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        烏東德水電站水墊塘邊坡施工期變形和受力特性

        2021-04-02 09:15:02才,韋國(guó)書(shū),鄭
        人民長(zhǎng)江 2021年3期
        關(guān)鍵詞:變形

        彭 紹 才,韋 國(guó) 書(shū),鄭 棟

        (長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010)

        烏東德水電站位于四川省會(huì)東縣和云南省祿勸縣交界的金沙江下游河段,是金沙江下游河段4個(gè)梯級(jí)中的第一個(gè)梯級(jí)電站,是我國(guó)繼三峽、溪洛渡之后建設(shè)的千萬(wàn)千瓦級(jí)的第三座巨型水電站。工程開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主,兼顧防洪、航運(yùn)和促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

        烏東德水電站泄洪洞出口位于左岸導(dǎo)流洞和電站尾水左側(cè),泄洪洞出口為采用封閉抽排結(jié)構(gòu)型式的水墊塘,水墊塘四周設(shè)置了基礎(chǔ)廊道。水墊塘左側(cè)即為泄洪洞水墊塘左側(cè)邊坡,該邊坡的安全及穩(wěn)定性對(duì)于保證工程的正常運(yùn)行至關(guān)重要。2016年11月泄洪洞水墊塘左側(cè)邊坡啟動(dòng)高程850 m以下開(kāi)挖施工,2016年12月24日邊坡高程830 m以下開(kāi)始爆破開(kāi)挖,監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)邊坡部分表面變形和錨桿應(yīng)力突然增大;2017年3月底高程806 m以上開(kāi)挖完成,2017年3月25日停止爆破;2017年4月1日邊坡下部開(kāi)挖全面暫停,系統(tǒng)支護(hù)繼續(xù)實(shí)施,隨后邊坡變形速率趨緩?;佑?017年6月22日充水度汛后,邊坡開(kāi)挖支護(hù)停止,原先變形較大的表觀監(jiān)測(cè)墩變形速率趨于收斂,部分內(nèi)觀監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)已收斂。

        水電工程建設(shè)中的邊坡開(kāi)挖等,不可避免地會(huì)對(duì)邊坡的狀態(tài)產(chǎn)生擾動(dòng),引起應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整、巖體松弛卸荷等[1-5]。泄洪水墊塘左側(cè)邊坡施工期也經(jīng)歷了較大的變形,嚴(yán)重威脅鄰近建筑物、下游河道甚至整個(gè)工程的安全性。有必要分析左側(cè)邊坡的變形和受力特性等,發(fā)現(xiàn)其變形規(guī)律并揭示變形機(jī)理,以指導(dǎo)邊坡施工和支護(hù)等。

        大量的學(xué)者或工程師對(duì)我國(guó)一批重要的水電工程邊坡施工期的監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行了分析,以評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定及安全性[6-11]。例如,石安池等[8]基于監(jiān)測(cè)資料分析了三峽船閘高邊坡的巖體變形受開(kāi)挖卸荷、地質(zhì)條件、施工爆破、錨固等的影響情況。趙明華等[9]分析了小灣電站高邊坡的表觀變形、測(cè)斜儀和多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測(cè)巖體變形、錨索錨固力等,并評(píng)價(jià)了邊坡的穩(wěn)定性。朱繼良等[10]研究了某水電站人工進(jìn)水口大坡比高邊坡施工期在強(qiáng)開(kāi)挖下的變形特性和規(guī)律。黃志鵬等[11]研究了錦屏一級(jí)水電站左岸開(kāi)挖邊坡的外觀變形和深部變形等,結(jié)果表明位移滿足安全控制標(biāo)準(zhǔn),邊坡是穩(wěn)定的。

        相比于上述工程邊坡[8-11]等,烏東德泄洪洞水墊塘左側(cè)邊坡具有特殊性:

        (1) 高陡特性,邊坡開(kāi)口線至水墊塘底板高約180 m,人工邊坡單級(jí)開(kāi)挖坡比為1∶0.2。

        (2) 地質(zhì)條件復(fù)雜,邊坡高程約925 m以下為褶皺基底地層,高程約925 m以上為沉積蓋層,左岸泄洪洞出口下游側(cè)約100 m分布一條規(guī)模較大的花山溝斷層(F6),該斷層走向與河谷走向大角度相交。

