南美洲某水電站壩址區(qū)左岸邊坡變形機(jī)制分析

梁曉波, 付建偉

(中國(guó)電建集團(tuán) 西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

南美洲某水電站壩址區(qū)左岸邊坡變形機(jī)制分析

梁曉波, 付建偉

(中國(guó)電建集團(tuán) 西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

南美洲某水電站壩址區(qū)左岸邊坡,在引水隧洞進(jìn)水口邊坡和壩基開(kāi)挖過(guò)程中頂部邊坡出現(xiàn)了較大范圍的拉裂變形,結(jié)合邊坡開(kāi)挖揭露的地質(zhì)條件,還原邊坡的形成改造過(guò)程,分析邊坡的變形機(jī)制,判斷邊坡穩(wěn)定性并提出治理建議。

重力蠕滑;傾倒拉裂;軟弱帶;蝕變帶;關(guān)鍵性塊體

某水電站位于南美洲厄瓜多爾共和國(guó)薩莫拉·欽奇佩省的薩莫拉河上，工程開(kāi)發(fā)的主要任務(wù)為發(fā)電。屬引水式電站，裝機(jī)容量180 MW。工程主要建筑物由首部樞紐、左岸引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房等組成。設(shè)計(jì)壩型為混凝土重力壩，壩軸線方向?yàn)镹W276°。壩高30 m，壩頂高程EL.1 493 m，建基面高程為EL.1 463 m。

1 邊坡開(kāi)挖揭露地質(zhì)條件

1.1 地層分布和風(fēng)化特征

設(shè)計(jì)邊坡最高開(kāi)口線為EL.1 587 m，至建基面高程EL.1 463 m，開(kāi)挖邊坡整體高度達(dá)124 m，為超高巖質(zhì)邊坡。開(kāi)挖邊坡坡向?yàn)榻黃N向(NW356°)，EL.1 587 m以上為土質(zhì)邊坡，巖性為第四系殘積土，層厚3～8 m；EL.1 587 m以下為巖質(zhì)邊坡，巖性為三疊系片麻巖(Gn)。其中，EL.1 587～1 560 m之間巖體呈全風(fēng)化狀態(tài)，主要由砂土和風(fēng)化殘塊組成，相對(duì)密實(shí)；EL.1 560 m以下巖體呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)(局部弱風(fēng)化)，強(qiáng)風(fēng)化巖體水平深度為9.6～17.9 m。

照片1 壩址左岸天然邊坡Photo 1 Natural slope of left bank in dam site

圖1 左岸邊坡裂隙示意圖Fig.1 The left bank slope crack schematic diagram

1.2 開(kāi)挖揭露的結(jié)構(gòu)面特征

左岸邊坡的片麻巖由花崗巖正變質(zhì)而成，灰白色，礦物成分主要為長(zhǎng)石、石英、云母等，鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻理構(gòu)造。巖體中片麻理(FJ)屬于不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，間距0.2～0.6 m，正常產(chǎn)狀走向NE10°～25°，傾角高陡，略傾向岸里。在強(qiáng)風(fēng)化巖體中，片麻理易于開(kāi)裂，具有裂隙性質(zhì)，對(duì)巖體質(zhì)量影響較大。

1.2.1 裂隙

除片麻理(FJ)外，巖體中主要發(fā)育3組裂隙(表1、圖1)。J1組裂隙與片麻理走向垂直，發(fā)育較密集，傾角高陡略傾向上游，屬?gòu)埣粜再|(zhì)的構(gòu)造裂隙；J2組裂隙與片麻理小角度相交，或?yàn)槠槔碓诤笃跇?gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中變異所致；J3組裂隙為緩傾角結(jié)構(gòu)面，為巖漿冷凝過(guò)程中產(chǎn)生的平緩冷凝節(jié)理，斷續(xù)發(fā)育，連通性較差。

表1 左岸邊坡裂隙性狀特征表Table 1 The left bank slope crack characteristics table

1.2.2 蝕變帶

蝕變帶[1]是原生片麻理在經(jīng)歷了動(dòng)力剪切、卸荷風(fēng)化和地下水侵蝕后形成的一種順層軟弱帶(照片2)。左岸邊坡開(kāi)挖過(guò)程中主要揭露出7條蝕變帶(圖2、表2)，傾角高陡，反傾岸內(nèi)，寬度為0.5～1.5 m，帶內(nèi)巖體多強(qiáng)風(fēng)化、破碎、強(qiáng)度低。

