雙江口水電站場內交通右岸低線公路巖質邊坡楔形體穩定性分析及加固措施

沈習文,吳永安,聶大豐

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院交通分院,四川 成都 610072)

1 前 言

雙江口水電站位于四川省阿壩州馬爾康縣與金川縣交界處,為電站工程建設修建的場內交通右岸低線公路通過的綽斯甲河左岸段岸坡其斜坡較為陡峻。該段受早期構造運動特別是可爾因復背斜的影響,巖質邊坡上節理裂隙發育,由于在路基施工時未對開挖爆破進行有效控制,且未按設計要求進行分層開挖、分層支護,形成了規模大小不一的順層不利結構面、楔形巖體(見圖1)、倒懸體及危巖體,從而危及公路施工及后期運行。

結構面是指地質歷史發展過程中,在巖體內形成的具有一定的延伸方向和長度、厚度相對較小的地質界面或帶。楔形體是指由兩個或兩個以上結構面與臨空面(坡面及坡頂面)切割巖體形成的可以同時沿著兩個或多個面滑動的多面體塊體。楔形體破壞是巖質邊坡破壞中最常見的一種類型,在各種巖質邊坡失穩模式中占有重要地位。

本文運用塊體理論、地質控制理論基本原理及赤平極射投影等方法,分析研究了雙江口水電站場內交通右岸低線公路綽斯甲河左岸段公路巖質邊坡楔形體的地質結構特征,并利用水科院陳祖煜院士開發的 WEDGE2005楔體穩定分析程序對楔形體的穩定性進行分析與評價。

2 楔形體基本地質特征

雙江口水電站右岸低線公路綽斯甲河左岸巖質邊坡因受巖體卸荷、構造運動、早期巖漿作用等多種因素影響,巖體中發育多組節理裂隙、軟弱夾層等,且巖體被結構面切割形成多個楔形體。本文所分析的楔形體位于右岸低線公路 K7+316.23～K 7+350.00段左側路塹巖質邊坡上部,距設計路面高度約 30～60m,該楔形體位于綽斯甲河大橋左岸橋頭上方,對大橋安全形成極大威脅。

圖1 巖質邊坡楔形體

楔形體由左結構面、右結構面、坡面及坡頂面組成,中間厚約 8～12m,周邊厚約 4～6m。楔形體巖性為燕山晚期細～中粒二云二長花崗巖,弱風化～新鮮,局部中風化,巖體堅硬致密,呈次塊狀、塊裂狀結構及鑲嵌結構,局部呈碎裂結構。該楔形體坡面起伏不平,且發育多組小節理裂隙。楔形體中次級小結構面多數為中～陡傾結構面,巖體走向與道路軸線大角度相交,夾角約 65°～85°,延伸長度 1～5m,結構面平直粗糙,為干性結構面,以構造裂隙和卸荷裂隙為主,受構造應力影響較大,裂隙以張開型為主,少數為微張型,張開一般約 5～10mm,最大約10～50mm。公路路基施工期間受施工爆破震動影響裂隙寬度有所加大,裂隙面多有充填物,多數填充強風化碎屑和鈣膜,局部為鈣質泥膜,個別含紅褐色鐵錳質輕度～中度渲染,結構面嵌合較為松弛,膠結力較差。

邊坡巖體強卸荷帶水平深度約 10～20m,弱卸荷帶水平深度約 20～35m。楔形體坡面產狀為:172°∠68°;楔形體坡頂面產狀為 :172°∠38°;楔形體左結構面產狀為:130°∠42°。結構面走向與路線軸向大角度相交,延伸長度 30～35m;結構面平直粗糙,局部微起伏,為干性結構面;結構面微張,局部張開,張開一般約 3～8mm,最大約 10～15mm,填充強風化碎屑和鈣膜,結構面嵌合較松弛,膠結力差。楔形體右結構面產狀為:204°∠50°,結構面走向與路線軸向大角度相交,延伸長度 30m;結構面平直粗糙,為干性結構面;結構面張開,張開約 3～10mm,填充鈣膜,結構面嵌合稍松弛,膠結力較差。