        (3) 開(kāi)挖爆破擾動(dòng)大,邊坡開(kāi)挖過(guò)程中采用爆破等手段,會(huì)加劇巖體的卸荷松弛。

        鑒于泄洪水墊塘左側(cè)邊坡在工程中的重要性,以及邊坡高陡、地質(zhì)條件復(fù)雜、開(kāi)挖爆破擾動(dòng)大等特性,本文旨在基于該邊坡開(kāi)挖期間的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)成果,結(jié)合地質(zhì)和物探資料等,分析邊坡表面變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性,闡釋監(jiān)測(cè)成果與邊坡開(kāi)挖過(guò)程的相關(guān)性,揭示邊坡開(kāi)挖期間變形的機(jī)理。

        1 地質(zhì)條件與開(kāi)挖后形象

        1.1 地形地貌

        泄洪洞出口左側(cè)邊坡位于花山溝出口下游側(cè),原花山溝堆積體附近(見(jiàn)圖1)。

        圖1 泄洪洞出口左側(cè)邊坡工程地質(zhì)示意Fig.1 Engineering geological map of the left slope of spillway exit

        邊坡開(kāi)口線高程約970 m,至水墊塘底板高程790 m的人工邊坡高約180 m,邊坡走向約193°。人工邊坡單級(jí)開(kāi)挖坡比為1∶0.2(79°),邊坡長(zhǎng)度250余m。

        1.2 地層巖性

        泄洪洞出口左側(cè)邊坡高程約925 m以下為褶皺基底地層;地層巖性為Pt2l灰色薄層白云巖、灰?guī)r。地層走向近EW向?yàn)?60°~280°,傾向S,傾角75°~85°(局部為73°),即近橫河向展布,陡傾下游偏右岸。層面多平直粗糙,充填泥鈣質(zhì),沿層面多見(jiàn)溶蝕色變現(xiàn)象。

        邊坡高程約925 m以上為沉積蓋層,地層巖性主要為Z2d厚-巨厚層白云巖、Z2g薄層白云巖夾薄-極薄層粉砂質(zhì)泥巖頁(yè)巖、P2y厚層灰?guī)r、P3em玄武巖等;地層走向290°~320°、傾向NE、傾角16°~30°,即緩傾左岸偏上游。層面多平直粗糙,附泥鈣質(zhì),沿層面多見(jiàn)溶蝕色變現(xiàn)象。

        如圖2所示,邊坡頂部為反向坡,下部為橫向坡,邊坡中部設(shè)斜馬道,后期布置花山泥石流溝排導(dǎo)槽。

        圖2 泄洪洞出口左側(cè)邊坡地層Fig.2 Stratum on left slope of spillway exit

        泄洪水墊塘左側(cè)邊坡上部為土質(zhì)邊坡,穩(wěn)定性差。上下游側(cè)基巖邊坡均為順向坡,內(nèi)外側(cè)基巖邊坡均為斜橫向坡。

        1.3 地質(zhì)構(gòu)造

        左岸泄洪洞出口下游側(cè)約100 m分布一條規(guī)模較大的花山溝斷層(F6)。該斷層走向與河谷走向大角度相交,出露于花山溝附近,屬正斷層,蓋層被錯(cuò)開(kāi),垂直錯(cuò)距約420 m。該斷層走向NEE、傾向150°~170°即傾S、傾角60°~80°(一般約70°)。該斷層寬度約3~15 m,從上至下寬度總體上逐漸變大。

        邊坡左側(cè)高程在865 m以上,F(xiàn)6斷層寬度約2~5 m,局部更寬,總體上上部較窄,下部較寬。主斷面多見(jiàn)于上盤(pán)附近,斷面平直稍粗,一般充填1~3 cm寬斷層泥,由泥夾碎屑組成,斷層泥多呈可塑狀,手易剝落,黑色。其他構(gòu)造巖為碎裂巖,多由薄層-極薄層巖體組成,呈弱風(fēng)化狀,多呈灰色,部分呈灰黃色。高程865.0~786.5 m斷層帶寬約3~5 m,構(gòu)造巖特征與865.0 m高程以上基本一致。泄洪洞水墊塘左側(cè)底板至導(dǎo)墻建基面附近,該斷層逐漸變寬,由約5 m逐漸變?yōu)榧s15 m。