照片2 邊坡開(kāi)挖揭露的蝕變帶Photo 2 Slope excavation revealed an alteration zone

1.2.3 緩傾角軟弱帶

緩傾角軟弱帶(WZ)是在長(zhǎng)期的風(fēng)化侵蝕、流水侵蝕、構(gòu)造性破碎和坡體自重應(yīng)力的作用下，由巖體中原始斷續(xù)發(fā)育的緩傾角結(jié)構(gòu)面(J3)逐漸壓碎連通形成，一般發(fā)育在坡腳剪應(yīng)力集中的部位，重力蠕滑跡象明顯。左岸邊坡開(kāi)挖至EL.1 476 m高程以下時(shí)，揭露出3條緩傾角軟弱帶(照片3、照片4)。其中對(duì)開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性影響最大的軟弱帶是WZ1，產(chǎn)狀為NE4°～20°NW∠10°～30°，出露厚度0.3～0.5 m，向上、下游側(cè)逐漸尖滅。帶內(nèi)物質(zhì)主要為強(qiáng)風(fēng)化碎裂巖塊，局部夾雜色泥，面起伏彎曲、粗糙，從進(jìn)水口往里28 m后變?yōu)槌涮罴?xì)脈的原始構(gòu)造狀態(tài)，軟弱帶特征消失。

圖2 開(kāi)挖邊坡蝕變帶和軟弱帶三維模擬圖Fig.2 3D simulation of alteration zone and weak zone of excavation slope

表2 左岸邊坡蝕變帶統(tǒng)計(jì)表Table 2 Left bank slope alteration belt statistical table

編號(hào)產(chǎn)狀/(°)厚度/m露頭分布高程/mFJ1NE12SE∠770.461530～1550FJ2NE18SE∠701.381533～1540FJ3NE15SE∠650.491515～1520FJ4NE13SE∠810.461515～1519FJ5NE10SE∠821.231508～1540FJ6NE15SE∠801.361495～1503FJ7NE20SE∠800.661466～1480

2 邊坡變形特征

左岸邊坡從EL.1 587 m開(kāi)口，歷時(shí)10個(gè)月挖至EL.1 518 m，除局部結(jié)構(gòu)面組合產(chǎn)生小范圍掉塊外，開(kāi)挖坡面未發(fā)現(xiàn)拉裂變形現(xiàn)象。經(jīng)系統(tǒng)錨桿支護(hù)處理后再次開(kāi)挖，歷時(shí)4個(gè)月挖至EL.1 473 m，引水隧洞進(jìn)水口邊坡形成。坡腳緩傾角軟弱帶WZ1被切腳暴露后，開(kāi)挖邊坡EL.1 518 m～EL.1 493 m,壩軸線上下游各20 m范圍內(nèi)坡體表面有裂縫出現(xiàn)(照片4)，且裂縫主要沿片麻理面拉裂張開(kāi)。

照片3 進(jìn)水口開(kāi)挖揭露的緩傾角軟弱帶Photo 3 Intake excavation revealed a low-angle dip weak belt

照片4 開(kāi)挖邊坡緩傾角軟弱帶位置示意Photo 4 The location of the excavation slope low-angle dip weak belt

2.1 邊坡變形模式

由于EL.1 518 m以上未發(fā)現(xiàn)變形裂縫，監(jiān)測(cè)資料顯示距裂縫區(qū)越遠(yuǎn)，表面變形越小，說(shuō)明左岸邊坡不是整體的滑移狀態(tài)，底面發(fā)生滑移的深度不是很大。由于此變形裂縫在邊坡切腳后才出現(xiàn)，且監(jiān)測(cè)資料顯示變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，因此判斷該邊坡變形不是淺表層片麻巖的傾倒變形，而是有WZ1參與的塊體蠕滑變形。主要變形發(fā)生在裂縫區(qū)和軟弱帶WZ1之間的部分，該部分是以緩傾角軟弱帶(WZ1)為底部蠕滑面、片麻理蝕變帶(FJ4)為后緣拉裂面、J1組裂隙作為側(cè)向切割面的塊體(圖3)。該塊體沿緩傾角軟弱面的蠕滑，導(dǎo)致了頂部邊坡的拉裂變形，塊體底部尚未有明顯的滑移跡象。該塊體是控制左岸邊坡變形的關(guān)鍵性塊體，變形機(jī)制為蠕滑拉裂[2-3]。邊坡整體變形模式是典型的滑移塊體周邊的調(diào)整性變形，且受近順河向陡傾岸里蝕變帶的控制，以傾倒拉張為主。

