某電站邊坡卸荷巖體工程地質研究與穩定性分析

2012-07-16 06:46:46石海榮楊作恒王軍

水利規劃與設計 2012年3期

關鍵詞：變形

石海榮楊作恒王軍

（浙江省水利水電勘測設計院杭州 310002）

1 緒言

某電站工程以發電為主，兼有防洪作用，電站裝機容量60MW。樞紐工程主要由混凝土雙曲拱壩、右岸引水系統和岸邊廠房等建筑物組成。庫水由上平硐、調壓井，經豎井、下平硐接入發電廠房。廠房距壩址約11km。發電廠區內布置有主廠房、副廠房、升壓站等，依次從河道的上游往下游呈“一”字型排列。

工程于2002年3月開工建設，2005年6月下閘蓄水。2007年7月，在持續降雨情況下，廠房后邊坡產生局部坍塌，下陷形成塌坑。2008年5月6月，高程250m 馬道又產生沉陷和鼓包現象，下部擋墻也出現了約10cm 的變形錯動，并在開挖邊坡上部發現地表拉裂縫，邊坡的變形趨勢對廠房的安全運行構成威脅。

2 廠房后邊坡工程地質條件

壩址至廠址河流曲折，呈“S”形。廠房上下、游山坡沖溝發育，與河流略呈正交，沖溝切割深度約20～30m。廠房區地面高程230m 左右，后山坡相對高差約570 米。河流兩岸山坡陡竣，廠房后山坡地形總體為下陡上緩，往上、下游兩側的坡度相對平緩。

山坡上生長的部分（直徑約15cm 以上的）松樹、杉樹的樹根段可見馬刀形彎曲，具有“馬刀樹”特征，分布高程一般在400m 以下，高程400m 以上樹木較少，一般無較大的樹木。

廠房后山坡，高程270m 以下，380～400m及450m 以上局部出露侏羅系上統黃尖組第一段（J3h1）基巖，呈全—強風化狀，巖石為塊狀構造，新鮮巖石堅硬。山坡廣泛分布第四系全新統崩坡積層（col-dlQ4），根據勘探鉆孔和平硐揭露，山坡上崩坡積塊石、巨（孤）石與粉質黏土混雜，厚度一般10～20m。其中粉質黏土厚度一般1～3m，局部可達6m 左右。塊石直徑一般0.5～5m，部分塊石直徑大于10m，且為粉質黏土包裹。巨（孤）石形態不一，一般呈弱風化—微風化，局部呈強風化狀。

廠房區附近斷層以NW（順河向）向為主，次為NE（順坡向）向。根據發育的斷層、裂隙與節理統計，廠房后邊坡發育的結構面主要有：290～310°，SW∠40～60°；40～60°，NW∠70～85°，斷層主要由擠壓破碎帶組成。

山坡處地下水埋深受地形、巖石的風化程度、完整性及充填物質等的影響而深淺不一，深度可達5～50m。在廠房后邊坡附近較淺，往山坡方向埋深加大，深處可達30～50m。崩坡積層現場注水試驗滲透系數K=0.01～0.006cm/s，局部K=2cm/s，為強—中等透水性。

3 邊坡卸荷巖體工程地質研究

3.1 邊坡巖體的卸荷特征

3.1.1 巖體風化特征

根據山坡處的鉆孔、豎井及平硐資料，廠區山坡巖石風化厚度變化較大，中、上游較下游風化強，表現在下游強風化帶厚度一般要比上游厚，順坡向靠廠房后邊坡附近變厚，往山坡上方變薄。

山坡處風化巖石可分為“碎粒巖”和“碎裂巖”兩種，一般為強風化巖石，局部為弱風化巖石。在空間分布上“碎粒巖”和“碎裂巖”相間分布，無固定分布規律。

“碎粒巖”為巖石受局部擠壓錯動成礫狀，呈碎屑狀—碎塊狀結構，粒徑一般0.5～5 cm，一般以巖屑為主，含有少量巖粉，次生泥含量一般較少。“碎粒巖”帶層次不均一，厚度變化大，鉆孔資料揭示單層厚度變化在0.1～14m，垂直方向上規律性差。

“碎裂巖”為碎裂—塊裂結構，鉆孔中表現為巖芯呈碎塊狀，中陡傾角節理發育，陡傾角節理一般為碎屑或軟化方解石充填，局部有巖粉或有黃色黏土充填，充填泥質者較少，節理面寬度一般0.3～0.1cm，面多粗糙，以張裂為主。平硐中揭露緩傾角節理多充填次生黃色黏土，厚度1～3 cm，局部交匯處可達10 cm左右，一般傾向山外，以偏向下游者居多。平緩充填泥質的裂隙數量上較多，但連續性差，往往被NW 向裂隙截斷，在剖面上呈階梯狀延伸。泥質充填物質多少可能與是否靠近坡腳位置有關，往山坡上方碎裂巖石之間的泥質充填較坡腳附近少。另外，平硐中可見碎裂巖帶中還存在多處架空空洞，洞內巖石松散，產狀凌亂，充填黏土和泥漿，滲水。

3.1.2 巖體卸荷特征及分布范圍

按GB50287—2006《水力發電工程地質勘察規范》，根據廠區后山坡巖體風化厚度、風化巖體特征、結構面發育程度及卸荷裂隙分布情況等將廠區山坡劃分為2 個卸荷帶。高程400m 以下山坡為強卸荷帶，據鉆孔揭露，碎粒巖、碎裂巖在高程400m 以下腳底厚度一般在50m 以內。高程400m 以上可達68m，節理很發育，一般充填巖屑為主，少量次生泥。平硐中揭示，拉張裂隙發育，多充填次生黏土，局部空洞發育，寬度可達20～30cm，其傾倒、松動特征明顯。

