吳家耀 陳浩 徐建榮 周勇 孟國濤

摘?要：白鶴灘水電站左岸拱壩壩基邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，壩基邊坡內(nèi)發(fā)育的緩傾坡外的層內(nèi)錯動帶、反傾坡內(nèi)的斷層和柱狀節(jié)理玄武巖是開挖邊坡變形響應(yīng)的重要影響因素。在分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對白鶴灘左岸拱壩壩基630 m高程以上的剪切變形特征及機(jī)理進(jìn)行了分析研究，采用離散元程序UDEC再現(xiàn)了層內(nèi)錯動帶LS3319的剪切變形特征，并對左岸拱壩壩基630 m高程以下的開挖響應(yīng)特征進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)果表明：630 m高程以上壩基開挖過程中順坡向緩傾層內(nèi)錯動帶LS3319在開挖面坡腳部位出露前后，對坡腳局部應(yīng)力場產(chǎn)生較明顯的影響，其上下盤巖體表現(xiàn)出不同的變形特征，錯動帶上盤部分巖體首先出現(xiàn)應(yīng)力增大或集中現(xiàn)象，隨著開挖面下移直至錯動帶出露，出現(xiàn)開挖卸荷引起的巖體松弛;630 m高程以下受層內(nèi)錯動帶LS331影響產(chǎn)生剪切變形，上盤淺層巖體出現(xiàn)卸荷松弛。錯動帶剪切變形主要發(fā)生在錯動帶的壩基面開挖揭露過程中，變形量值主要受賦存地應(yīng)力條件、結(jié)構(gòu)面參數(shù)和產(chǎn)狀等因素控制。

關(guān)鍵詞：拱壩壩基;剪切變形;層內(nèi)錯動帶;變形機(jī)理;白鶴灘水電站

中圖分類號：TV642.4+6?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.027

Abstract： The geological conditions of the left bank arch dam foundation of Baihetan Hydropower Station are complex. The dislocation interface with gentle inclination， the anti-dip fault and the columnar jointed basalt are the main important factors which influence the deformation response during excavating the slope. The shear deformation characteristics and mechanism of the left bank of Baihetan arch dam foundation were analyzed based on the monitoring data. The characteristics of shear deformation of the dislocation interface LS3319 was reproduced by UDEC. The calculation results show that during the excavation process of the dam foundation above E.L. 630 m， LS3319 has a significant influence to the local stress status of the slope before and after it's exposed in the excavation surface. The rock mass of the upper and lower parts of LS3319 reveals different deformation characteristics; the stress will be concentrated in the upper part firstly and then unloading and relaxation during the excavation surface bench down. Below E.L.630 m， the shear deformation will also occur due to the influence of dislocation interface LS331， rock mass of the upper part of LS331 will behave as relaxation at the same time. The shear deformation of the dislocation interface mainly occurs during the excavation and exposure process of dam foundation surface and the magnitude of the shear deformation mainly is controlled by in-situ stress conditions， mechanical parameters and occurrence of dislocation interface.

Key words： arch dam foundation; shear deformation; dislocation interface; deformation mechanism; Baihetan Hydropower Station

我國西南地區(qū)在近年來有不少大中型水電站項(xiàng)目在建或完建，該地區(qū)地形地貌的特殊性以及受青藏高原近百萬年來持續(xù)隆升的影響，在內(nèi)外動力地質(zhì)作用下，河谷下切深度較大[1]。在深切河谷中修建200～300 m級的高壩，對壩基巖體質(zhì)量的要求非常高，不可避免對邊坡開挖，使壩基巖體質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)面、斷層發(fā)育，地應(yīng)力量值水平高，壩基邊坡在開挖后應(yīng)力重新分布，在自重和構(gòu)造應(yīng)力作用下，沿緩傾結(jié)構(gòu)面發(fā)生局部和整體變形，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，從而嚴(yán)重影響工程進(jìn)度、威脅人員安全，因此研究緩傾結(jié)構(gòu)面對高陡邊坡變形的影響機(jī)制，及時(shí)消除邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生的潛在危害意義重大，又可為邊坡失穩(wěn)預(yù)測和加固措施的擬定提供參考依據(jù)。