2.2 不穩(wěn)定塊體規(guī)模

邊坡開(kāi)挖共揭露出7條蝕變帶，可形成WZ1上部向岸內(nèi)不同深度的分割面(圖4)，有助于先小塊體滑移后逐漸向深部發(fā)展形成大塊體的漸進(jìn)性變形。同時(shí)緩傾角軟弱帶WZ1在向岸里深部延伸過(guò)程中漸變?yōu)橛残越Y(jié)構(gòu)面。WZ1作為底部控制性弱面的緩傾角結(jié)構(gòu)面，除坡腳引水隧洞進(jìn)水口一帶連續(xù)發(fā)育外，其它各高程均為不連續(xù)的緩傾角裂隙面。

圖3 左岸邊坡變形關(guān)鍵性塊體示意Fig.3 The left bank slope deformation key block signal

圖4 左岸邊坡變形塊體組合剖面(壩軸線)Fig.4 Composite profile of deformation block in left bank slope(dike axis)

前緣低高程、淺部的緩傾角節(jié)理在邊坡長(zhǎng)期改造過(guò)程中，易承受重力剪切蠕滑作用而變?yōu)榫弮A角軟弱帶，向岸里延伸不長(zhǎng)，與淺部的蝕變帶組合，易形成滑移變形的模式，但此塊體不大(ABC塊體)，向深部緩傾面與后緣蝕變帶組合形成大塊體(CDE塊體)，由于深部的緩傾面為斷續(xù)延伸的節(jié)理，受節(jié)理巖體強(qiáng)度控制[4]，大塊體不易產(chǎn)生剪切滑移變形，而發(fā)生坡面各蝕變帶處的傾倒拉張變形。

3 邊坡變形機(jī)制分析

左岸邊坡天然狀態(tài)下處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，引水隧洞進(jìn)水口邊坡和河床壩基部位開(kāi)挖后，坡腳的壓重移除，原有的天然平衡狀態(tài)被打破。同時(shí)導(dǎo)致緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面(WZ1)臨空出露，為其上部邊坡變形提供了空間。加之此帶長(zhǎng)期位于地下水位之下，性狀差、強(qiáng)度低，從而引起以WZ1為底滑面、以EL.1 518 m的FJ4為后緣拉裂面、上下游寬約40 m范圍內(nèi)的塊體發(fā)生滑移變形，并引起后緣EL.1 518 m高程以上及上、下游其它部位產(chǎn)生調(diào)整性變形。

4 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

由邊坡的變形機(jī)制分析，邊坡變形模式是下部前緣局部塊體的重力蠕滑，伴隨中、上部巖體的傾倒拉裂，屬邊坡在底部開(kāi)挖觸發(fā)變形發(fā)生后的必然性調(diào)整變形，且會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。

(1) 控制邊坡變形的關(guān)鍵塊體底部為緩傾岸外軟弱結(jié)構(gòu)面WZ1，具滑移變形特性，穩(wěn)定性差。但當(dāng)?shù)谆鎯A角較小，天然條件下也不會(huì)快速失穩(wěn)，存在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)段的蠕滑變形過(guò)程；另外，上下游側(cè)切面處的側(cè)向約束較強(qiáng)，即便任一規(guī)模的塊體要滑出，除克服底滑面的阻力外，尚需克服上、下游兩個(gè)側(cè)切面的阻力，即需“拉抽屜”式滑動(dòng)，因而不易失穩(wěn)[5]。

(2) 邊坡開(kāi)挖過(guò)程中早期形成的裂縫，未見(jiàn)新的擴(kuò)張與延伸，說(shuō)明變形不嚴(yán)重，量級(jí)不大。同時(shí)在經(jīng)受當(dāng)?shù)赜昙窘涤暧绊懞螅吰伦冃挝闯霈F(xiàn)明顯增大，說(shuō)明邊坡變形是突然觸發(fā)而后調(diào)整，變形速率逐漸下降。