式中：yi,j表示新位置的植株，xi,j∈[aj，bj]表示Xi的第j條路徑值，aj，bj分別為搜索空間的上邊界值與下邊界值，α是[0,1]的隨機數。將種群按照適應度值優劣分為兩類：

高程400m 以上山坡為弱卸荷帶，地表部分出露風化巖，地表局部產生拉開裂縫，但充填泥質和錯位變形現象較弱。鉆孔中揭露，破碎巖石主要為碎粒狀，具有新鮮巖石、碎裂巖石、粒狀巖石間隔出現的特點。

3.2 卸荷體變形成因分析

該電站自運行以來，廠房后邊坡在雨季多次發生邊坡小塌滑（溜坡），馬道產生沉陷和鼓包現象，下部擋墻出現變形錯動，并在開挖邊坡上部發現地表拉裂縫等變形跡象。其主要原因是廠房后山坡存在的卸荷、傾倒、松動的卸荷松動帶，受NW 向（順河向）構造的破壞作用，使山體受到強烈切割。較密集的NW 向結構面，導致本區堅硬的熔結凝灰巖產生切割破壞，呈碎粒狀和碎裂狀，加之河谷深切，卸荷作用強烈，在巖體自重作用下，使上部巖體產生拉開。而下部巖體因埋深大，物理及風化作用影響小，強度相對較強，而開度較小。在長期地質作用下，次一級中傾角羽裂帶與陡傾裂隙的組合使原有堅硬巖石產生錯動和位移，使廠房后山坡巖體產生碎粒巖帶成為可能，而在羽裂較弱地段，僅產生碎裂。廠房后邊坡山脊十分單薄，兩側山溝深切，邊坡自然坡度較陡，臨空條件較好，巖體中反傾坡內的NW 向及NE 向中陡傾角小斷層、裂隙十分發育，形成陡立的“似層狀”結構，完整性差，加之地表水入滲條件好，邊坡具備卸荷松動、傾倒破壞的條件。根據野外地質調查，廠房后邊坡未發現連續的緩傾坡外的結構面，調壓井、引水隧洞下平洞段開挖及已有的勘探平洞、豎井及鉆孔也未揭示明顯的、統一的底滑面，但鉆孔、平洞中均反映巖體風化、卸荷十分強烈，局部傾倒變形、拉裂跡象明顯，普遍充填次生夾泥。

在漫長的地質活動中，破碎巖體受地下水活動影響，產生風化和充填次生泥，不斷改變巖體的物理力學性質，至今未有明顯的滑動變形，雖在山坡出現有小裂縫，山坡巖體破碎等特征，但其后緣變形、滑床、前緣帶等滑坡的基本特征尚不具備，僅具備卸荷、傾倒、松動等變形特點。因此，從邊坡地形條件、巖體結構特征、變形程度及坡面變形拉裂等現象綜合分析，邊坡巖體為卸荷傾倒松動變形巖體。

4 邊坡穩定分析與評價

根據地質勘察資料，廠房后邊坡穩定受后邊坡崩坡積層與廠后山坡松動卸荷體控制。邊坡穩定分析按照DL/T5353—2006《水電水利工程邊坡設計規范》推薦采用有效應力法，采用滿足力和力矩平衡的摩根斯頓—普萊斯（Morgenstern—Price）極限平衡分析方法進行計算。計算參數見表1.

表1 崩坡積層計算參數

4.1 崩坡積層邊坡穩定性分析

穩定分析計算結果見表2。從原始邊坡穩定分析結果可以看出，穩定安全系數1.10<1.15，崩坡積層邊坡不能滿足穩定要求，必須對廠房后邊坡進行支護處理。詳見圖1。

表2 不同工況崩坡積層邊坡穩定計算結果

圖1 原始崩坡積層穩定控制滑裂面

因新鮮基巖埋深較深，考慮采用錨筋樁（長20/25）間排距為2.5m×2.5m 進行處理。由計算成果可以看出，相比原始崩坡積層分析成果，滑裂面前緣底高程明顯抬高，從邊坡最上端錨筋樁約280m 高程滑出，這說明支護方案對于阻止滑裂面從280m 高程以下滑出是有效穩定安全系數由1.10 提高到1.153，提高了5%，滿足規范要求。

4.2 巖體卸荷帶穩定分析

對分界點400m 高程以下，強卸荷區的卸荷松動變形帶進行穩定分析。卸荷松動變形帶按最差的壓碎巖帶考慮，抗剪斷強度f′=0.55～0.50，c′=0.1～0.2MPa。根據強弱卸荷區的劃分及勘探揭示的變形跡象分析，邊坡中沒有產生連續的滑動面，不存在整體滑移破環的可能。根據邊坡巖體變形程度，按傳統穩定安全系數等于1.05～1 的極限平衡條件反算綜合強度參數。在最不利斷面上初擬排水工程措施以前原始邊坡地下水位線，邊坡安全系數為1.05，推算出f′=0.53，c′=0.122MPa，原始邊坡滑裂面計算成果見圖2。

圖2 短暫工況穩定控制滑裂面

根據現狀地形及施工條件，在高程250m 馬道上布置一排抗滑樁(截面尺寸：2.5m×3.5m，間距7.5m)，穩定計算抗滑穩定安全系數為1.219，安全系數可提高1.2%。加上抗滑樁措施后，滑裂面位置上移，最不利滑裂面出現在250m 高程以上卸荷松動變形區，由此可以判斷抗滑樁對于阻止滑裂面從250m 馬道以下滑出是有效的。

250m 馬道“缺口”設壓腳以恢復山體原地形，經計算，邊坡穩定系數提高到1.222，僅在抗滑樁基礎上提高0.25%。

不同工況巖體卸荷帶穩定計算結果詳見表3。