毛會永, 羅志剛

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065)

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厄瓜多爾某水電站左壩肩開挖邊坡的穩(wěn)定性評價

毛會永, 羅志剛

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065)

摘要：以厄瓜多爾某水電站左壩肩1 518 m高程以上開挖邊坡為例,結合開挖后地表地質(zhì)測繪成果,前期鉆孔勘探、試驗結果和最新的水平取芯鉆孔結果,應用Swedge(Demo)軟件對邊坡開挖后可能形成的不穩(wěn)定塊體進行穩(wěn)定性分析,根據(jù)開挖前、后的地質(zhì)情況,對傾倒變形體的穩(wěn)定性進行判斷,并與現(xiàn)場變形監(jiān)測結果進行對比.結果表明:無論是天然邊坡,還是開挖后的邊坡,均不存在大規(guī)模的深層滑動問題,左壩肩邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài),現(xiàn)場變形監(jiān)測結果也表明了這一點.最后根據(jù)分析評價結果提出了邊坡的處理措施.

關鍵詞：邊坡開挖;變形特征;穩(wěn)定性評價;支護措施

工程位于南美洲厄瓜多爾境內(nèi)薩莫拉(Zamora)河上,為引水式電站,開發(fā)任務為發(fā)電,電站裝機180 MW.主要建筑物由首部樞紐、左岸引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及其附屬設施組成.首部樞紐主要包括混凝土重力壩和電站進水口,壩頂高程1 493 m.

左岸壩肩邊坡開挖至1 518 m高程后,局部出現(xiàn)拉裂或坍塌.根據(jù)施工情況,結合開挖后地表地質(zhì)測繪成果,前期鉆孔勘探、試驗結果和最新的水平取芯鉆孔結果,對左壩肩1 518 m高程以上邊坡開挖后的穩(wěn)定性進行分析與評價.

1邊坡工程地質(zhì)條件

1.1　基本工程地質(zhì)條件

薩莫拉(Zamora)河谷狹窄,施工前河谷兩側植被茂密.河流在壩軸線處流向為SW186°,壩址區(qū)河谷兩岸邊坡呈不對稱“V”字型,左岸岸坡陡峻,自然坡角53°～70°,自然狀態(tài)下天然岸坡穩(wěn)定.

左岸壩肩出露的地層主要為地表第四系的覆蓋層(殘積土)及其下部的三疊系基巖(片麻巖),片麻巖片麻理產(chǎn)狀在不同高程處變化很大,見表1.這與左岸岸坡高陡以及在自重作用下邊坡巖體產(chǎn)生沿片麻理的卸荷和傾倒變形有關[1].

開挖邊坡表部由于風化、卸荷、開挖影響及變形體的存在,巖體較破碎,裂隙較發(fā)育，但這種現(xiàn)象僅限于變形體及強風化巖體內(nèi).據(jù)鉆孔勘探資料,中風化巖體中裂隙不甚發(fā)育,且規(guī)模亦較小.

表1　開挖邊坡片麻巖片麻理產(chǎn)狀變化統(tǒng)計表

左壩肩邊坡開挖后表部各級巖體均出現(xiàn)風化特征,全風化巖體分布在高程1 560 m以上,該高程以下主要為強風化巖體,局部有中風化巖體.勘探結果見表2,綜合來看,強風化巖體水平最大深度17.85 m,最小深度1.22 m,平均值11.05 m.

表2　水平鉆孔中風化深度

1.2　開挖邊坡中變形體基本工程地質(zhì)條件

邊坡開挖后在1 553 m高程以下發(fā)現(xiàn)傾倒變形巖體,主要分布在1 528～1 553 m馬道之間的邊坡上,順河向長度約100 m,順坡向最大寬度23 m,最大坡高25 m,開挖水平深度8.8 m,垂直深度9.5 m,開挖后殘留平均厚度7.8 m.

該處共有4個勘探鉆孔,垂直鉆孔ZK03和ZK07發(fā)現(xiàn)該處片麻巖的片麻理傾角較緩,與地表基巖露頭和鉆孔深部正常巖體的片麻理傾角差別較大;近期完成的水平鉆孔中,編號01號和04號鉆孔揭露了傾倒巖體界限,見表3.

表3　勘探孔查明的傾倒巖體情況

變形體巖性為片麻巖,結構面以風化卸荷傾倒的片麻理為主,走向NW340°—NE10°,傾向N—SE,傾角∠32°~∠43°,傾向岸內(nèi);變形體內(nèi)巖體多有拉裂、卸荷松動現(xiàn)象,局部架空,整體仍呈層狀結構.邊坡開挖后變形體與正常巖體分界線附近未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的能引起變形滑動破壞的控制性結構面.