        1.4 開(kāi)挖后的形象

        開(kāi)挖前,高程1 070.0 m以下為花山溝堆積體形成的緩斜坡,坡度為10°~35°;高程1 070 m以上為自然裸露的巖質(zhì)邊坡,高程1 070.0 m至坡頂(1 760 m)為陡峻坡,平均坡度約55°。

        開(kāi)挖后,原花山溝堆積體已全部挖除,形成的水墊塘左側(cè)邊坡往下游走向193°。高程1 070.0 ~970.0 m段為第四系覆蓋層剝離坡,高程970.0 ~940.0 m為基巖開(kāi)挖開(kāi)口線,緊鄰開(kāi)口線以上剝離坡約有10~40 m寬的緩坡(在緩坡上方靠近花山溝部位發(fā)育一脊?fàn)畹匦?,分布高程約970.0~1 050.0 m,其順江長(zhǎng)約40 m、面積約3 200 m2、平均坡度約43°)。開(kāi)口線以下至高程850 m開(kāi)挖坡比為1∶0.2(79°),850.0 m以下至底板792 m(底板基礎(chǔ)廊道高程為786.5 m)開(kāi)挖坡比1∶0.3(73°),開(kāi)挖后的綜合坡度約64°。

        2 監(jiān)測(cè)設(shè)施布置

        泄洪洞出口左側(cè)邊坡已布置6個(gè)變形監(jiān)測(cè)斷面(見(jiàn)圖3),共布置并實(shí)施了17套多點(diǎn)位移計(jì),14個(gè)表觀監(jiān)測(cè)墩,21臺(tái)錨索測(cè)力計(jì),26支錨桿應(yīng)力計(jì)。監(jiān)測(cè)設(shè)施布置如圖3所示。

        圖3 泄洪洞出口左側(cè)邊坡監(jiān)測(cè)設(shè)備布置Fig.3 Arrangement of monitoring equipments on the left side slope of the spillway exit

        3 監(jiān)測(cè)成果分析

        泄洪洞出口左側(cè)邊坡巖體質(zhì)量較差-差,在開(kāi)挖過(guò)程中,變形穩(wěn)定問(wèn)題是密切關(guān)注的重點(diǎn)。左側(cè)邊坡發(fā)生持續(xù)變形后,現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了多次查勘,并對(duì)地表裂縫進(jìn)行了全面廣泛調(diào)查,同時(shí)對(duì)邊坡安全監(jiān)測(cè)成果、變化特性和機(jī)理等進(jìn)行了深入分析。

        泄洪洞出口左側(cè)邊坡監(jiān)測(cè)設(shè)施主要有表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)、多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿測(cè)力計(jì)、錨索應(yīng)力計(jì)。下面利用不同監(jiān)測(cè)設(shè)施監(jiān)測(cè)的成果分析邊坡安全穩(wěn)定性狀態(tài)。

        3.1 巖體變形

        泄洪洞出口左側(cè)邊坡布置的17套多點(diǎn)位移計(jì)均布置于F6斷層下游;其中,F(xiàn)6斷層至高程850 m混凝土系統(tǒng)后緣邊坡之間共布置有11套,850混凝土系統(tǒng)后緣邊坡布置有6套。

        各套多點(diǎn)位移計(jì)安裝后的首測(cè)時(shí)間不一,其中一期首測(cè)的最早時(shí)間為2013年5月5日,監(jiān)測(cè)深度一般為30 m,部分40 m。受現(xiàn)場(chǎng)施工等因素影響,多套多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在2015年5月至2017年3月出現(xiàn)缺失,只有M13、M14和M16捕捉到了相對(duì)較完整的變形過(guò)程(見(jiàn)圖4)。

