较大,与坡体开挖卸荷的变形分布一致,也反映了坡体主要以卸荷变形为主。随着边坡开挖结束,锚索荷载维持稳定,其整个过程反应出进水口正面边坡的卸荷松弛规律。
载变化与坡体位移有良好的相关性,锚索荷载随边坡变形逐渐增大,边坡开挖结束后,锚索荷载和坡体位移也表现出一致性,逐渐趋于收敛稳定。4.4小结
查和变形监测分析,有以下认识:
状增长趋势,爆破后荷载变化速率明显大于爆破前,且相同时段内(2004年12月)低高程测点变形速率和位移增量均大于高高程,说明进水口正面边坡的变形整体上受爆破开挖卸荷的影响,且越靠近开挖面受卸荷影响越显著。
空间上存在分异现象,根据其变形特点可以分为3个类型区:I浅表松弛变形区,Ⅱ协调渐变变形区,Ⅲ回弹错动变形区(图4),宏观上不具备统一性,即坡体的变形不受统一的、不利的结构面控制。
测点位移及锚索荷载仍有缓慢增长趋势,这主要受进水口底板及进水口饮水洞开挖的影响,随着爆破开挖强度的减弱及正面边坡支护措施的有效实施,变形逐渐趋于稳定收敛;锚索荷载与坡体变形有较
时间曲线及锚索荷载一时间曲线总体表现为台坎上
升一平稳的特点,反映了边坡开挖、卸荷、变形、支护以及收敛全过程。
17(1)
张敏等:小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义
好的相关性,锚索荷载在经过初期的调整后,随着坡体的变形逐渐出力,之后也逐渐趋于收敛稳定。5
结论
(1)边坡开挖过程中出现的变形破裂现象是表
生改造过程中应力释放、卸荷回弹的表现,是正常的卸荷松弛变形。
(2)没有迹象表明进水口正面边坡的变形总体上具备统一性,说明边坡内部不存在控制边坡整体变形的统一、不利的地质结构面。在这种情况下,边坡开挖过程中产生的变形是坡体应力释放、边坡卸荷回弹调整的结果。从模式上,边坡绝大部分仍然属于表生改造的范畴。
(3)边坡不同部位的变形,表现出局部变化的特征;从内观曲线(多点位移计)的分析可以看出,变形主要分为3种情形,即协调渐变型(相对均匀岩体)、浅表松弛型(具有一定的不连续结构)和受局部缓裂控制的回弹错动型。
(4)由于变形属于开挖过程中的卸荷回弹变形(或浅表生改造变形),坡体内由于不存在统一的控制边坡变形破坏的不利结构面,因此,边坡开挖结束后,不会整体进入“时效变形”阶段。因此,在采取适当的措施进行局部变形的控制后,边坡变形逐渐趋于收敛稳定。
(5)从工程地质条件和监测结果分析角度表明,进水口边坡的变形已经趋于稳定,且变形量级在安全容许范围内,边坡处于稳定状态,同时也说明针对边坡存在的由控制性结构面控制的较大规模的楔形体的支护措施是合理可行的,是有效的。
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小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
张敏, 黄润秋, 巨能攀, ZHANG Min, HUANG Runqiu, JU Nengpan成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都,610059工程地质学报
JOURNAL OF ENGINEERING GEOLOGY2009,17(1)3次
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引用本文格式:张敏. 黄润秋. 巨能攀. ZHANG Min. HUANG Runqiu. JU Nengpan 小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义[期刊论文]-工程地质学报 2009(1)
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工程地质学报1004—9665/2009/17(1)JD062旬8
小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义+
敏
黄润秋
巨能攀
张
(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室成都610059)
摘要小湾水电站进水口高边坡地质条件及开挖坡型复杂,断层、节理裂隙发育并相互切割,坝顶平台至进水口底板平台平均开挖坡度88。,最大高差106m,其中垂直开挖段81m,最大水平退坡深度170余米。伴随边坡开挖过程中,边坡上部岩体产生了一系列的变形破裂现象,主要表现为沿混凝土坡面分布的张开宽度和延伸长度不一的裂缝及起壳现象。本文结合边坡的实际工程地质条件和监测结果数据,对变形破裂现象的形成机制进行了系统的分析。结果表明,裂缝产生的原因主要是由于地处高地应力区岩体在边坡开挖过程中产生的卸荷回弹表现,是正常的卸荷松弛变形。在此基础上,对边坡的稳定性分析表明,该边坡稳定性良好。关键词
变形破裂形成机制
高地应力
卸荷松弛
中图分类号:Tu457文献标识码:A
DEFORMATION—FRACTUREMECHANISMANALYSIS
EVALUATIONoFHIGHSLOPEFOR
ANDSTABILITYOF
WATER—INTAKEXlAOWAN
HYDROPOWERSTATION
ZHANGMin
HUANGRunqiu
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610059)
(S地把研k6Dm£D可旷&o缸。趔胁e眦如n肌d&∞聊ir0硎emPr0把c如n,阮7增仇跏加巧毋矿‰^∞z啊。仇n∥“
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Combiningtheengineednggeologjcalconditionsandthemonitoringdataofthe
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cludescracksandsuIfacebulging.
