左雷高, 劉永波, 江 波

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川成都 610072)

1 概 述

長(zhǎng)河壩水電站所在區(qū)域?yàn)閾P(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西緣與松潘-甘孜造山帶結(jié)合部,壩區(qū)緊靠區(qū)域金湯弧形斷裂和南北向構(gòu)造昌昌斷裂帶交匯處西南部。長(zhǎng)期的構(gòu)造作用以及與之相伴隨的巖漿作用、變質(zhì)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(zhì)條件,因此,對(duì)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(xué)合理的評(píng)價(jià)高邊坡的穩(wěn)定性已成為工程設(shè)計(jì)及研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。筆者結(jié)合長(zhǎng)河壩水電站左右岸壩肩邊坡結(jié)構(gòu)面、地應(yīng)力、風(fēng)化卸荷分布特征對(duì)高邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了多方面的深入研究。

2 邊坡基本地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

壩軸線附近河谷相對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)巖和深灰色輝長(zhǎng)巖團(tuán)塊。壩軸線地質(zhì)剖面見圖 1。

圖 1 壩軸線地質(zhì)剖面圖

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

該區(qū)巖石變質(zhì)淺、透入性片理極弱、褶皺不明顯為斷裂構(gòu)造發(fā)育的三大基本特征。斷裂構(gòu)造以小斷層、長(zhǎng)大原 ～次生節(jié)理為主,具有規(guī)律性好、組數(shù)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(jié)構(gòu)。

壩區(qū)未發(fā)現(xiàn)有區(qū)域性斷層通過,右壩肩主要為 F0、F9斷層(Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面、傾向坡內(nèi));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(nèi)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(nèi)偏上游緩傾角裂隙)組最為發(fā)育(Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面),J 1組裂隙延伸長(zhǎng)大,尤其在下部高程,對(duì)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(nèi)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(duì)較大,間距 2 m左右,下部相對(duì)稀疏,間距達(dá) 5～10 m;J 4組裂隙發(fā)育的相對(duì)稀疏,但常以密集帶形式產(chǎn)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(jié)構(gòu)面。

2.4 風(fēng)化卸荷

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

2.5 地應(yīng)力

在兩岸平洞勘探中,洞壁偶見片幫剝離現(xiàn)象,最大主應(yīng)力 σ1方向大致為 N 60°～80°W,傾角為-20°～ -54.98°,最大主應(yīng)力 σ1量級(jí)為 16 ～ 32 M P a,屬中等 ～高應(yīng)力區(qū),隨水平埋深的不同,應(yīng)力值在中等 ～高應(yīng)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(zhǎng)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(tái)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(zhǎng),右岸優(yōu)勢(shì)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(duì)較稀疏。赤平投影分析表明,結(jié)構(gòu)面組合可構(gòu)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(jié)構(gòu)面的內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀見表 1。

表 1 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀表

圖 2 右岸壩肩赤平投影圖

利用赤平投影(圖 3)對(duì)左壩肩邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析后得知,其主要受 J 2組裂隙形成的中緩傾坡內(nèi)的板裂結(jié)構(gòu)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(gòu)成側(cè)向切割面產(chǎn)生傾倒-滑移變形。此外,J 2組裂隙或小斷層發(fā)生旋轉(zhuǎn)滑移拉裂破壞,其中旋轉(zhuǎn)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(cè)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(nèi)斷層埋藏較深,不構(gòu)成影響邊坡穩(wěn)定的控制性結(jié)構(gòu)面。

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

表 2 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀表

圖 3 左岸壩肩赤平投影圖

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算

3.2.1 剛體平衡計(jì)算

右壩肩主要以 J 1組結(jié)構(gòu)面為底滑面,以 J 2(J 7)為后緣拉裂面可能的組合進(jìn)行建模。計(jì)算分別考慮:天然狀況,K=1.4～1.9≥1.25,安全;暴雨?duì)顩r,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?duì)顩r,K=0.87～1.7≥1.05,安全等四種工況下進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)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(shù)均大于 1。安全性評(píng)價(jià)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(qiáng)卸荷線及變形強(qiáng)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(jié)構(gòu)面、長(zhǎng)大裂隙以及各平硐變形強(qiáng)烈的陡傾拉裂縫作后緣拉裂面可能的組合進(jìn)行建模。計(jì)算分別考慮:天然狀況,K=1.4～1.9≥1.25,安全;暴雨?duì)顩r,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?duì)顩r,K=1.1～1.5≥1.05,安全等四種工況下進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)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(jìn)行二維有限元計(jì)算。概化地質(zhì)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(nèi) 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(nèi),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(cè)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(chǎn)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(zhì)邊坡由花崗巖或閃長(zhǎng)巖組成,巖石致密堅(jiān)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(yīng)力區(qū),表部巖體卸荷強(qiáng)烈、弱風(fēng)化,裂隙發(fā)育,長(zhǎng)大,組數(shù)多,局部發(fā)育小斷層及小擠壓帶,因此,通過對(duì)不利裂隙組合進(jìn)行計(jì)算以了解隨機(jī)塊體的穩(wěn)定性。左、右壩肩邊坡計(jì)算成果見表 1、2。

表 1 右壩肩工程邊坡隨機(jī)塊體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

表 2 左壩肩工程邊坡隨機(jī)塊體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出,右、左壩肩在邊坡開挖過程中因結(jié)構(gòu)面間的相互組合構(gòu)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(jié) 語

(1)從宏觀地質(zhì)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(jié)構(gòu)面的不利組合,局部邊坡穩(wěn)定性差;

(2)利用剛體平衡計(jì)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(shù)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(jīng)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(shè)進(jìn)展中,對(duì)控制邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面建議采取相應(yīng)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(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(2):227-234.