左岸岸坡地形高陡,局部巖體原有的應力平衡破壞,形成了單面臨空的地形,為變形體提供了傾倒變形的地形邊界條件.片麻巖的巖質(zhì)堅硬,局部存在順片麻理的蝕變帶是傾倒變形產(chǎn)生的物質(zhì)基礎;片麻理產(chǎn)狀走向與岸坡小銳角相交(小于30°),并傾向岸里,構成陡傾岸里的逆向坡;在巖體自重的作用下,巖層向臨空面發(fā)生彎曲[2].變形模式為傾倒型.

2邊坡穩(wěn)定性評價

2.1　1 553 m高程以上巖(土)質(zhì)邊坡

1 553 m高程以上邊坡主要由表層3～8 m厚的殘積土、全風化片麻巖和部分強風化片麻巖組成.根據(jù)施工前后的地形，剖切該處典型斷面6個，即A—A,B—B,C—C,D—D,E—E和壩軸線，開挖前、后的邊坡平均坡角對比見表4.

該處開挖坡角約為45°,從表4可看出坡高最高的兩個斷面開挖后的平均坡角小于天然坡角,植草防護后,經(jīng)過兩個雨季的考驗，該處邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài).邊坡的變形監(jiān)測成果也證明了這一點.

表4　天然坡角與開挖后坡角及坡高的對比結果

2.2　1 518～1 553 m段巖質(zhì)邊坡

2.2.1結構塊體組合分析

依據(jù)開挖編錄資料,發(fā)現(xiàn)4組結構面,分別為J1,J2,J3和FJ.對巖質(zhì)邊坡進行了結構塊體組合分析[3],重要組合分別為J1+J3,J1+J2,J1+J2+FJ和J1+J3+FJ.組合形成的楔形體空間視圖如圖1—4所示.

圖1　結構面J1+J3組合的楔形體

圖2　結構面J1+J2組合的楔形體

圖3　結構面J1+J2+FJ組合的楔形體

圖4　結構面J1+J3+FJ組合的楔形體

采用前期地質(zhì)報告中的建議參數(shù)，具體情況見表5.利用Swedge(Demo)楔形體穩(wěn)定分析軟件分別對正常工況、降雨工況和地震工況下的楔形體進行穩(wěn)定性分析,結果見表6.

表5　邊坡裂隙產(chǎn)狀統(tǒng)計表和計算參數(shù)

表6　楔形體安全系數(shù)計算結果

將計算結果與中國《水電水利工程邊坡設計規(guī)范》(DL/T 5353—2006)中表5.0.4中的規(guī)定對照,表明邊坡在正常工況、降雨工況和地震工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài).

2.2.2傾倒變形體的穩(wěn)定性判斷

由于變形巖體與正常巖體之間沒有傾向岸外的控制性斷層或結構面,在很長的地質(zhì)歷史時期一直處于變形階段,并沒有產(chǎn)生破壞或滑動.施工期間對變形體進行了部分挖除,傾倒變形體開挖前、后的剖面及厚度分別如圖5所示和見表7.開挖后,各剖面殘留變形巖體的最大厚度8.7 m,最小厚度5.6 m,平均厚度7.8 m,這對限制傾倒變形的進一步發(fā)展和保證邊坡的整體穩(wěn)定非常有利.

圖5　傾倒變形體開挖前、后的壩軸線剖面圖

表8為1 518～1 553 m巖質(zhì)邊坡開挖前后坡角與坡高的對比結果.由表可知,自然邊坡的坡角為46°～56°,坡度比較陡,雖然自然邊坡局部有傾倒變形特征,但自然狀態(tài)下一直處于穩(wěn)定狀態(tài).開挖后坡角為41°～49°,該坡角小于原來的天然坡角,屬于穩(wěn)定的坡角.

表7　開挖前、后傾倒變形巖體的最大厚度對比

表8　天然坡角與開挖后坡角及坡高的對比

2.2.3邊坡變形監(jiān)測

左岸邊坡開挖以后建立了大地變形測量監(jiān)測點,監(jiān)測點編號為TP05,TP06,TP07,TP08,TP09,AW03.從2013年6月16日開始監(jiān)測,2014年4月26日截止.監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6和圖7所示.

