裂隙發(fā)育巖質邊坡變形特征與穩(wěn)定分析

姜 鵬，舒 香，李 韜，張元龍，張 偉

(1.成都市李家?guī)r開發(fā)有限公司，四川 成都 611230；2.中國科學院光電技術研究所，四川 成都 610200)

1 概述

邊坡穩(wěn)定一直是困擾西南山區(qū)水利水電工程建設的一大因素，邊坡失穩(wěn)破壞往往會造成工程整體延誤，并可能造成災難性事故，帶來巨大的生命和經(jīng)濟損失。其中，1985年12月24日，由于坡腳存在砂質淤泥層，在地下水、基坑開挖以及邊坡頂部增加荷載等因素作用下，天生橋二級水電站閘首邊坡在修建進水口攔沙坎上游右岸擋土墻時發(fā)生滑坡，總方量約7000m3，造成48人死亡和巨大經(jīng)濟損失;2009年5月3日、8月16日和9月1日，由于地質勘探不足，大崗山水電站右岸壩肩邊坡f231出露斷層在爆破施工以及地下水作用下，出現(xiàn)裂縫及變形加劇，導致邊坡停工半年、增加工程投資2.5億元。因此，近年來，在水利水電工程建設過程中，對工程巖質邊坡的地質調查，施工控制以及穩(wěn)定性評價越來越重視，但由于巖體的復雜性，各工程巖體特性均會出現(xiàn)一定程度上的差異，從而表現(xiàn)出不同程度的邊坡穩(wěn)定性問題。本文以李家?guī)r水庫工程導流泄洪放空洞進口閘室邊坡為例，結合安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究開挖過程中的邊坡穩(wěn)定性問題。

圖1 工程位置圖

李家?guī)r水庫工程位于岷江一級支流——西河上游的文井江山區(qū)河段右岸如圖1所示。閘室正面邊坡最大開挖高度83m左右，開挖邊坡與巖層走向交角3°～12°，閘室兩側邊坡開挖高度20～30m，開挖邊坡與巖層走向交角78°～78°。閘室邊坡開挖平面及監(jiān)測布置如圖2所示。

閘室邊坡于2016年12月2日開始開挖，在開挖過程中，2017年8月17日出現(xiàn)局部垮，在汛期強降雨過程中，邊坡混凝土噴層出現(xiàn)多處裂縫。因此分析邊坡開挖過程中的裂縫成因，評價支護效果及其穩(wěn)定性，對邊坡的安全具有重要意義。

2 工程地質條件

進口閘室邊坡地層巖性主要為：K1j①礫巖夾巖屑砂巖、粉砂質泥巖，K1j②巖屑砂巖與泥質粉砂巖、粉砂質泥巖不等厚韻律互層夾灰質礫巖，K1j③厚層塊狀礫巖夾薄層透鏡狀巖屑砂巖及K1j④礫巖與巖屑砂巖不等厚互層。

閘室正面邊坡巖層傾坡內，為逆向坡如圖3所示，邊坡整體穩(wěn)定，但風化、卸荷帶裂隙發(fā)育，巖體較破碎，加上粉砂質泥巖巖性軟弱，存在局部垮塌問題；側面邊坡為橫向坡，因此層面不是邊坡穩(wěn)定的控制結構面，邊坡整體穩(wěn)定，但風化、卸荷帶裂隙發(fā)育，巖體較破碎，加上其它不利結構面組合，可能存在局部垮塌問題。

圖2 開挖平面及監(jiān)測布置圖

3 開挖支護設計及裂縫分布

3.1 開挖支護設計

根據(jù)前期地勘資料，進口閘室邊坡的支護設計為：淺層采用噴射混凝土、掛鋼筋網(wǎng)和錨桿支護，

圖3 閘室正面邊坡開挖圖

深層采用錨索支護。掛網(wǎng)鋼筋為A6.5@20×20；錨桿采用C25系統(tǒng)錨桿，L=6m，間排距為2m，梅花型布置，馬道及開口線處采用一排C28鎖扣錨桿，L=9m，間距2m；錨索支護采用2000KN，L=55m錨索，高層分部為EL699～723m。

3.2 裂縫分布

閘室邊坡于2016年12月2日開始開挖，2018年4月18日導流洞貫通，2018年6月17日開挖至閘室底板高程EL669。2017年8月17日，在汛期強降雨過程后，閘室正面邊坡EL.735.0m～EL.715.0m出現(xiàn)局部跨塌如圖4所示，塌腔體積約為1190m3。導流隧洞貫通以后，邊坡混凝土噴層出現(xiàn)多處裂縫，并在2018年10月隧洞洞內0～30m樁號段出現(xiàn)工字鋼變形如圖5所示。

圖4 直面邊坡EL.735.0m～EL.715.0m局部垮塌

圖5 邊坡裂縫

4 邊坡變形特征分析

4.1 淺層巖體變形特征分析

進口邊坡的淺層巖體監(jiān)測主要以錨桿應力計為主。其中，共安裝單點式錨桿應力計24支，兩點式錨桿應力計18支，均安裝在洞軸線偏左15.7m，洞軸線偏左2m和洞軸線偏右19m三個斷面上如圖2所示。錨桿應力計監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6—7所示。