隨著工程地質(zhì)學(xué)科計(jì)算理論以及計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性分析從最早的基本地質(zhì)力學(xué)模式分析邊坡破壞[2]，到采用土力學(xué)的極限平衡理論開展穩(wěn)定分析和失穩(wěn)預(yù)測，再到采用有限元、有限差分、離散元等數(shù)值分析手段對邊坡變形和破壞過程的全過程仿真[3-7]，使工程地質(zhì)分析和近代巖石力學(xué)理論緊密結(jié)合在一起。數(shù)值分析手段可以再現(xiàn)邊坡破壞過程、內(nèi)部作用機(jī)制、邊坡變形機(jī)理，從而了解邊坡穩(wěn)定的發(fā)展過程。沈華章等[8]、李寧等[9]、宋勝武等[10]對有關(guān)高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，指出了潛在的滑裂面，并提出了相關(guān)的加固措施;徐衛(wèi)亞等[11]通過反分析得到巖體計(jì)算參數(shù)，研究了順層巖質(zhì)高邊坡的滑塌成因和加固處理措施;徐奴文等[12]采用數(shù)值模擬與微震監(jiān)測方法研究了卸荷作用下順層巖質(zhì)邊坡的破壞機(jī)制。有限元法受有限元網(wǎng)格的制約，一般采用簡化假設(shè)理論來研究變形機(jī)理，當(dāng)邊坡存在斷層、層間層內(nèi)錯動帶、節(jié)理裂隙等不利地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，有限元方法不能很好地反映沿結(jié)構(gòu)面的不連續(xù)變形特征，而離散元方法可以較為真實(shí)地反映不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的變形機(jī)制。

針對白鶴灘水電站左岸壩基在開挖過程中出現(xiàn)的邊坡變形響應(yīng)，本文基于壩基地質(zhì)條件和監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用離散元軟件UDEC/3DEC對壩基630 m高程以上的剪切變形機(jī)理進(jìn)行研究，再現(xiàn)壩基邊坡開挖至630 m高程時(shí)緩傾坡外的層內(nèi)錯動帶LS3319的剪切變形特征，并對壩基后續(xù)開挖過程中的響應(yīng)特征進(jìn)行了預(yù)測，以期為制定壩基工程處理措施提供參考。

1?工程概況

白鶴灘水電站位于四川省寧南縣與云南省巧家縣交界處的金沙江下游，設(shè)計(jì)正常蓄水位為825 m，壩頂高程為834 m，混凝土雙曲拱壩壩高289 m。壩區(qū)地層為單斜構(gòu)造，左岸屬于斜順向坡，巖層產(chǎn)狀為傾向南偏東40°～50°，傾角為15°～20°，傾向上游偏右岸，巖層走向與河流流向約45°斜交，巖層產(chǎn)狀對左岸邊坡穩(wěn)定較為不利，其中發(fā)育于玄武巖巖層中的層間（內(nèi)）錯動帶產(chǎn)狀與巖層產(chǎn)狀基本一致，且性狀較差，在壩基邊坡670 m高程以下出露的柱狀節(jié)理玄武巖、錯動帶是邊坡穩(wěn)定的控制性因素。左岸壩基邊坡以構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力為10 MPa，靠近河床部位受應(yīng)力集中帶影響，初始地應(yīng)力呈增大趨勢。壩基開挖面的水平和垂直埋深為30～250 m，在緩傾坡外的層內(nèi)錯動帶與各向異性特征明顯的柱狀節(jié)理玄武巖共同影響下，拱壩基礎(chǔ)開挖具有較大難度。

