王進(jìn)城 徐建閩 胡 寧 張學(xué)東

喀麥隆曼維萊水電站廠房后邊坡穩(wěn)定性分析

王進(jìn)城 徐建閩 胡 寧 張學(xué)東

曼維萊水電站廠房壓力管道由上鎮(zhèn)墩段、斜管段、下鎮(zhèn)墩段組成，采用明鋪回填方案?；娱_挖后，在上下鎮(zhèn)墩之間形成高達(dá)52.5 m的高邊坡。邊坡巖體以片麻巖為主，巖質(zhì)堅硬，工程性質(zhì)良好；邊坡未發(fā)現(xiàn)有斷層發(fā)育，巖體裂隙中等發(fā)育—不發(fā)育，以Ⅳ、Ⅴ結(jié)構(gòu)面為主，邊坡巖體穩(wěn)定性主要取決于結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征及其與開挖坡面的組合關(guān)系。

開挖邊坡 結(jié)構(gòu)面 不利組合 穩(wěn)定性 掛網(wǎng)噴錨 變形監(jiān)測

曼維萊(MEMVE’ELE)水電站工程，位于喀麥隆南部地區(qū)NYABESSAN鎮(zhèn)附近的恩特姆河主干流上，電站總裝機容量201 MW，引用流量450 m3/s，設(shè)計水頭52.3 m，主體建筑物主要由攔河壩、溢洪道及引水發(fā)電系統(tǒng)等構(gòu)成。

曼維萊水電站引水發(fā)電系統(tǒng)包括渠道進(jìn)水口、輸水明渠、天然前池、電站進(jìn)水口及壓力管道、發(fā)電廠房等建筑物。電站壓力管道總體上沿斜坡布設(shè)，由上鎮(zhèn)墩段、斜管段、下鎮(zhèn)墩段組成，采用明鋪回填方案，管道沿線地面高程383～393 m。管道上鎮(zhèn)墩水平段布設(shè)底高程為375 m，下鎮(zhèn)墩水平段布設(shè)底高程為322.5 m，在362 m高程設(shè)置一級馬道，基坑開挖后，斜管段形成高達(dá)52.5 m的高邊坡，最大單級坡高約40m，其穩(wěn)定性直接影響電站運行安全。

1 基本地質(zhì)條件

曼維萊水電站工程廠房位于恩特姆峽谷左岸，采用地面式，場地由原來的河谷岸坡開挖而成。

邊坡巖體以片麻巖為主，淺表層強風(fēng)化-弱風(fēng)化巖體厚2～5 m，其下呈微新狀。片麻巖，淺灰-青灰色，呈變晶中細(xì)晶或中粗晶結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，片麻理發(fā)育，礦物成分以長石、石英以及角閃石、輝石、云母為主。試驗成果表明，微新狀片麻巖天然密度2.671～2.792 g/cm3，巖塊單軸飽和抗壓強度68.2～94.8 MPa、單軸干抗壓強度78.6～111.1 MPa、軟化系數(shù)0.75～0.92、變形模量35.0～48.0 GPa、彈性模量42.3～54.0 GPa、泊松比0.23～0.27；巖塊飽和抗剪試驗，C′=1.67～1.95 MPa、f′=2.33～2.59；屬堅硬巖，工程性質(zhì)良好。

據(jù)廠房區(qū)ZKC4、ZKC5和ZKC8孔資料，基巖表層即為弱風(fēng)化巖體，厚度小于2～5 m，其下為微風(fēng)化-新鮮巖體；由于恩特姆斷裂距廠房基坑的直線距離不小于120 m，受其影響，邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。廠房區(qū)3個鉆孔均揭露有3～4條節(jié)理密集帶，但未發(fā)現(xiàn)斷層破碎帶，節(jié)理密集帶鉛直厚度1～5 m不等，其間巖芯破碎，RQD指標(biāo)多在25%以下。

地面物探(包括地震折射、高密度電測深方法)及聲波測井成果表明，在ZKC4、ZKC8和ZKC5鉆孔之間未見有明顯的構(gòu)造異常，3個鉆孔聲波速度多在5 000～6 000 m/s之間，即便是弱風(fēng)化帶或節(jié)理密集帶，聲波速度也可達(dá)3 370～3 960 m/s，表明天然巖體處于擠密狀態(tài)，完整性較好。

