長河壩水電站壩肩邊坡穩(wěn)定性研究

左雷高, 劉永波, 江 波

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川成都 610072)

1 概 述

長河壩水電站所在區(qū)域為揚子準地臺西緣與松潘-甘孜造山帶結合部,壩區(qū)緊靠區(qū)域金湯弧形斷裂和南北向構造昌昌斷裂帶交匯處西南部。長期的構造作用以及與之相伴隨的巖漿作用、變質作用,形成了該處具有高山峽谷區(qū)特有的地形、地貌和地質條件,因此,對高邊坡穩(wěn)定性研究要求更高。

影響工程高邊坡穩(wěn)定性的因素很多,如何科學合理的評價高邊坡的穩(wěn)定性已成為工程設計及研究人員關注的重點。筆者結合長河壩水電站左右岸壩肩邊坡結構面、地應力、風化卸荷分布特征對高邊坡穩(wěn)定性的影響進行了多方面的深入研究。

2 邊坡基本地質條件

2.1 地形地貌

壩軸線附近河谷相對開闊,呈較寬的“V”型,兩岸自然邊坡陡峻,臨江坡高 700 m左右,左岸1 590 m高程以下坡角一般為 60°～65°,1 590 m高程以上坡角一般為 40°～45°;右岸 1 660 m高程以下坡角一般為 60°～65°,1 660 m高程以上坡角一般為 35°～40°。

2.2 地層巖性

壩址區(qū)出露巖體為一套晉寧期——澄江期的侵入巖,巖性以花崗巖 (γ 2(4))、石英閃長巖(δ02

(3))為主。壩址區(qū)右岸大致以 1 660 m高程為界,以下為淺灰色、灰白色塊狀中粒黑云母花崗巖,以上為灰色石英閃長巖;左岸以淺灰色、灰白色塊狀花崗巖為主,夾少量灰色石英閃長巖和深灰色輝長巖團塊。壩軸線地質剖面見圖 1。

圖 1 壩軸線地質剖面圖

2.3 地質構造

該區(qū)巖石變質淺、透入性片理極弱、褶皺不明顯為斷裂構造發(fā)育的三大基本特征。斷裂構造以小斷層、長大原 ～次生節(jié)理為主,具有規(guī)律性好、組數多、分布廣泛等特征,壩肩邊坡主要為受多組裂隙切割形成的塊狀結構。

壩區(qū)未發(fā)現有區(qū)域性斷層通過,右壩肩主要為 F0、F9斷層(Ⅲ級結構面、傾向坡內);邊坡中裂隙較發(fā)育,以 J 2(順坡陡傾裂隙,延伸上百米)、J 5(傾坡內偏上游的陡傾裂隙,平直,間距 10～20 m)、J 1(順坡微偏下游緩傾角裂隙,平直,間距 1～2 m)、J 9(傾坡內偏上游緩傾角裂隙)組最為發(fā)育(Ⅴ級結構面),J 1組裂隙延伸長大,尤其在下部高程,對邊坡的穩(wěn)定性起著重要的控制作用。

左壩肩邊坡裂隙以 J 3(為傾坡外偏上游的中陡傾角裂隙)、J 1(傾坡內偏下游緩傾角裂隙)、J 5(為傾坡外偏上游陡傾角裂隙)組最為發(fā)育,J 3組可以小斷層(f 21、f 24)或密集帶的形式發(fā)育,為左壩肩最發(fā)育的裂隙;J 2組裂隙在中上部邊坡部位發(fā)育,密度相對較大,間距 2 m左右,下部相對稀疏,間距達 5～10 m;J 4組裂隙發(fā)育的相對稀疏,但常以密集帶形式產出;邊坡中斷層不發(fā)育,主要在左壩肩發(fā)育一條 N E向的 f21斷層,為左壩肩邊坡主要的控制性結構面。