從圖6—7可以看出，截止2018年11月23日，進口邊坡錨桿應力累計值均較大，最大值為202KN(PR13，洞軸線偏左2.0m，EL745～EL752)。從錨桿應力計增長趨勢來看，錨桿應力計在安裝初期均出現(xiàn)了較大應力增長，在監(jiān)測后期，錨桿應力值逐漸趨于收斂。主要原因是在錨桿施工時，邊坡巖體松弛變形開始處于約束狀態(tài)，邊坡內部應力開始進行調整，在監(jiān)測后期，邊坡內部應力調整結束，巖體逐漸趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為錨桿應力計趨于收斂。上述現(xiàn)象表明，監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化過程反映出監(jiān)測巖體的應力調整過程。

圖6 進口邊坡單點式錨桿應力計應力變化過程曲線

圖7 進口邊坡兩點式錨桿應力計應力變化過程曲線

針對2017年8月17日的閘室直面邊坡局部跨塌事件，選取該時段進口邊坡錨桿應力計作為研究對象，其應力變化過程曲線如圖8所示。

從圖8可以看出，在局部垮塌發(fā)生前的上一個監(jiān)測時段，塌腔附近多個錨桿應力值突增，表明此時邊坡淺層已發(fā)生失穩(wěn)破壞，2017年8月17日強降雨直接導致該處邊坡EL.735.0m～EL.715.0m淺層巖體突然垮塌。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該處巖體失穩(wěn)為內部巖體破壞與強降雨的綜合作用所致。

圖8 閘室直面邊坡局部跨塌事件前后錨桿應力計變化過程曲線

4.2 深層巖體變形特征分析

進口邊坡深層巖體監(jiān)測主要以多點位移計、錨索測力計監(jiān)測為主。其中，共安裝錨索測力計6只，均勻分布于洞軸線偏左15.7m，洞軸線偏左2m和洞軸線偏右19m三個斷面上；共安裝三點式多點位移計4只，均勻分布于洞軸線偏左15.7m和洞軸線偏右19m二個斷面上。錨索測力計和多點位移計變化過程曲線分別如圖9—10所示。

圖9 進口邊坡錨索測力計變化過程曲線

圖10 進口邊坡多點位移計變化過程曲線

從圖9可以看出，位于洞軸線偏左2.0m，EL706高程的Dp3錨索測力計變化較為明顯，并于2018年11月后趨于收斂，其余錨索測力計應力積累均保持在較低水平。Dp3出現(xiàn)較大應力積累的原因，一方面是因為Dp3位于洞軸線正上方，在該處隧洞形成后，在隧洞頂部以上三角體容易形成應力集中區(qū)；另一方面是，邊坡巖體風化較為嚴重，卸荷裂隙帶發(fā)育，巖體較為破碎，在汛期強降雨作用下，巖體遇水軟化嚴重，從而易出現(xiàn)向臨空面的變形問題如圖5(f)所示。

從圖10可以看出，多點位移計深層測點在監(jiān)測期內均處于較低水平，巖體變形均以淺層變形為主。

5 邊坡穩(wěn)定性分析

通過對進口閘室邊坡地質條件及開挖期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可以看出，儀器安裝初期以及邊坡開挖過程中，巖體存在一個內部應力重分布的過程，特別是在汛期降雨的作用下，邊坡易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。在邊坡形成以后，隨著支護措施的跟進，巖體內部應力調整結束，巖體變形得到控制，監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于收斂，邊坡巖體整體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

6 結論

本文通過大量監(jiān)測資料，結合工程地質條件，分析了李家?guī)r水庫工程導流泄洪放空洞進口閘室邊坡開挖過程中的變形特征與穩(wěn)定性，分析了邊坡的潛在失穩(wěn)區(qū)域，研究結果可為同類型邊坡的施工及監(jiān)測儀器的布置提供參考。得出以下結論：

(1)監(jiān)測數(shù)據(jù)在監(jiān)測儀器安裝初期數(shù)據(jù)增長較為明顯，而后隨著支護措施的跟進，監(jiān)測數(shù)據(jù)逐漸趨于收斂。

(2)隧洞頂部以上三角體容易形成應力集中區(qū)，在邊坡及隧洞形成后，巖體應力調整所需時間較長，且在降雨作用下易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，為邊坡的潛在失穩(wěn)區(qū)域。在邊坡施工過程中應做好工程排水措施，并密切關注此類巖體的穩(wěn)定性問題。

(3)正面邊坡局部垮塌巖體附近多個監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變，表明該處巖體失穩(wěn)為內部巖體破壞與強降雨的綜合作用所致，監(jiān)測數(shù)據(jù)與巖體失穩(wěn)破壞表現(xiàn)出較好的一致性。

(4)對于巖質邊坡工程，在邊坡開挖及支護過程中應高度重視監(jiān)測工作，并密切關注監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢，分析巖體內部的穩(wěn)定狀態(tài)及失穩(wěn)預測對邊坡的安全施工具有重要的意義。

(5)在邊坡施工過程中，巖體深層監(jiān)測儀器未及時安裝造成一定程度上的數(shù)據(jù)缺失，因此，在開挖邊坡的監(jiān)測儀器安裝過程中，應高度重視儀器安裝的及時性，確保數(shù)據(jù)完整。