2?左岸壩基開挖響應(yīng)特征

左岸壩基邊坡于2014年8月開挖出露F17斷層;2014年11月14日開挖至660 m高程，壩基開挖面開始出露緩傾坡外的層內(nèi)錯動帶LS3319;2014年12月28日開挖至628 m高程，層內(nèi)錯動帶LS3319基本在開挖面完全出露，其上盤巖體已基本臨空。壩基自660 m高程開挖至628 m高程期間，660 m高程以上已開挖邊坡內(nèi)的陡傾角斷層F17局部產(chǎn)生了張開裂縫，裂縫寬度為20～50 mm;WLM2#帷幕洞、PSL2#排水洞（655 m高程）與緩傾坡外的層內(nèi)錯動帶LS3319交切位置的洞壁噴層均產(chǎn)生不同量級的開裂，上下盤巖體出現(xiàn)不連續(xù)變形特征，在壩基面上層內(nèi)錯動帶LS3319上盤巖體局部位置產(chǎn)生了鼓脹變形?，F(xiàn)場變形監(jiān)測數(shù)據(jù)表明沿層內(nèi)錯動帶LS3319的最大剪切位移約為8 mm（見圖1）。

在左岸壩基邊坡出現(xiàn)明顯變形響應(yīng)特征前后，在650～660 m高程區(qū)域?qū)χ鶢罟?jié)理玄武巖進(jìn)行聲波監(jiān)測。結(jié)果表明：①開挖后柱狀節(jié)理玄武巖的松弛深度為1.5～2.0 m，開挖半個月后增大到3.0～4.0 m，并具備突變特征，最終達(dá)到穩(wěn)定的松弛深度;②從空間分布上看，LS3319上盤巖體松弛深度相對更大，松弛深度為2.9～3.4 m，而LS3319下盤巖體的松弛深度僅為0.5～0.8 m;③錨桿支護(hù)對松弛深度的控制有一些作用，但當(dāng)開挖完成后的30～40 d，甚至半年后松弛深度均不再增加，聲波測試成果也顯示松弛程度沒有明顯變化，即松弛區(qū)的波速隨時(shí)間沒有出現(xiàn)明顯的降低。

3?離散元數(shù)值分析模型

3.1?力學(xué)參數(shù)

柱狀節(jié)理玄武巖在壩基巖體中十分少見，備受當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。石安池等[13]對影響柱狀節(jié)理玄武巖巖體變形的因素和變形各向異性的原因作了工程介紹和解釋說明;徐衛(wèi)亞等[14]、孟國濤[15]、鄭文棠[16]采用數(shù)值方法深入研究了白鶴灘水電站柱狀節(jié)理巖體本構(gòu)關(guān)系、參數(shù)取值等，分析了巖體開挖卸荷后的松弛特性。從白鶴灘水電站左岸壩基邊坡開挖過程中的實(shí)際響應(yīng)特征來看，巖體發(fā)育的傾向坡外的緩傾層內(nèi)錯動帶是影響邊坡開挖卸荷變形的控制性影響因素。因此，本文在數(shù)值分析中未考慮柱狀節(jié)理的各向異性特征，按照巖體質(zhì)量分級，將壩基的玄武巖分為Ⅲ1類和Ⅲ2類。左岸壩基巖體及結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)分別見表1、表2。

3.2?數(shù)值模型

數(shù)值計(jì)算模型見圖2。

二維模型主要用來說明壩基邊坡開挖過程中的變形機(jī)理，三維模型主要用于對后續(xù)壩基邊坡開挖響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測。邊坡地表形態(tài)、坡體巖層分區(qū)特性及主要地質(zhì)構(gòu)造等均依據(jù)地質(zhì)勘測資料進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析LS3319、LS331等典型錯動帶的變形及穩(wěn)定問題，對壩基邊坡開挖過程進(jìn)行仿真，每個開挖步的開挖梯段高程為10～30 m。數(shù)值模型計(jì)算中考慮了層間錯動帶C3、C3-1和層內(nèi)錯動帶LS331、LS337、LS3318、LS3319以及斷層F14、F16、F17。

3.3?初始地應(yīng)力

根據(jù)地質(zhì)資料和相關(guān)研究成果[17-19]，白鶴灘左岸壩基水平深度30～200 m、垂直埋深40～250 m。左岸第一主應(yīng)力為8.0～11.0 MPa，方向?yàn)楸逼?0°，平均傾角15°;第二主應(yīng)力為7.0～9.0 MPa，方向?yàn)楸逼珫|15°，傾角為48°;第三主應(yīng)力為3.0～8.0 MPa，方向?yàn)楸逼珫|74°，以中緩傾角為主，初始地應(yīng)力為低-中等應(yīng)力，河谷區(qū)域存在一定的應(yīng)力集中。數(shù)值模型初始地應(yīng)力分布特征見圖3。