楔形體結構面產狀詳見圖2。

圖2 楔形體結構面赤平極射投影

3 楔形體穩定性分析

根據雙江口水電站巖土試驗成果及相關工程類比,楔形體相關參數的建議取值見表1。

表1 楔形體穩定性計算物理力學參數建議取值

楔形體高度(左結構面垂直高度)為 25m,巖體容重為 26.2kN/m3,采用水科院 WEDGE2005楔體穩定分析程序進行分析計算,楔形體穩定性分析結果見表2。

表2 楔形體穩定性計算結果

從表2及相關資料可得:

(1)楔形體在天然工況下整體處于欠穩定狀態。楔形體淺表層局部節理裂隙較發育,易形成危巖體及松動巖體,其在巖體自重及其他因素作用下易發生脫落。

(2)楔形體在地震作用下整體處于不穩定狀態,極可能沿左、右結構面發生下滑。

(3)楔形體在爆破振動作用下處于極限平衡狀態,其穩定狀態決定于爆破的距離遠近及其強度大小。路塹邊坡爆破開挖期間,楔形體結構面裂隙寬度增加,說明爆破振動對其存在影響。

(4)楔形體采取預應力錨索支護措施后安全系數大幅增加,在各工況下均處于穩定狀態。這表明楔形體支護設計方案合理、有效。

4 楔形體加固措施

上述楔形體在各工況下的穩定性分析表明,在某些工況下楔形體可能發生塌落。為確保工程安全,必須全面防護,重點治理,一次根治,不留后患。參考路塹邊坡加固工程相關經驗,結合楔形體實際情況,設計提出采用以預應力錨索支護為主、結合掛網噴錨的加固處理措施。

(1)不穩定坡體外約 5m設置坡頂截排水溝,坡面設置梅花形排水孔,防止雨水滲入坡體巖層結構面,影響楔形體穩定。

(2)采用淺孔小炮等方法清除危巖體及倒懸體等,在爆破時應盡可能減小爆破振動的影響。

(3)全坡面掛網噴錨支護加固封閉坡面,噴C20混凝土,厚 100mm,設置 φ6.5鋼筋網(間 、排距20cm),φ22系統錨桿(L=3m、4.5m,間、排距 2m)。

(4)根據楔形體結構面空間分布特征布置 6根1000kN級預應力錨索,梅花形布置,間距為 6～8m,長度 25～40m。

(5)加強楔形體監測工作,在楔形體坡面布置變形監測點,在預應力錨索中布置應力計以監測巖體內部應力變化情況。

5 結論與建議

本文根據雙江口水電站右岸低線公路邊坡楔形體實際情況,運用塊體理論及赤平極射投影等方法,通過計算分析巖質邊坡上部楔形體穩定性,提出治理措施,可得出以下結論:

(1)雙江口水電站右岸低線公路綽斯甲河左岸邊坡楔形體在天然工況、暴雨工況、地震作用及爆破振動作用下分別處于欠穩定、極限平衡狀態及不穩定狀態,危及道路施工及運行安全。楔形體施加支護措施后在各種工況下均處于穩定狀態。

(2)邊坡巖體因受構造運動、卸荷變形等多因素影響,其力學參數的準確取值受到較大影響。

(3)巖體結構面在很大程度上決定著楔形體的穩定。

(4)爆破振動對楔形體的穩定性構成較大影響,因此對于節理裂隙發育的巖質邊坡在開挖時應采用光面爆破、預裂爆破等技術,盡可能減少爆破對邊坡穩定性的影響。

(5)由于巖體本身的復雜性及多變性,爆破振動對楔形體穩定性的實際影響很難定量計算,故應加強爆破振動對巖質邊坡影響的相關研究。

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