        圖4 多點(diǎn)位移計(jì)孔口變形量與開(kāi)挖過(guò)程關(guān)系曲線Fig.4 Relation between deformation of multi-point displacement gauge and excavation process

        部分測(cè)值較大的多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測(cè)的孔口累計(jì)變形在空間上的分布如圖5所示。

        分析多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)成果可看出:

        (1) 截至2018年7月,17套多點(diǎn)位移計(jì)中,13套的孔口累計(jì)變形量小,在25 mm以下,占76.5%;有3套的變形量較大,在70 mm以上,最大92.2 mm,為M11號(hào)點(diǎn)。

        (2) 多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)的局部變形量較大的部位(M10~M12)主要位于F6斷層下游側(cè)一期4-4斷面,即開(kāi)口線剝離坡脊?fàn)畹匦胃浇?見(jiàn)圖5)。該區(qū)域的較大變形與F6斷層有關(guān),主要由該區(qū)域的開(kāi)挖所引起的巖體卸荷松弛產(chǎn)生的。

        圖5 泄洪洞出口左側(cè)邊坡變形較大區(qū)域Fig.5 Large deformation area on the left side slope of the spillway exit

        (3) 17套多點(diǎn)位移計(jì)中,只有M11和M03顯示水平向埋深30 m處仍有較大變形(但30 m處的變形量比20 m處的大,數(shù)據(jù)異常),其他15套的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明距坡面30 m處邊坡巖體無(wú)變形或變形量很小,故泄洪洞出口左側(cè)邊坡巖體變形深度基本在20~30 m。

        (4) 對(duì)于不同巖質(zhì)邊坡,巖體變形階段劃分可能不同。依據(jù)該邊坡的巖體變形速率和速率變化過(guò)程,基于人為判定,該邊坡的巖體變形速率總體上可分為3個(gè)階段,即變形加劇階段、變形趨緩階段、變形收斂或趨于收斂階段。對(duì)于該邊坡,變形加劇階段變形速率隨時(shí)間逐漸增大;變形趨緩階段變形速率逐漸減小。變形加劇階段和趨緩階段的分割點(diǎn),一般也是巖體變形曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的地方;由于不同多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測(cè)巖體變形出現(xiàn)拐點(diǎn)的地方不盡相同,所以進(jìn)一步結(jié)合施工過(guò)程等,綜合確定整體上拐點(diǎn)出現(xiàn)的位置。變形收斂或趨于收斂階段,變形速率接近于零,或進(jìn)一步明顯較小。

        第一階段為變形加劇階段。M13、M14和M16的曲線變形過(guò)程顯示,變形加劇發(fā)生在2016年12月24日至2017年3月25日,前后時(shí)間點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)高程830.0 m以下開(kāi)挖和停止爆破開(kāi)挖。該階段有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的設(shè)備共有8套,分別為M01~M03、M07、M10、M13、M14和M16。其中有3套孔口變形速率在0.1 mm/d以下,有5套孔口變形速率在0.1 mm/d以上,最大為0.37 mm/d(M10)。

        第二階段為變形趨緩階段,即發(fā)生在2017年3月25日現(xiàn)場(chǎng)停止爆破開(kāi)挖后。在停止爆破開(kāi)挖后一周內(nèi),該階段前述8套監(jiān)測(cè)儀器中的7套孔口變形速率在0.1 mm/d以下,僅有1套的孔口變形速率在0.1 mm/d以上,最大即M13亦只有0.1 mm/d。M11、M12、M15雖然在2017年3月25日現(xiàn)場(chǎng)停止爆破后一周內(nèi)變形速率在0.1 mm/d以上,但由于它們?cè)诘谝浑A段被損壞,無(wú)法比較說(shuō)明停止爆破前后的變形速率變化情況,故不計(jì)入相關(guān)統(tǒng)計(jì)。