圖6　各監(jiān)測點合成位移與時間的過程線

圖7　各監(jiān)測點合成位移速率與時間的過程線

由圖6—7可知：經(jīng)過314 d的觀測,邊坡累計位移量8.3～29.2 mm,累計位移量很小,變形甚微；位移速率0.03～0.09 mm/d,變形速率極小,證明邊坡穩(wěn)定[4].

3開挖支護措施的確定

在開挖邊坡不存在深層滑動問題時,對開挖后邊坡的支護主要是控制邊坡淺層的卸荷、松動和局部的傾倒變形,采用系統(tǒng)錨桿+掛網(wǎng)+噴混凝土是行之有效的支護措施[5-6].錨桿的深度可以針對不同的地段區(qū)別對待,選擇不同的深度.

對于傾倒變形部位,主要是采取適當?shù)腻^固,限制傾倒變形的進一步發(fā)展,錨固深度以穿過殘留變形體,進入正常巖體為宜.如果按照殘留傾倒巖體最大厚度8.7 m,估算的錨固深度約11.0 m;按最小厚度5.6 m,估算的錨固深度約8.0 m;按平均厚度7.8 m,估算的錨固深度約10.0 m,錨筋樁方向應垂直邊坡開挖面.

對于傾倒變形體之外的正?；鶐r邊坡,按卸荷松動最大深度3.0 m,估算的錨固深度為4.5 m,錨桿方向應垂直邊坡開挖面.

4結語

左岸自然邊坡在天然狀態(tài)下穩(wěn)定,坡角較陡,開挖以后的坡角略小于天然坡角,施工期開挖后沒有發(fā)現(xiàn)傾向岸外的、可以引起壩肩邊坡整體失穩(wěn)(深層滑動)的規(guī)模較大的控制性結構面,也沒有發(fā)現(xiàn)較大的斷層或長大裂隙組合形成的大規(guī)模的楔形體破壞模式,淺表層小方量的兩處拉裂坍塌經(jīng)及時處理,對邊坡的整體穩(wěn)定影響微弱;左岸基巖邊坡雖然有潛在傾倒變形分布,但未發(fā)展到破壞階段或塌滑階段.因此,可以判斷無論是天然邊坡,還是開挖后的邊坡,均不存在大規(guī)模的深層滑動問題,左岸邊坡整體是穩(wěn)定的.穩(wěn)定性計算結果和大地測量監(jiān)測結果也證明了這一點.

參考文獻

[1]黃潤秋.巖石高邊坡發(fā)育的動力過程及其穩(wěn)定性控制 [J].巖石力學與工程學報,2008,27(8):1525-1544.

[2]林鋒,黃潤秋,嚴明,等.小灣水電站進水口邊坡穩(wěn)定性復核及錨固力研究[J].工程地質(zhì)學報,2009,17(1):70-75.

[3]韓梅.塊體理論在邊坡穩(wěn)定性分析中的應用[J].西北水電,2009(5):13-16,38.

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[5]馬洪琪.小灣水電站建設中的幾個技術難題[J].水利發(fā)電,2009,32(9):17-21.

[6]向蕾.某一級水電站工程廠房高邊坡處理設計[J].華北水利水電學院學報,2011,32(2):119-121.

(責任編輯：喬翠平)

Evaluation on the Excavation Slop Stability of Left Abutment of a Hydropower Station in Ecuador

MAO Huiyong, LUO Zhigang

(Xibei Engineering Co., Ltd., Power Construction Corporation of China, Xi′an 710065, China)

Abstract:Taking excavation slop above 1 518 m elevation in the left abutment of a hydropower station in Ecuador as an example, combining with the results of excavation surface geological survey, previous drilling exploration, experiments and latest horizontal core borehole, the software Swedge (Demo) was applied to analyze the stability of possible formed unstable blocks after slop excavation. According to the geological conditions before and after excavation, the stability of toppling deformation bodies was judged and compared with the monitoring results of in-situ deformation. The results show that the large-scale deep-layer slides don′t exist in natural slopes and excavation slopes, and the overall slope in the left abutment is stable, which is also verified by the monitoring results of in-situ deformation. In the end, the treatment measures for slopes are proposed according to analysis results.

Keywords:slope excavation; deformation characteristics; evaluation on stability; supporting measures

中圖分類號：TV221.2

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5634(2015)02-0054-04

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.02.012

作者簡介：毛會永(1981—),男,河南開封人,工程師, 主要從事水利水電工程地質(zhì)方面的研究.

收稿日期:2015-02-09