根據(jù)基坑開挖揭示，巖體片麻理產(chǎn)狀：走向NE20°～35°傾NW∠70°。電站廠房后邊坡與壓力管道部位未發(fā)育有斷層，巖體裂隙中等發(fā)育-不發(fā)育，以Ⅴ級結(jié)構(gòu)面為主，延伸長度多在10 m左右；少量為Ⅳ級結(jié)構(gòu)面，延伸長度可達(dá)10～30 m。陡傾節(jié)理主要發(fā)育兩組(見圖1)，以走向NE30°～50°傾NW∠50°～70°一組較為發(fā)育，其走向與片麻理近平行或小角度相交；另有一組NW290°～310°傾NE或SW∠50°～70°少量發(fā)育。中緩傾角節(jié)理同樣發(fā)育兩組，一組NE70°～80°傾NW∠30°～35°，另一組則為NW300°～320°傾SW∠20°～40°。總體而言，緩傾角節(jié)理發(fā)育頻度與規(guī)模均低于陡傾節(jié)理。

圖1 廠房后邊坡節(jié)理裂隙玫瑰花圖及極點圖

電站廠房后邊坡巖體節(jié)理間距一般0.3～0.5 m，淺部巖體節(jié)理微張、下部多閉合無充填，節(jié)理面平直、光滑，總體屬硬性結(jié)構(gòu)面，兩側(cè)巖體較完整。局部可見延伸較長的寬張夾泥裂隙(Ⅳ級結(jié)構(gòu)面)，節(jié)理面稍粗糙，全風(fēng)化狀含泥碎屑寬度1～3 cm，沿寬張裂隙兩側(cè)多有節(jié)理密集帶發(fā)育，其寬度一般0.4～0.8 m，帶內(nèi)巖體破碎、節(jié)理密集發(fā)育，總體強度較弱。經(jīng)開挖實測，廠房后邊坡巖體發(fā)育有兩條Ⅳ級結(jié)構(gòu)面，其性狀特征參見表1，位置示意見圖2。

表1 廠房后邊坡Ⅳ級結(jié)構(gòu)面性狀特征

廠房后邊坡坡面大部分干燥，局部潮濕，有少量滲水點，地下水涌水量總體不大。地下水出露點主要集中在全風(fēng)化與強風(fēng)化片麻巖交界處，以及局部裂隙發(fā)育部位。

按照邊坡巖體質(zhì)量分類系統(tǒng)(CMSR)劃分，壓力管道邊坡巖體質(zhì)量類別以Ⅲ類為主，節(jié)理發(fā)育稀疏部位為Ⅱ類巖體，節(jié)理密集帶則為Ⅳ類。

2 廠房后邊坡穩(wěn)定性分析

綜合前述廠房后邊坡基本地質(zhì)條件，在邊坡巖體巖性較為單一、不發(fā)育貫穿性強的軟弱夾層、地下水活動微弱的條件下，邊坡穩(wěn)定性主要受控于巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度、性狀特征以及與開挖坡面的空間組合方式等。

前已述及，廠房后邊坡巖體斷層不發(fā)育，裂隙中等發(fā)育-不發(fā)育，以Ⅴ級結(jié)構(gòu)面為主，延伸長度多在10 m左右；發(fā)育有兩條規(guī)模較大的寬張夾泥裂隙，屬Ⅳ級結(jié)構(gòu)面，二者近平行展布，其走向NE73°～74°傾NW∠60°左右，延伸長度可達(dá)20～30 m，因此，邊坡巖體未見由Ⅳ級以上定位結(jié)構(gòu)面組合而成的變形滑移模式，壓力管道邊坡穩(wěn)定性主要受控于Ⅳ、Ⅴ級結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、性狀特征以及與開挖坡面的空間組合方式等。