        第三階段為收斂或明顯趨于收斂階段。8月的變形增量和速率表明,17套多點(diǎn)位移計(jì)中,8套變形己收斂,另外9個(gè)皆明顯趨于收斂(其中M12、M15兩個(gè)點(diǎn)分別于8月1日和8月3日才明顯趨于收斂)。各點(diǎn)收斂或明顯趨于收斂的時(shí)間點(diǎn)相差較大,絕大部分大約在停止爆破開(kāi)挖半個(gè)月即2017年4月中旬后才逐漸收斂或明顯趨于收斂,其中開(kāi)口線附近脊?fàn)畹匦胃叱?87.7 m附近M12以及高程830.3 m F6斷層附近M15兩個(gè)點(diǎn)的趨于收斂的時(shí)間最晚,而高程850.0 m混凝土系統(tǒng)后緣M04~M09收斂的時(shí)間則最早。

        (5) 2017年6月24日,出口水墊塘充水后,變形速率基本無(wú)變化。

        綜上所述,該坡段自停止爆破開(kāi)挖至今,所有多點(diǎn)位移計(jì)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均已收斂或明顯趨于收斂。

        3.2 表面變形

        泄洪洞出口左側(cè)邊坡共布置表觀監(jiān)測(cè)墩14個(gè),均布置于F6斷層下游,F(xiàn)6斷層與至高程850.0 m混凝土系統(tǒng)后緣邊坡之間共布置有11個(gè),850混凝土系統(tǒng)后緣邊坡布置有3個(gè),布置位置示于圖3。

        各表觀監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝后的首測(cè)時(shí)間最早為2013年9月16日,受現(xiàn)場(chǎng)施工等因素影響,多組表觀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在2015年4月至2017年4月出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間缺失,只有TP01、TP04、TP13~TP16和TN13W捕捉到了較完整的變形過(guò)程(見(jiàn)圖6)。

        圖6 表觀監(jiān)測(cè)總變形量與開(kāi)挖過(guò)程對(duì)比曲線Fig.6 Relation between total surface deformation and excavation process

        部分測(cè)值較大的表面位移測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的邊坡表面位移在空間上的分布如圖5所示。圖5同時(shí)展示了邊坡出現(xiàn)較大表面位移和較大巖體變形的區(qū)域。

        (1) 截至2017年8月10日,各累計(jì)變形量分量中,向臨空面方向累計(jì)變形量最大,一般達(dá)50.00~140.00 mm,最大223.75 mm(TP11);沉降量稍小,一般為14.00~80.00 mm,最大214.50 mm(TP11);向下游方向累計(jì)變形量最小,一般為8~23 mm,最大54.63 mm(TP03)。根據(jù)表面變形分量特征,邊坡主要發(fā)現(xiàn)為向坡外的變形和鉛直向的沉降,以向坡外變形為主。

        邊坡表面變形較大區(qū)域與巖體較大變形區(qū)域具有一致性,表面變形較大區(qū)域主要位于F6斷面下游側(cè)高程925.0~985.0 m范圍,該區(qū)域緊鄰F6斷層,位于開(kāi)口線剝離坡脊?fàn)畹匦胃浇?,較大的表面變形與該斷層和巖性較差有關(guān),由施工期開(kāi)挖施工引起。

        (2) 截至2017年8月10日,14組表面位移數(shù)據(jù)中,累計(jì)總變形量大于200.00 mm有3組(TP11、TP12、TP16),其中TP11最大(312.50 mm);累計(jì)總變形量為200.00~150.00 mm的有2組(TP10和TP15);累計(jì)總變形量為150.00~100.00 mm的有4組(TP03和TP13~TP14、TN13W);累計(jì)總變形量為100.00~50.00 mm的有2組(TP01~TP02);累計(jì)總變形量為小于50.00 mm的有3組(TP04~TP05和TP07),其中TP05最小,僅為2.35 mm。

        (3) 2016年12月24日高程830.0 m以下邊坡爆破開(kāi)挖后,各組表觀監(jiān)測(cè)變形分量和變形總量出現(xiàn)陡增,變形速率加快;2017年3月25日后,停止爆破開(kāi)挖,變形速率明顯降低,截至2017年8月10日,14個(gè)表觀監(jiān)測(cè)點(diǎn)中,有5個(gè)點(diǎn)已收斂,大部分測(cè)點(diǎn)變形速率已明顯降低,趨于收斂。