整體而言左岸開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性尚好，治理方案可重點(diǎn)針對(duì)前緣滑移塊體實(shí)施錨索加固，適當(dāng)對(duì)裂縫區(qū)頂部?jī)A倒拉裂進(jìn)行錨索加固。邊坡經(jīng)加固治理和坡腳建筑物支撐作用，穩(wěn)定條件會(huì)得到改善，變形量會(huì)明顯減少。在運(yùn)行期邊坡整體趨向穩(wěn)定，隨著變形速率的衰減，逐漸達(dá)到穩(wěn)定。之后，該邊坡設(shè)計(jì)治理方案為以坡腳抗剪洞和前緣錨索剪洞進(jìn)行加固。處理后的邊坡歷經(jīng)約2年時(shí)間再未出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)資料顯示坡體變形速率平緩近于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

(1) 壩址左岸邊坡總體為縱向谷逆向結(jié)構(gòu)岸坡，巖體中主要發(fā)育近順河向陡傾岸理的片麻理及蝕變帶(FJ)、橫河向陡傾上游的長(zhǎng)大裂隙(J1)和近順河走向傾岸外緩傾角裂隙(J3)及軟弱帶(WZ)，三組結(jié)構(gòu)面在邊坡上可構(gòu)成大小不等、分布深度不同的塊體。

(2) 以緩傾角軟弱帶(WZ1)為底部蠕滑面、片麻理蝕變帶(FJ4)為后緣拉裂面、J1組裂隙為側(cè)向切割面的關(guān)鍵性塊體，在開(kāi)挖切腳后有沿緩傾角軟弱面(WZ1)切出的趨勢(shì)，邊坡表面EL.1 518～EL.1 493 m、壩軸線上下游各20 m范圍內(nèi)出現(xiàn)拉裂縫。邊坡整體變形模式是典型的滑移塊體周邊的調(diào)整性變形，即下部前緣局部塊體的重力蠕滑，伴隨中、上部巖體的傾倒拉裂。

(3) 左岸邊坡在經(jīng)歷長(zhǎng)期地質(zhì)歷史演化后，天然狀態(tài)下岸坡處于平衡狀態(tài)。施工期挖除了坡腳堆積和部分抗滑巖體，使軟弱帶(WZ1)再次切坡出露，加之此帶長(zhǎng)期位于地下水位之下，性狀差、強(qiáng)度低，故再次發(fā)生蠕滑變形，同時(shí)導(dǎo)致滑移塊體的上部邊坡、上下游邊坡發(fā)生相應(yīng)的傾倒拉裂性質(zhì)的調(diào)整性變形。

(4) 左岸開(kāi)挖邊坡的變形為底部開(kāi)挖觸發(fā)的必然性調(diào)整變形，會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，不會(huì)發(fā)生大的破壞失穩(wěn)。重點(diǎn)針對(duì)前緣滑移塊體實(shí)施錨索加固，適當(dāng)對(duì)之上傾倒拉裂進(jìn)行錨索加固，配合系統(tǒng)完善的排水設(shè)施，邊坡變形將逐漸收斂。

[1] 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程:DL/T 5337—2006[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2006.

[2] 張倬元，王士天.工程地質(zhì)分析原理[M].北京：地質(zhì)出版社,1994.

[3] 《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].第四版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

[4] 劉佑榮，唐輝明.巖體力學(xué)[M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,1999.

[5] E.HOEK,J.W.BRAY.巖石邊坡工程[M].盧世宗,譯.北京:冶金工業(yè)出版社,1983.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

Analysis on Deformation Mechanism of Left Bank Slope ofa Hydropower Station Dam Site in South America

LIANG Xiaobo, FU Jianwei

(PowerChinaNorthwestEngineeringCorporationLimited,Xi’an,Shanxi710065)

In the left bank of a hydropower station dam site in South America,a large range of cracking deformation occurs at the water inlet slope of diversion tunnel and the top slope during dam foundation excavation.In this paper,combined with the geological conditions exposed by slope excavation,reduction of the slope reconstruction process,analysis of slope deformation mechanism to determine the slope stability and put forward the proposed management.

gravity creep; dumping cracking; weak belt; alteration belt; key block

2017-06-26;改回日期:2017-07-12

梁曉波(1985-),男,工程師,地質(zhì)工程專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)勘察與設(shè)計(jì)工作。E-mail:416730183@163.com

TV223; P642

A

1671-1211(2017)04-0466-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.024

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170801.0917.002.html 數(shù)字出版日期:2017-08-01 09:17