現(xiàn)根據(jù)廠房后邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育規(guī)律，結(jié)合開挖邊坡坡面產(chǎn)狀(走向NW345°傾SW∠63°)，對由Ⅳ、Ⅴ級結(jié)構(gòu)面隨機組合而成的小規(guī)模失穩(wěn)塊體，依據(jù)赤平投影分析如下(見圖3)。

(1)PS13和PS12兩條寬張夾泥裂隙，延伸長度較大且工程性狀不良，其兩側(cè)尚有寬度0.4～0.8m的節(jié)理密集帶發(fā)育，是邊坡巖體發(fā)育規(guī)模相對較大的結(jié)構(gòu)面。但是，二者均呈近EW向(走向NE73°～74°)展布，與開挖坡面(走向NW345°傾SW∠63°)近直交，且為陡傾結(jié)構(gòu)面，主要表現(xiàn)為側(cè)裂面，對邊坡穩(wěn)定不起控制作用。

圖2 Ⅳ級結(jié)構(gòu)面位置示意圖

邊坡產(chǎn)狀：走向NW345°傾SW∠63°

片麻理產(chǎn)狀：走向NE20°～35°傾NW∠70°

陡傾節(jié)理產(chǎn)狀：①走向NE30°～50°傾 NW∠50°～70° ②NW290°～310°傾NE或SW∠50°～70°

緩傾角節(jié)理產(chǎn)狀：①NE70°～80°傾NW∠30°～35° ②NW300°～320°傾SW∠20°～40°

PS13 產(chǎn)狀： NE73° NW 58°～62°

圖3壓力管道邊坡結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

(2)分析邊坡巖體Ⅴ級隨機結(jié)構(gòu)面發(fā)育特點，NE70°～80°緩傾節(jié)理與坡面近直交，不會構(gòu)成滑移塊體的底滑面；NW300°～320°中緩傾節(jié)理與開挖坡面小角度相交且傾向坡外，是潛在的小規(guī)模失穩(wěn)塊體的底滑面；此外，兩組緩傾節(jié)理的交線與開挖坡面大角度相交且傾向坡外，可能形成組合式潛在底滑面。兩組陡傾節(jié)理與開挖坡面交角均在40°左右，傾向坡外，在邊坡淺表層可能構(gòu)成斜向后緣拉裂面。

(3)綜合以上分析，廠房后邊坡的結(jié)構(gòu)面不利組合有兩種情況：一是NW300°～320°中緩傾節(jié)理與兩組陡傾節(jié)理的不利組合，二是兩組中緩傾節(jié)理面共同與陡傾節(jié)理構(gòu)成不利組合。以上兩種Ⅳ、Ⅴ級硬性結(jié)構(gòu)面的“陡-緩”組合，雖不致影響邊坡的整體穩(wěn)定性，但均可能在邊坡淺表層的局部地段構(gòu)成小規(guī)模的不穩(wěn)定楔形塊體，這也是邊坡治理的重點部位。

(4)邊坡巖體雖有片麻理發(fā)育，但巖石后期重結(jié)晶作用明顯，礦物雖有定向排列，但并未形成宏觀的軟弱結(jié)構(gòu)面，相比節(jié)理裂隙，片麻理對邊坡穩(wěn)定的影響可以忽略不計。

3 邊坡治理建議

(1)對邊坡開挖后已爆破松動或松弛張開的不穩(wěn)定塊體采用人工撬挖剝除，并對坡面采取掛網(wǎng)防護(hù)，必要時采取預(yù)應(yīng)力錨索，以減免邊坡淺表層結(jié)構(gòu)面不利組合對邊坡穩(wěn)定的負(fù)面影響。

(2)爆破松動加劇了淺表層小規(guī)模的不穩(wěn)定楔形塊體的松弛程度，也是形成局部失穩(wěn)的因素之一。建議結(jié)合施工開挖情況，調(diào)整爆破參數(shù)，減小爆破開挖對巖體的破壞。

(3)加強工程施工與運行期間的邊坡變形監(jiān)測。

TV731

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1007-6980(2017)03-0013-03

王進(jìn)城 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

徐建閩 男 教授級高級工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

胡 寧 男 高級工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

張學(xué)東 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

2017-07-10)