        (4) 由于邊坡表面變形和巖體變形具有一致性,表面變形也可分為3個(gè)階段:變形加劇階段、變形趨緩階段、收斂或明顯趨于收斂階段。

        3.3 錨索錨固力

        泄洪洞出口左側(cè)邊坡共布置錨索測(cè)力計(jì)21臺(tái),其中F6斷層上游布置4臺(tái),F(xiàn)6斷層下游與850系統(tǒng)后緣邊坡之間布置17臺(tái),布置位置見(jiàn)圖3。錨索的測(cè)點(diǎn)位置、錨固力及損失率列于表1。

        各錨索測(cè)力計(jì)安裝后首測(cè)時(shí)間不一,其中一期首測(cè)的最早時(shí)間為2013年10月4日,監(jiān)測(cè)成果如圖7和表1所示。分析錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)可知:

        表1 錨索錨固力及鎖定后損失率Tab.1 Anchorage forces of anchor cables and loss rates after locking

        圖7 錨索測(cè)力計(jì)鎖定后損失率與開(kāi)挖過(guò)程對(duì)比Fig.7 Relation between loss rate of force of anchor cable dynamometer after locking and excavation process

        (1) 截至2017年8月10日,錨索錨固力增長(zhǎng)率超過(guò)50%的有1臺(tái)(MS18),增加了52.4%,錨固力變化量為414.94 kN;錨固力增加15%~50%的有7臺(tái)(MS04、MS06、MS11、MS13~MS15和MS22);錨固力增加15%~5%的有4臺(tái)(MS05、MS09~MS10、MS12);錨索應(yīng)力增加-10%~5%的有9臺(tái)(MS01~MS03、MS07、MS16~MS17、MS19、MS21和MS24),其中MS17錨固力損失最大,為7.4%。

        在錨固力增長(zhǎng)率超過(guò)15%的測(cè)點(diǎn)中,MS04、MS13~MS15主要集中在圖5所示的邊坡變形較大區(qū)域,錨固力的增大和邊坡的變形基本一致;MS18、MS06、MS11和MS22主要分布在F6斷層上下游附近高程840.0~890.0 m范圍內(nèi),較大的錨固力增長(zhǎng)率主要受F6斷層及邊坡開(kāi)挖等因素影響。

        (2) 2016年12月24日高程830.0 m以下邊坡爆破開(kāi)挖后,各錨索測(cè)力計(jì)錨固力增加率及變化速率陡增,2017年3月25日停止爆破開(kāi)挖后,變化速率明顯降低。截至2017年12月,共21臺(tái)錨索測(cè)力計(jì)中,絕大部分即已收斂,MS05、MS10和MS11應(yīng)力增速已明顯降低,趨于收斂。

        3.4 錨桿應(yīng)力

        泄洪洞出口左側(cè)邊坡共布置錨桿應(yīng)力計(jì)26套,均布置于F6斷層下游,其中F6斷層至高程850.0 m混凝土系統(tǒng)后緣邊坡之間共布置有18支,850系統(tǒng)后緣邊坡布置有8支(見(jiàn)圖2)。

        各錨桿應(yīng)力計(jì)安裝后首測(cè)時(shí)間不一,其中一期首測(cè)的最早時(shí)間為2013年5月5日。監(jiān)測(cè)成果如圖8所示。由錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)成果可知:

        圖8 錨桿應(yīng)力計(jì)應(yīng)力變化與開(kāi)挖過(guò)程對(duì)比Fig.8 Relation between stress of anchor bolt gauge and excavation process

        (1) 截至2017年8月10日,錨桿應(yīng)力計(jì)應(yīng)力超過(guò)150 MPa的有3支,為R19、R24和R29,其中R29最大,達(dá)283.6 MPa;錨桿應(yīng)力為150~30 MPa的有5支,為R06、R21~R23和R27;其余錨桿應(yīng)力均小于30 MPa,有17支,其中R05最小,僅為-27.3 MPa。