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Defo珊ation—fracture,Mechanism-High—intensive
geo—stress,Unloadingandrelaxation,Rock
slopestability,Hydropower
收稿日期:2008一09一IO;收到修改稿日期:2008一12—04.
基金项目:国家自然科学基会雅若江水电开发联合研究基金重点项日(50539050).
第一作者简介:张敏,主要从事岩体稳定及环境地质工程方面的研究工作.Email:rnn由102@126.c0Ⅲ
17(1)张敏等:小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义
63
1
引言
随着大规模建设工程的开展,水力、矿山、交通等领域的天然或人工高边坡的稳定性问题已经越来越突出,但至今仍难以找到统一的准确评价理论和方法。实践证明,工程建设中布置系统有效的监测控制系统能准确地反应高边坡开挖后岩体的宏观变形特征、开挖后真实的力学效应、监测边坡设计的可靠性及掌握边坡加固处理后的稳定状态,如在黄河小浪底工程边坡、二滩水电站2’尾水渠内侧边坡、天生桥二级水电站厂房南边坡、五强溪水电站船闸边坡等,在施工过程中及竣工后相应地建立长期监测系统,成效良好。因此,边坡监测在边坡工程中具有重要的意义,其监测结果将作为支护跟进和动态跟踪反馈的先导信息,按此开展边坡监测的施工图设计。根据支护调整和现场实际情况的需要,监测设计亦进行动态跟踪,及时调整监测布置¨。1。
本文主要依据某水电站进口高边坡开挖施工过程中的表观点、内观点(多点位移计)、锚索测力计等监测资料,分析探讨高边坡在开挖卸荷条件下的宏观变形机制,对边坡开挖过程中出现的变形破裂迹象进行系统分析,并进行整体、局部边坡的稳定性评价。2
工程地质条件
2.1
边坡概况
小湾电站进水口边坡地形陡峻,断层、节理裂隙
发育并相互切割,岩体风化卸荷严重。进水口边坡高程范围1139m~1340m,其中正面边坡走向N40。w,高程1245m以上进水口上边坡与缆机边坡连接,平均坡度440,最大高差95m;下游与拱坝坝基边坡连接,宽约250m,高程1245m以下边坡高约106m,其中高程1245一1220m,开挖坡度570,高程1220一1139m(进水口底板平台)为垂直开挖段,下部及前方布置有饮水管道、进水塔等主要建筑物(图1)。
2.2
边坡工程地质条件
进水口边坡出露的地层岩性主要为中一深变质
岩性(M¨1、M肛2)及第四系地层(Q)。基岩岩性主要以黑云花岗片麻岩(MⅣ’1)和角闪斜长片麻岩(M¨2)为主,均夹薄层透镜状片岩。新鲜完整的片
麻岩、片岩均属坚硬一极坚硬岩石,片岩在风化带及
卸荷带中常软化为软弱夹层。第四系地层按成因类型主要有坡积层(Q小)和崩积层(Q。1),主要分布于大椿树沟底及缓坡地段。
图l
研究区主要构造特征及建筑物示意图
Fig.1
Schematic
diagr锄sh州ng
thetypical
geolo矛calstmcturesandbuildingsofstudy
area
1.断层及编号;2.勘探洞及编号
从地质构造上来看,进水口正面高边坡整体走向N400w,断层、小断层、层间挤压带(面)非常发育
(图1),揭露的主要断层有F,、F3、f2、f3、f5、f6、f,:、f8。..、f8。一。等(表1),其中F,为区内规模最大的Ⅱ级结构面,从大椿树沟沟心通过,横穿进水口上游边坡地段;Ⅲ级断层F,位于F,断层南侧,陡倾上游,从进水口正面边坡北侧通过。根据平洞资料统计及开挖边坡工程地质调查,属Ⅳ级结构面的小断层(f)及
挤压面(舯)发育,主要发育3组:(1)近Ew向陡倾
角组,平行或近平行片麻理发育,产状N600一900w,NE[750一900,主要由片状岩、碎裂岩、糜棱岩等构成;(2)中倾角组,从大椿树沟下游侧边坡开挖揭露情况看,该组结构成组发育,其走向与主要构造平行,产状近Ew,N[200一500,主要由糜棱岩、碎块
