錦屏一級水電站右岸高位危巖體成因機制與防治對策研究

李小波, 楊靜熙

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川成都 610072)

1 引 言

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內,壩型為混凝土雙曲拱壩,壩高 305 m,為世界之最,壩頂高程 1 885 m,水庫總庫容 77.6億 m3,裝機容量 3 600 MW,年發電量約 170億 kW? h。

壩區兩岸山體雄厚,谷坡陡峻,基巖裸露,相對高差千余米,為典型的深切“V”型谷。在長期風化、卸荷的影響之下,高位邊坡(壩區主體水工建筑物邊坡“開口線”以上部分的自然坡體,高程1 950～2 400 m)淺表層的危巖體受自然因素(如降雨、漸進性風化、地震等)導致局部的“危巖體”失穩,形成高位崩塌,將給施工安全帶來嚴重威脅,運行期還可能給樞紐區建(構)筑物帶來重大破壞,甚至災難性后果。因此,對錦屏一級水電站壩區的高位邊坡進行“危巖體”調查、詳細的險情排查、成因機制分析并提出邊坡安全防護和處理對策及措施具有非常重要的現實意義。

2 成因機制分析

錦屏一級水電站右岸巖性單一,危巖主要分布在緩坡上部的陡壁段,高程集中在 2 100～2 300 m,體積為 100～2 000 m3。

2.1 地形地貌

壩址兩岸岸坡高陡,相對高差達 1 000余 m,為典型的深切“V”型谷。右岸為順向坡,地貌上呈陡、緩相間的臺階狀。天然狀態下地應力較高,谷坡形成后在長期應力釋放及重力卸荷等綜合因素作用下,谷坡巖體向臨空方向卸荷回彈變形明顯,卸荷裂隙較發育。另外,雨水等對大理巖有溶蝕作用,溶蝕裂隙較發育。多組結構面的存在為強度較高的大理巖進入時效變形破壞創造了條件,受風化、滲水及人類工程活動等因素作用,陡傾裂隙帶進一步拉裂擴張形成危巖體。

2.2 地層巖性因素

右岸調查區1 950～2 450 m高程的巖層主要由厚層狀大理巖、雜色角礫狀大理巖夾綠片巖透鏡體組成。大理巖結構致密、巖質堅硬。綠片巖片理發育,呈性軟、較疏松、易風化等特征。

右岸表部因表生改造作用相對強烈,層面裂隙的發育程度較高,邊坡“順傾層狀結構”特征得到強化。大部分危巖體均發育在兩層面之間,層面裂隙是危巖體發育的控制性因素。

巖體風化程度受巖性影響明顯,大理巖自身抗風化能力較強,風化作用主要沿裂隙和構造破碎帶發生,具典型的裂隙式和夾層式風化特征,而綠片巖自身抗風化能力較差,因此,地層巖性是形成右岸高位危巖體的重要因素之一。

2.3 地質構造作用

壩區內無區域性大斷層通過,但中陡傾角小斷層和層間擠壓帶比較發育,右岸與工程關系密切的有 f13、f14兩條規模相對較大的斷層。

壩址區節理裂隙按成因可歸為原生和構造兩類。原生結構面主要為薄 ～中厚層大理巖中的層面以及綠片巖中的片理面。構造型節理裂隙以陡傾角為主,其發育程度與巖性、層厚和構造部位密切相關。大理巖中節理裂隙較發育,相互切割,在相生改造等自然營力作用下,對右岸高位危巖體的形成創造了有利的條件。

2.4 風化卸荷作用

壩區邊坡因受巖性、構造和地下水等因素的影響,風化卸荷帶分布規律不明顯。僅就表層而言,風化帶的厚度及其變化特征總體來說,壩區邊坡巖體風化程度及分帶性具有以下特征:(1)斷層帶附近因巖體破碎、地下水活動強烈而風化較嚴重且分布范圍較廣;(2)邊坡巖體風化程度明顯受邊坡卸荷程度和深度的影響,強卸荷帶或卸荷范圍大的部位因地下水活動較強烈,巖體風化較嚴重,分布范圍較廣;(3)邊坡巖體風化受地形影響,地表相對平坦部位地下水能直接下滲,風化物不易剝蝕,巖體風化厚度較大。受上述因素影響,邊坡內各類風化帶的厚度及分布除具上述基本特征外,邊坡巖體不存在一般的由表及里的分帶性,而是弱風化、微風化和新鮮巖帶交替反復出現,這是該壩區邊坡巖體風化的顯著特征。