        (2) 2016年12月24日高程830 m以下邊坡爆破開(kāi)挖后,各錨桿應(yīng)力計(jì)應(yīng)力變化速率陡增,2017年3月25日后,停止爆破開(kāi)挖,除R24應(yīng)力增速仍較大外,其它錨桿應(yīng)力計(jì)應(yīng)力增速明顯降低。截至2017年12月30日,26支錨桿應(yīng)力計(jì)中,絕大部分已收斂,應(yīng)力增速已明顯降低且趨于收斂。

        3.5 變形特征綜述

        雖然部分變形監(jiān)測(cè)儀器2015年3月至2017年3月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失,但通過(guò)地表裂縫專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查和少數(shù)幾個(gè)完整的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果,以及2017年3月后陸續(xù)修復(fù)的監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)仍可揭示泄洪洞出口左側(cè)邊坡變形特征。

        目前泄洪洞出口左側(cè)邊坡變形處于收斂或明顯趨于收斂階段;變形量最大部位處于4-4’變形監(jiān)測(cè)斷面,即凸出脊?fàn)畹匦翁貏e是該處開(kāi)口線頂部附近,邊坡中部區(qū)域次之,850混凝土系統(tǒng)后方邊坡及邊坡其他區(qū)域累計(jì)變形量??;2016年12月24日至2017年3月25日期間,即泄洪洞出口左側(cè)邊坡進(jìn)行高程830.0 m以下的高強(qiáng)度爆破開(kāi)挖期,邊坡的變形量和變形速率較大,其后邊坡變形逐漸收斂。

        4 邊坡變形機(jī)理分析

        在長(zhǎng)期的地質(zhì)演化過(guò)程中,邊坡巖體內(nèi)部積聚了一定的應(yīng)變能,在工程活動(dòng)作用之前,坡體處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)[1-5]。工程開(kāi)挖和爆破等擾動(dòng)了邊坡的初始狀態(tài),改變邊坡邊界條件,巖體遂發(fā)揮其自組織功能而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,先前積累的應(yīng)變能一部分被釋放,一部分轉(zhuǎn)移至巖體深部,產(chǎn)生應(yīng)力重分布并伴隨著坡體的變形[3-5]。

        由開(kāi)挖導(dǎo)致的應(yīng)變能釋放意味著卸荷松弛,由卸荷產(chǎn)生的瞬時(shí)變形即為回彈,對(duì)邊坡產(chǎn)生靜、動(dòng)力擾動(dòng)及巖體損傷,引起巖體內(nèi)原有結(jié)構(gòu)面的張開(kāi)、錯(cuò)動(dòng),以及原生節(jié)理裂隙的擴(kuò)展或新生裂隙。特別是在F6斷層等地質(zhì)弱面附近或破碎的強(qiáng)卸荷松弛區(qū),邊坡巖體質(zhì)量、力學(xué)參數(shù)及承載能力和穩(wěn)定性可能會(huì)降低。

        泄洪洞水墊塘左側(cè)邊坡F6斷層下游側(cè)巖體主要為Ⅳ2類(lèi),巖體質(zhì)量較差,該類(lèi)巖體占整個(gè)邊坡的32.6%(見(jiàn)圖9)。在緊鄰F6斷層的下游側(cè)高程891.6 m處,利用錨索孔進(jìn)行物探檢測(cè)(編號(hào)為7號(hào)),發(fā)現(xiàn)松弛深度約為16.4 m,松弛帶聲波波速在2 600~3 200 m/s,非松弛帶聲波波速在3 100~5 000 m/s。

        圖9 泄洪洞水墊塘左側(cè)邊坡巖體質(zhì)量圖9 Rock mass quality of the left side slope of the spillway exit

        為了驗(yàn)證開(kāi)挖引起巖體卸荷松弛的松弛深度,圖10給出了7號(hào)物探孔附近位置多點(diǎn)位移計(jì)M10的實(shí)測(cè)的巖體變形。可以看出,巖體的拉伸變形主要發(fā)生深度在0~20 m之間,完成開(kāi)挖后的相對(duì)變形量在73.00 mm左右?;?號(hào)物探孔確定的松弛卸荷深度16.4 m在巖體變形深度范圍0~20 m之內(nèi),證實(shí)了巖體卸荷松弛存在于該區(qū)域及卸荷松弛的深度。由于開(kāi)挖等引起卸荷松弛,且該區(qū)域位于F6斷層下游側(cè)巖體質(zhì)量較差,故導(dǎo)致F6斷層下游側(cè)一期4-4'斷面附近發(fā)生較大的巖體拉伸變形和表面變形。