岩及断续泥膜构成;(3)近sN向陡倾角组,产状N100一200E,NW[850一900,主要由碎裂岩构成。对近SN向陡节理的连通率进行了测量,测量均位于强风化、强卸荷带内,近sN向陡节理面的连通率在75%一90%。
64
如ur7硷2矿E,痧,艘矗昭&DZ啊
工程地质学报2009
从风化卸荷特征来看,进水口正面高边坡中上部(占坡高的1/2—3/4)表层为强风化、强卸荷岩体,弱风化岩体的水平深度在43—46m,进水口直立坡上部(占坡高的1/2~l/3)表层为强风化岩体,弱风化岩体水平深度约15—20m。
从水文地质条件看,地下水主要为基岩裂隙潜水,潜水埋深一般在28—65m。3
描(因高程1245m坝顶公路上石渣较厚,高程
1220m以下为直立开挖边坡无法到达,均未观测到边坡变形现象)。裂缝主要分布于Ⅳ级结构面f6附近,其特征主要表现为裂缝附近喷混凝土表面起壳,裂缝呈右行雁行斜列状,张开1—10mm,说明其上游侧有下错变形迹象。根据该地段的工程地质条件分析(图3),裂缝产生的主要原因是近Ew向f6和近sN向的f89一。切割形成的楔形块体产生了部分下错变形,在f89一,发育部位未发现明显裂缝(附近其他部位也未发现与之相对应的裂缝),说明裂缝还处于边坡局部变形初期,由于周边已完成的预应力锚索作用,变形发展较缓慢。
边坡变形破裂现象及机制分析
图2为边坡于2004年12月开挖至1139m平台
时,在进水口正面边坡及进水口与拱肩槽连接段边坡1230—1245m高程之间混凝土表面局部裂缝素
1020Lxl30
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图2
F谊.2
4050
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5。钔轴中嘴
1245—1230m高程裂缝示意图
on
Schematicd】‘awingoffhetures
1245~1230m
hl:该处裂缝呈羽裂状,上部最大张开8InrIl;Ll:张开8mm,s侧向外剪出5~8IIlrn,长40~50cm;L2:张开3—4mm,两端尖灭,长50—
60cm,微显错动.L3:呈斜裂,微错,张开3Im:L4:张开小于lmm,齿状起伏;L5:张开5~10nlnl,微差异逢,N50w;IJ6:张开lmm,齿
状起伏,N20w,迹长3—3.5“;L7:张开1mm.波状起伏,迹长2m,N50W;L9:剪张裂缝,上盘外错,张开lmm;LlO:张开3m,延伸长度lm,近Ew向;Lll:张开l一2∞,微错,SE侧下错,延伸长度】m,N70E;L12:张开3—5M.迹长5m,N40w;L13:近水平张裂缝,张开2—5删.下侧微错突出l~2咖,迹长4m;L14:剪张裂缝。多分支,有的错出坡面,同时伴有挤压拱起块体,形成张裂缝,张开最大4cm,一般2—5∞,向斜上方延伸,近Ew向;L15:卸荷张裂变形裂缝,张开4~7|Illn,斜向上右延伸3m
17(1)
张敏等:小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义
一,一赫
蠛沤
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国1国2
图3
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裂缝发育区主要构造特征示意图
geolo百calstmctures
Fig.3schematjcdrawingof
inf}acturesdeveloping
area
A:黄褐色,强风化,挤压面发育,呈网状,SN向缓节理不发育,SN向陡节理短小、稀疏。裂面多旱黄褐、黄白色;B:黄褐色。弱上风化,挤压面及节理裂隙较发育;c:黄褐色、土黄色,强风化,构造运动特征明硅,挤压面(带)发育;D:弱上风化,挤压面不发育,