4?左岸邊坡變形機(jī)理

4.1?邊坡變形數(shù)值分析

白鶴灘拱壩左岸壩基從880.0 m高程開挖至630.0 m高程，水平開挖深度超過180 m。巖體變形和應(yīng)力調(diào)整較為明顯，為反映壩基不同高程部位變形的差異，將開挖過程分為兩個典型梯段進(jìn)行分析。

（1）880.0～680.0 m高程開挖梯段。在開挖過程中，壩基面逐漸揭露緩傾的層間錯動帶（如C3、C3-1以及陡傾斷層F17）。680.0 m高程以上壩基地應(yīng)力相對較小，巖體變形主要是卸荷回彈，變形量小，垂直位移分量為20～40 mm，水平位移分量小于10 mm，與現(xiàn)場實(shí)際開挖響應(yīng)情況基本一致。

（2）680.0～630.0 m高程開挖梯段。開挖過程中逐漸在壩基面揭露層內(nèi)錯動帶LS3319，壩基以水平方向上的卸載回彈為主，導(dǎo)致上盤巖體的變形主要指向坡外，即以水平向變形為主，水平變形約10 mm，LS3319邊坡出露位置的巖體變形超過20 mm。位移矢量清楚地揭示了層內(nèi)錯動帶LS3319影響部位壩基的變形方向的變化情況（見圖4）。自700.0 m至660.0 m高程開挖過程中，左岸壩基變形方向基本垂直于開挖面，且LS3319上下盤巖體變形是連續(xù)的;當(dāng)壩基開挖至650.0、630.0 m高程時(shí)，LS3319下盤巖體變形仍然垂直于開挖面，但LS3319上盤巖體變形矢量逐漸指向河谷方向、近乎平行于開挖剖面，即水平向分量隨著開挖高程的降低逐漸增大。

建基面巖體應(yīng)力隨開挖過程的變化情況見圖5。

位于LS3319上盤巖體的監(jiān)測點(diǎn)B，在壩基開挖至660.0 m高程時(shí)，最大主應(yīng)力從3.0 MPa變?yōu)?.0 MPa，即LS3319暴露在開挖面上之前呈現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;當(dāng)LS3319完全在開挖面出露后，B點(diǎn)最主大應(yīng)力從6.0 MPa變?yōu)?.5 MPa，最小主應(yīng)力持續(xù)減小，應(yīng)力狀態(tài)以松弛卸載為特征。LS3319下盤巖體應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)A點(diǎn)在開挖過程中最大、最小主應(yīng)力逐漸減小，與一般的開挖卸荷松弛特征一致，相比B點(diǎn)沒有經(jīng)歷明顯的應(yīng)力集中過程。

LS3319的剪切變形隨開挖過程的變化特征見圖6。LS3319的剪切變形主要發(fā)生在壩基自660.0 m到640.0 m的開挖過程中，后續(xù)開挖導(dǎo)致的LS3319剪切變形不明顯。計(jì)算得到的最大剪切變形約為25 mm，排水洞位置的剪切變形約為12 mm，該值與WLM2#帷幕洞中監(jiān)測得到的剪切變形（10 mm）接近。

4.2?邊坡變形機(jī)理

順坡向緩傾層間和層內(nèi)錯動帶在開挖面坡腳部位出露前后，會對坡腳局部應(yīng)力場產(chǎn)生較明顯的影響，其上下盤巖體表現(xiàn)出不同的變形特征。從應(yīng)力調(diào)整角度看，錯動帶上盤部分巖體首先出現(xiàn)應(yīng)力增大或集中現(xiàn)象，隨著開挖面下移直至錯動帶出露，又出現(xiàn)開挖卸荷引起的巖體松弛，因此下盤巖體的應(yīng)力調(diào)整程度不如上盤顯著。從變形發(fā)展趨勢看，層間和層內(nèi)錯動帶的剪切錯動變形主要發(fā)生在錯動帶壩基面開挖揭露過程中，錯動變形大小主要受賦存地應(yīng)力條件、結(jié)構(gòu)面參數(shù)和產(chǎn)狀等因素控制。