2.4 風化卸荷

壩區(qū)巖石致密堅硬,抗風化能力強,風化作用主要沿裂隙進行,巖體風化微弱,淺表部位總體為弱風化,局部擠壓斷層破碎帶或裂隙密集帶往往局部風化較強而形成夾層風化;巖體風化隨高程降低而有所減弱;巖體卸荷促進巖體風化的加劇,岸坡巖體風化程度隨卸荷作用的增強而有所增強;在有地下水活動處巖石風化亦相對較強。該區(qū)河谷深切,谷坡陡峻,天然地應力較高,河谷強烈下切導致谷坡臨空方向較強烈。巖體卸荷作用主要沿順坡向中陡傾角裂隙進行,在裂隙密集部位卸荷明顯,其卸荷強度一般隨水平深度增加而減弱。弱風化上段(強卸荷)一般為 30 m左右,弱風化下段(弱卸荷)水平深度為 52～63 m。

2.5 地應力

在兩岸平洞勘探中,洞壁偶見片幫剝離現象,最大主應力 σ1方向大致為 N 60°～80°W,傾角為-20°～ -54.98°,最大主應力 σ1量級為 16 ～ 32 M P a,屬中等 ～高應力區(qū),隨水平埋深的不同,應力值在中等 ～高應力值之間有所變化。

3 邊坡穩(wěn)定性分析研究

3.1 定性分析判斷

右壩肩邊坡的穩(wěn)定性主要受 J 1組傾坡外的中緩傾角長大裂隙控制,形成潛在底滑面,以 J 2組中陡傾角順坡裂隙為后緣切割面、加之近 E W向的 J 4、J 5組裂隙的切割,在邊坡上形成臺階狀的地貌形態(tài)。

心墻開挖邊坡以花崗巖為主,裂隙較發(fā)育,延伸較長,右岸優(yōu)勢方位以 J 5、J 1、J 9組最為發(fā)育,J 4組裂隙主要發(fā)育于 F 0以上高程,J 2組裂隙發(fā)育相對較稀疏。赤平投影分析表明,結構面組合可構成 A O、B O、C O三種不利組合的交棱線(圖 2),其傾角分別為 37°、13°、16°,傾向坡外 ;后兩者較平緩,低于結構面的內摩擦角,穩(wěn)定性較好;前者傾角中陡,加之后緣 J 1陡傾角結構面的切割,塊體穩(wěn)定性差。邊坡整體穩(wěn)定,局部存在不穩(wěn)定塊體。結構面產狀見表 1。

表 1 結構面產狀表

圖 2 右岸壩肩赤平投影圖

利用赤平投影(圖 3)對左壩肩邊坡的穩(wěn)定性進行分析后得知,其主要受 J 2組裂隙形成的中緩傾坡內的板裂結構面發(fā)生傾倒,并以 J 3組裂隙為滑移面,J 2組裂隙為后緣拉裂面,J 4組裂隙構成側向切割面產生傾倒-滑移變形。此外,J 2組裂隙或小斷層發(fā)生旋轉滑移拉裂破壞,其中旋轉拉裂面主要追蹤 J 4組裂隙發(fā)育。邊坡局部的塊體破壞主要有滑移拉裂型。此外,可見以 J 1組裂隙為頂部割裂面、J 3組裂隙為滑移面及 J 4組裂隙為側裂面的滑落型式破壞。