节理主要为:sN向缓节理和陡节理,缓节理延伸较长,一般3~5m,且在部分地段较集中;陡节理,延伸短,贯通性差;
1.断层;2.挤压错动带(面);3.节理裂隙;4.勘探洞及编号
根据边坡监测(表面观测点、多点位移计、锚索测力计等)结果,进水口正面边坡存在不同程度的变形,变形量相对较大的部位主要位于2。一4”机轴线附近,即临空面最大的直立边坡中部。从边坡揭露的地质情况看,主要结构面为近Ew向陡倾角结构面,其他结构面一般延伸不长或仅局部发育,除已作专门加固处理的f3外,不存在构成较大不利地质体的条件,其变形主要是高地应力区边坡开挖引起的应力集中及差异性回弹所致旧棚J。从变形发展的时间分析,1180m高程以上边坡开挖过程中,变形量较小,随开挖进行,变形开始出现台阶状上升趋势,这说明变形的发展与下部边坡开挖关系密切,其总的变形量不大。电站坝址区位于中高地应力区,在进水口直立边坡上较完整的岩体表层可观察到“葱皮”松弛现象,进水口边坡高陡,开挖必然会造成坡体应力重分布,局部产生应力集中现象,这也会加速变形的发生及发展。
综上所述,进水口正面边坡出现的变形现象主要是由于边坡开挖下切过程中坡体内应力调整产生的,即边坡表生改造过程中产生的卸荷回弹的内在响应,是岩体正常的卸荷松弛变形,随开挖完成会逐渐趋于稳定。4
了4个表面变形监测点。进水口正面边坡主要为岩质边坡,水平切割深度较大,其变形主要由于地应力释放后卸荷回弹产生,边坡失稳的机理主要为块体滑动和卸荷变形,因而进水口正面边坡内部位移主要采用多点位移计进行监测,共布置了7套多点位移计。
进水口正面边坡主要采用了预应力锚索为主、并结合预应力锚杆和普通砂浆锚杆的综合支护方式。为了评价不同支护手段的支护效果、了解支护后期边坡应力调整变化情况,以指导施工、反馈设计,分别选取了一定比例的预应力锚索、预应力锚杆、普通砂浆锚杆安装锚索测力计、锚杆测力计和锚.杆应力计进行支护效果监测(图4,图5)。自2003年9月开始1245m高程以下开挖,截止2004年12月,进水口边坡开挖至高程1139m平台,其中,在2004年12月开始对进水口边坡集中进行爆破开挖。
4.1
表观点监测结果分析
图6为进水口正面边坡的典型“变形一时间曲
线”,TP一02与TP一07同处于54机轴线剖面,TP一02位于1245m高程,TP—07位于1220m高程。下部边坡集中爆破开挖期间,从相同时段内(2004年
边坡安全监测分析
表面变形监测点能从宏观上掌握边坡整体位
12月)位移速率和位移增量来看,TP一02的位移速率为0.20mm・d~,位移增量为18.21mm;TP一07位移速率为0.48mm・d~,位移增量为35.36mm,从两方面看,越靠近开挖面受开挖影响越显著。
移,且实施快,并能在边坡开挖先期埋点测量,反应边坡变形全过程。为此在电站进水口正面边坡布置
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工程地质学报2009
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∞“.∞o明进水口正面边坡表面变形主要受边坡开挖产生的卸荷效应,位移速率在边坡爆破开挖期间达到了峰值,而越靠近开挖面位移速率越大;从相同时段内合位移增量统计来看,也表现出越靠近开挖面位移增量越大的特点。从以上两方面综合来看,进水口正面边坡变形表现出越靠近开挖面受卸荷效应越显著的特点,随着边坡开挖结束及支护措施的实施,位移速率明显减小,位移趋于收敛稳定。
图6
Fig.6
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17(1)张敏等:小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义