        圖10 高程925 m處多點(diǎn)位移計(jì)M10實(shí)測(cè)的巖體變形Fig.10 Deformation of rock mass measured by multi-point displacement meter M10 on 925 m

        邊坡變形演化是巖體微觀損傷破裂發(fā)展、宏觀力學(xué)強(qiáng)度不斷降低和滑面孕育、發(fā)展和貫通形成的過(guò)程[5-7]。對(duì)于具有時(shí)效變形特征的漸變型巖質(zhì)邊坡,其滑動(dòng)面是經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的孕育才逐漸形成。由開(kāi)挖卸荷引起的漸進(jìn)演化變形邊坡,如果沒(méi)有顯著的失穩(wěn)破壞控制性結(jié)構(gòu)面,則保持穩(wěn)定的關(guān)鍵在于控制變形發(fā)展,變形控制到位的話深層滑動(dòng)面的發(fā)展就會(huì)在孕育或發(fā)展階段結(jié)束,而不會(huì)進(jìn)入最終大變形累計(jì)破壞階段;若任由變形充分發(fā)展,滑動(dòng)面演化則進(jìn)入不可逆狀態(tài)。截至2017年8月10日,泄洪洞出口左側(cè)邊坡尚處于變形階段,未形成統(tǒng)一的潛在滑動(dòng)面。烏東德泄洪洞出口左側(cè)邊坡特點(diǎn)包括:斷層F6反傾切割、開(kāi)挖形成的邊坡高陡卸荷松弛深度大。

        5 結(jié) 論

        本文分析了烏東德水電站泄洪洞水墊塘左側(cè)邊坡開(kāi)挖期間的表面變形、巖體變形、錨桿應(yīng)力和錨索錨固力變化特性,闡釋了該變化與邊坡開(kāi)挖過(guò)程的相關(guān)性,揭示了邊坡開(kāi)挖期間變形的機(jī)理,主要結(jié)論如下。

        5.1 邊坡變形和受力特性

        邊坡的巖體變形和表面變形與地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造等緊密相關(guān)。巖體變形和表面變形具有一致性,主要發(fā)生在F6斷層下游側(cè)且?guī)r體質(zhì)量較差的高程925.0~985.0 m范圍,該區(qū)域開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)了較大的變形,其余部位的變形量相對(duì)較小。

        邊坡的變形與施工過(guò)程緊密相關(guān),可總結(jié)為3個(gè)階段:變形加劇階段、變形趨緩階段、收斂或明顯趨于收斂階段。施工中出現(xiàn)了變形陡增和變形速率加快的情況,但停止爆破開(kāi)挖后,變形速率明顯降低,變形逐漸收斂。

        邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)受力主要受施工開(kāi)挖影響;邊坡爆破開(kāi)挖,巖體松弛卸荷,錨桿應(yīng)力和錨索錨固力大部分呈增大趨勢(shì);停止開(kāi)挖后,結(jié)構(gòu)受力逐漸趨于穩(wěn)定。

        5.2 影響邊坡變形的主要原因

        該高陡邊坡總體巖體質(zhì)量較差及大規(guī)模開(kāi)挖卸荷,是引起局部坡體出現(xiàn)較大變形的主要原因。較大表面變形和巖體變形的區(qū)域主要位于F6斷面下游側(cè)高程925.0~985.0 m范圍,該區(qū)域緊鄰F6斷層,較大的表面變形與該斷層和較差巖體質(zhì)量有關(guān),由施工期開(kāi)挖施工卸荷引起。

        5.3 施工期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

        結(jié)合地質(zhì)條件、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和判斷、物探檢測(cè)成果等,邊坡變形總體上已收斂,且坡體內(nèi)不存在傾向坡外的規(guī)模較大的斷層等結(jié)構(gòu)面,邊坡不存在整體穩(wěn)定問(wèn)題。

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