平硐地質調查結果表明:卸荷作用主要表現為結構面拉張松弛,使坡體內走向與岸坡方向基本一致的節理裂隙多松弛張開,卸荷裂隙優勢產狀為 N0°～30°E,SE∠60°～ 80°及 N50°～70°E,SE∠50°～70°;其次表現為卸荷差異回彈,使巖體內緩傾軟弱結構面之間的陡傾裂隙拉張。同時,由于巖性、坡體結構不同,卸荷作用表現形式、卸荷巖體深度等也有較大差異。從卸荷裂隙發育狀況看,在大理巖中多表現為空縫狀,張開寬度為 1～20 cm,少量充填巖塊、巖屑及次生泥,卸荷裂隙之間的巖塊相對完整,使得卸荷帶巖體在宏觀上呈結構極不均一的塊裂狀。在深切河谷、高陡邊坡條件下,風化卸荷作用較強烈,為右岸高位危巖體形成的又一重要因素。

2.5 工程環境因素

水電工程建設對危巖的形成和穩定的影響主要表現在開挖造成的卸荷回彈、爆破振動及運行期的霧化作用。右岸高位邊坡危巖體距工程開挖部位較遠,開挖臨空不會影響危巖體;工程爆破時產生的振動波對危巖體的穩定可能有一定影響,但現場調查表明,這種影響很小,尚未發現高位邊坡危巖體因爆破而失穩;運行期的泄洪霧化作用對右岸高位危巖體的影響較大。

3 防治對策

在建立危巖體檔案的基礎上,對危巖體穩定性進行了分析,將危巖體按規模、穩定性、危害程度分為三類:Ⅰ類危巖體規模大(V＞100 m3),穩定性差,危害性大;Ⅱ類危巖體有一定規模(50＜V＜100 m3),穩定性較差,危害性較大;Ⅲ類危巖體規模較小(V＜50 m3),穩定性一般,危害性小。按此分類,共有Ⅰ類危巖 10塊(片)、Ⅱ類危巖 11塊(片 )、Ⅲ類危巖 13塊(片 )。

右岸高位危巖體發育部位地形陡峭,依據上述成因分析,危巖體的主要破壞模式為整體滑塌破壞和小塊體錯落破壞。Ⅰ類危巖體需采用整體加固或清除等工程措施;Ⅱ類危巖體需采用局部加固或部分清除并輔以被動攔擋等工程措施;Ⅲ類危巖體可采用被動攔擋或不采用工程措施。

危巖體的主要破壞方式為表面破碎巖塊逐層崩落,崩落的巖塊比較小。因此,在對重點危巖體進行有針對性的處理的基礎上設置被動防護措施進行防治是必要的、合理的。同時,陡崖下的“大緩坡”為危巖體的被動防護提供了平臺。

陡崖從頂部到底部的高差最大為 200 m左右,因崩落的巖塊較小,其質量一般在 400 kg以下,可以認為巖塊崩落后以自由落體的方式落入陡崖底部,因此,被動防護措施所需承受的沖擊能量最大為 800 kJ。事實上,崩落的巖體不可能以自由落體的方式落入陡崖底部,而是以跳躍的方式落入陡崖底部,因此,最大的沖擊能量應小于800 k J,故取最大沖擊能量為 800 kJ是有一定安全儲備的。

被動防護可采用的方式主要有兩種:一種是柔性被動防護網,另一種是采用修建擋渣墻攔擋崩落的危巖體落入樞紐區的措施。

柔性被動防護網的主體部分平行于陡崖布置,距陡崖底部的距離為 30 m,柔性防護網高 8 m。在高程每相差 50 m處再布置垂直于主體部分的柔性防護網,其位置從主體防護網延伸至陡崖底部,該做法的目的是防止危巖體失穩墜落被攔阻后沿柔性防護網繼續運動破壞防護網或落入下部公路。對于被攔阻的巖塊應及時清除,防護網需定期檢修。

4 結論及建議

筆者在現場地質調查的基礎上,分析了錦屏一級水電站右岸高位危巖體的成因機制,將危巖體分為三類,并提出了相應的防治對策,建議對Ⅰ類危巖體的防治方案進行具體的分析研究;部分Ⅱ類危巖體危險性較大,規模較大,亦應進行具體的分析研究;而對于部分危險性稍小的Ⅱ類危巖體和Ⅲ類危巖體,則應采用整體被動防護網進行整體防護。

[1] 王士天,黃潤秋,李渝生,等.雅礱江錦屏水電站重大工程地質問題研究[M].成都:成都科技大學出版社,1998.

[2] 張倬元,王士天,王蘭生.工程地質分析原理[M].北京:地質出版社,1994.