67
4.2
多点位移计监测结果分析
根据测点“变形一时间曲线”的特点,可以将进
水口正面边坡的变形分为3种类型,即浅表松弛型、协调渐变型和回弹错动型,将各类型的特点叙述如下:
4.2.1浅表松弛型
变形在坡体一定范围内形成卸荷松弛带,是浅表部正常的卸荷松弛变形,变形不受某一结构面控制,M—13与M—01测点属于此种类型(图7)。M一13位于3’、4。机轴线之间的1175m高程,埋深50m;坡体在0~20m范围内变形较大,向里延伸,变形量值较小,说明0—20m范围的坡体为卸荷松弛带,此测点部位岩体属于正常的卸荷松弛变形,随着边坡开挖结束及支护措施的实施,位移速率逐渐降低,位移趋于收敛稳定。M一01位于5。机轴线的1220m高程,临近TP一07,埋深26m;坡体在0一15m范围内变形较大,与TP一07测点量值进行比较,2004年12月期间,1P一07的水平位移增量为35.5mm,M一01的孔口位移增量为2.38mm,两者相差太大,说明26m不能做为M一01的基准点,同时也说明M—Ol部位岩体的卸荷松弛范围超过了
26m。
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图7
测点M—01和M—13位移时间曲线
Fig.7
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ofthedisplacement
aboutM一01andM~13
a.测点M—OlIb。测点M一13
4.2.2协调渐变型
变形表现为一定的连续性和由表及里的渐变性,坡体变形不受某结构面控制,变形量级取决于岩体的宏观特性和支护的强度。M一12测点位移一时间曲线表现出由坡面向坡内逐渐变形、渐进连续变化的特点(图8),表明此部位的岩体变形是连续的、不受特定的结构面控制。随着边坡开挖结束及支护措施的实施,变形趋于收敛稳定,至2005年8月17日,孔口位移量为17.56mm,属岩体正常变形范围内。
监剥日期/年一月一日
图8测点M一12位移时间曲线
Fig.8
Time—history
cunres
ofthedjsplacement
aboutM—12
4.2.3回弹错动型
变形在距坡面一定深度范围内具有很好的同步性和一致性,表明在这个深度上存在特定的结构面,控制了其外侧边坡在开挖卸荷过程中的整体回弹变形,测点M一02与M一14属于此种变形特征(图9)。M一02与M一14分别位于2”机轴线1220m和
1
195m高程,根据工程地质条件分析,该工程部位位
于SN向缓裂密集带中,M一02与M一14测点部位
岩体在0—17m和0—20m范围内变形具有同步性和一致性,说明此部位岩体沿SN向节理带产生了一定的下错变形,但随着边坡开挖结束及支护措施的实施,变形已经趋于收敛稳定。
尽管进水口正面边坡不同部位岩体表现出不同的变形特点,但有以下共同特点:(1)下边边坡爆破开挖时,位移速率较大,2004年12月集中爆破开挖
期间达到峰值,随着边坡开挖结束及支护措施的实施,位移速率逐渐降低,位于趋于收敛稳定,表明进水口正面边坡的变形整体上受边坡开挖卸荷的影
响;(2)相同时段内,低高程测点的位移速率和位移增量大于上部,说明越靠近开挖面受卸荷影响越显著。
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Fig.9
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aboutM—02andM一14
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a.测点M一02;b.测点M—14
锚索测力计监测结果分析
根据锚索荷载一时间曲线特征(图10),锚索荷
从锚索荷载变化与坡体的位移关系看,锚索荷通过对电站进水口边坡开挖过程中变形特征调(1)表观点、深部监测点(多点位移计)位移一