左岸壩基在680.0～630.0 m高程梯段開挖階段，LS3319附近的變形出現(xiàn)明顯差異，原因在于：①當(dāng)邊坡開挖至660.0 m高程時(shí)，在LS3319上盤與壩基開挖面之間4～9 m厚度巖體形成了一定程度的應(yīng)力集中，薄層巖體中的應(yīng)變能逐漸增大，巖體產(chǎn)生擴(kuò)容出現(xiàn)裂縫，從而引起坡面噴混凝土的鼓脹變形，并且沿LS3319開始出現(xiàn)剪切變形;②邊坡開挖至630 m高程時(shí)，LS3319完全暴露在開挖面上，LS3319上盤與壩基開挖面之間4～9 m厚度的薄層巖體完全臨空，表現(xiàn)出明顯的松弛特征;③在整個開挖過程中，LS3319上盤和下盤巖體變形表現(xiàn)出完全不同的響應(yīng)特征，受開挖過程約束條件改變的影響，LS3319上盤巖體經(jīng)歷了應(yīng)力集中至卸荷松弛過程，而下盤巖體以卸荷回彈變形為主，從而導(dǎo)致LS3319的變形呈現(xiàn)出明顯的剪切錯動現(xiàn)象。

4.3?后續(xù)開挖響應(yīng)

壩基邊坡開挖完成后以向臨空面的變形為主，在680 m高程以下部位，壩基邊坡受LS3319、LS331等緩傾層內(nèi)錯動帶影響，橫河向水平變形比上部坡體更加明顯，累計(jì)變形為20～30 mm，層內(nèi)錯動帶影響位置的變形為30～50 mm。LS331剪切變形主要發(fā)生在570 m高程以下的開挖過程中，最大剪切變形約為35 mm，位于坡腳開挖面的中間部位，剪切變形大于20 mm的深度約為40 m。邊坡坡腳開挖卸荷后，受上下游側(cè)邊界三維約束影響，坡腳部位LS331上盤巖體的應(yīng)力松弛并不明顯，松弛現(xiàn)象僅發(fā)生在淺表層區(qū)域，最大主應(yīng)力仍維持在2～5 MPa。隨著LS331在開挖面揭露，LS331上盤淺層巖體出現(xiàn)塑性屈服，深度為3～7 m。

5?結(jié)?論

（1） 白鶴灘左岸壩基邊坡中上部880～680 m高程梯段開挖巖體以垂直向卸荷回彈變形為主;邊坡中下部680～630 m高程梯段開挖時(shí)，巖體開始出現(xiàn)水平卸荷，680 m高程以下部位受LS3319影響產(chǎn)生了較明顯的水平向變形，LS3319上盤巖體表現(xiàn)出典型的卸荷松弛變形;邊坡坡腳630 m高程以下梯段開挖時(shí)，水平應(yīng)力卸荷作用占主導(dǎo)地位。

（2） 左岸壩基邊坡變形受緩傾層間和層內(nèi)錯動帶控制性特征明顯，其中：C3-1的性狀較差，剪切變形主要發(fā)生在邊坡880～680 m高程開挖階段，后續(xù)變形跡象不明顯;層內(nèi)錯動帶LS3319最大剪切變形約為25 mm，主要發(fā)生在660～630 m高程開挖過程中。

（3） 左岸壩基巖體變形包括巖體的卸荷回彈變形和沿緩傾結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的剪切變形，層內(nèi)錯動帶LS3319產(chǎn)生剪切變形的原因是地應(yīng)力相對較大、錯動帶性狀較差、傾角較陡、上盤巖體較薄，在開挖前后分別經(jīng)歷了應(yīng)力集中和松弛過程，從而產(chǎn)生屈服，這與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和巖體實(shí)際開挖響應(yīng)情況一致。

（4）630 m高程至河床壩基范圍LS331上盤巖體開挖臨空后，易松弛回彈，近開挖面一定范圍可能出現(xiàn)沿錯動帶LS331的剪切變形。

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