左岸邊坡雖發(fā)育有小斷層(f 21、f 24),但斷層規(guī)模較小,且心墻開挖邊坡范圍內斷層埋藏較深,不構成影響邊坡穩(wěn)定的控制性結構面。

心墻開挖邊坡以花崗巖為主,裂隙較發(fā)育,延伸較長,整體穩(wěn)定性較好,局部存在不穩(wěn)定塊體,其結構面產狀見表 2。

表 2 結構面產狀表

圖 3 左岸壩肩赤平投影圖

3.2 穩(wěn)定性計算

3.2.1 剛體平衡計算

右壩肩主要以 J 1組結構面為底滑面,以 J 2(J 7)為后緣拉裂面可能的組合進行建模。計算分別考慮:天然狀況,K=1.4～1.9≥1.25,安全;暴雨狀況,K=1.2～1.9≥1.15,安全;地震狀況 ,K=0.98～1.7≥1.05,安全;地震 +暴雨狀況,K=0.87～1.7≥1.05,安全等四種工況下進行計算。計算結果表明,邊坡在天然或暴雨情況下均處于穩(wěn)定 ～基本穩(wěn)定狀態(tài),僅在地震或地震 +暴雨的最不利工況下處于失穩(wěn)狀態(tài)。右壩肩開挖邊坡壩軸線各種組合在天然或暴雨工況下,其穩(wěn)定性系數均大于 1。安全性評價表明,邊坡可能滑移拉裂塊體在天然和暴雨情況下均處于安全狀態(tài);在地震工況下,一些塊體處于不安全狀態(tài)。左壩肩主要以 f 21、強卸荷線及變形強烈的 J 3組緩傾角裂隙作底滑面,以與 J 2組裂隙同組的軟弱結構面、長大裂隙以及各平硐變形強烈的陡傾拉裂縫作后緣拉裂面可能的組合進行建模。計算分別考慮:天然狀況,K=1.4～1.9≥1.25,安全;暴雨狀況,K=1.4～1.8≥1.15,安全;地震狀況,K=1.2～1.5≥1.05,安全;地震 +暴雨狀況,K=1.1～1.5≥1.05,安全等四種工況下進行計算,計算結果表明,邊坡總體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.2 二維有限元分析

取壩軸線剖面進行二維有限元計算。概化地質模型見圖 4。邊坡開挖后,左壩肩邊坡的破壞區(qū)域較小,坡面的破壞接近度 η＜0.75,坡體內 4條斷層的破壞區(qū)域都已貫通,但在坡面揭露的f 20、f 22、f 17都陡傾坡內,f 21斷層未在臨空面出露,故邊坡的穩(wěn)定性受斷層影響較小。該剖面處左側壩肩邊坡的穩(wěn)定性較高,斷層及緩傾裂隙未造成坡體的失穩(wěn),邊坡保持基本穩(wěn)定狀態(tài)。

圖 4 開挖后的邊坡破壞區(qū)域色譜圖

邊坡開挖后,右壩肩邊坡的坡體較破碎,尤其是在陡緩裂隙交界處有較大的破壞區(qū)域,但破壞區(qū)域并未完全貫通形成滑面;F 9、F 0斷層在坡面出露部位以及坡體深部有破壞區(qū)域產生,盡管該破壞區(qū)域并未貫通,但邊坡的安全裕度不大,故該部位坡體處于潛在不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.3 局部邊坡的穩(wěn)定性分析

兩岸壩肩巖質邊坡由花崗巖或閃長巖組成,巖石致密堅硬較完整,整體穩(wěn)定。但由于谷坡地形較陡,該區(qū)屬于中高應力區(qū),表部巖體卸荷強烈、弱風化,裂隙發(fā)育,長大,組數多,局部發(fā)育小斷層及小擠壓帶,因此,通過對不利裂隙組合進行計算以了解隨機塊體的穩(wěn)定性。左、右壩肩邊坡計算成果見表 1、2。

表 1 右壩肩工程邊坡隨機塊體穩(wěn)定性計算結果表

表 2 左壩肩工程邊坡隨機塊體穩(wěn)定性計算結果表

由上述計算結果可以看出,右、左壩肩在邊坡開挖過程中因結構面間的相互組合構成局部塊體,易于形成楔形體或平面滑移拉裂塊體破壞。

4 結 語

(1)從宏觀地質角度分析,定性判斷左右岸壩肩邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài),利用赤平投影分析得知其存在結構面的不利組合,局部邊坡穩(wěn)定性差;

(2)利用剛體平衡計算分析,左壩肩在各種工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài),局部存在不穩(wěn)定塊體;右壩肩在天然或暴雨情況下均處于穩(wěn)定 ～基本穩(wěn)定狀態(tài),在地震或地震加暴雨的最不利工況下穩(wěn)定性系數較小,處于潛在不穩(wěn)定 ～極限平衡狀態(tài),在地震工況下,一些塊體處于不安全狀態(tài)。

(3)經過二維有限元分析,左壩肩邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài);右壩肩開挖后局部存在潛在的不穩(wěn)定塊體。

(4)左、右岸壩肩邊坡總體上處于基本穩(wěn)定～穩(wěn)定狀態(tài),局部存在不穩(wěn)定塊體。因此,在工程建設進展中,對控制邊坡穩(wěn)定的結構面建議采取相應的工程處理措施,以確保施工安全。

[1] 宋勝武,鞏滿福,雷承第.峽谷地區(qū)水電工程高邊坡的穩(wěn)定性研究[J].巖石力學與工程學報,2006,25(2):227-234.