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图10荷载变化与位移增量时间曲线
Fig.10
Time—history
curves
0fthedisplacement
andtheanchorloads
a.PR一03与TP一07;b.PR—08与M—14;c.PR一32与M—13
(2)下部边坡爆破开挖期间,位移、荷载呈台坎(3)内观点位移变化规律显示出坡体的变形在(4)边坡开挖至进水口平台后(2004年12月),4.3
载经过初期的调整后,在边坡开挖期间荷载逐步呈增加的趋势,增长率为6%一17%,之后锚索荷载随边坡开挖结束趋于稳定。锚索测力计结果表明,一方面锚索对边坡的变形起到了约束作用;另一方面,锚索增长幅度较小,变形在稳定容许的范围内。从空间关系看,高高程的荷载增量较小,低高程的荷载增量较大,与坡体开挖卸荷的变形分布一致,也反映了坡体主要以卸荷变形为主。随着边坡开挖结束,锚索荷载维持稳定,其整个过程反应出进水口正面边坡的卸荷松弛规律。
载变化与坡体位移有良好的相关性,锚索荷载随边坡变形逐渐增大,边坡开挖结束后,锚索荷载和坡体位移也表现出一致性,逐渐趋于收敛稳定。4.4小结
查和变形监测分析,有以下认识:
状增长趋势,爆破后荷载变化速率明显大于爆破前,且相同时段内(2004年12月)低高程测点变形速率和位移增量均大于高高程,说明进水口正面边坡的变形整体上受爆破开挖卸荷的影响,且越靠近开挖面受卸荷影响越显著。
空间上存在分异现象,根据其变形特点可以分为3个类型区:I浅表松弛变形区,Ⅱ协调渐变变形区,Ⅲ回弹错动变形区(图4),宏观上不具备统一性,即坡体的变形不受统一的、不利的结构面控制。
测点位移及锚索荷载仍有缓慢增长趋势,这主要受进水口底板及进水口饮水洞开挖的影响,随着爆破开挖强度的减弱及正面边坡支护措施的有效实施,变形逐渐趋于稳定收敛;锚索荷载与坡体变形有较
时间曲线及锚索荷载一时间曲线总体表现为台坎上
升一平稳的特点,反映了边坡开挖、卸荷、变形、支护以及收敛全过程。
17(1)
张敏等:小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义
好的相关性,锚索荷载在经过初期的调整后,随着坡体的变形逐渐出力,之后也逐渐趋于收敛稳定。5
结论
(1)边坡开挖过程中出现的变形破裂现象是表
生改造过程中应力释放、卸荷回弹的表现,是正常的卸荷松弛变形。
(2)没有迹象表明进水口正面边坡的变形总体上具备统一性,说明边坡内部不存在控制边坡整体变形的统一、不利的地质结构面。在这种情况下,边坡开挖过程中产生的变形是坡体应力释放、边坡卸荷回弹调整的结果。从模式上,边坡绝大部分仍然属于表生改造的范畴。
(3)边坡不同部位的变形,表现出局部变化的特征;从内观曲线(多点位移计)的分析可以看出,变形主要分为3种情形,即协调渐变型(相对均匀岩体)、浅表松弛型(具有一定的不连续结构)和受局部缓裂控制的回弹错动型。
(4)由于变形属于开挖过程中的卸荷回弹变形(或浅表生改造变形),坡体内由于不存在统一的控制边坡变形破坏的不利结构面,因此,边坡开挖结束后,不会整体进入“时效变形”阶段。因此,在采取适当的措施进行局部变形的控制后,边坡变形逐渐趋于收敛稳定。
(5)从工程地质条件和监测结果分析角度表明,进水口边坡的变形已经趋于稳定,且变形量级在安全容许范围内,边坡处于稳定状态,同时也说明针对边坡存在的由控制性结构面控制的较大规模的楔形体的支护措施是合理可行的,是有效的。
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小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
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