电子论文-联补水电站闸坝左岸山体整体稳定性研究.pdf

联 补 水 电 站 闸 坝 左 岸 山 体 整 体 稳 定 性 研 究 黄 维, 任 奎 ( 华东 勘测设 计研 究院, 浙江 杭州 310014) 摘 要: 联补水电站施工过程中, 左岸山体崩坡积层出现裂缝. 通过对地表裂缝发育特征的分析, 发现裂缝均为拉张性 质, 表现出典型的土体蠕变特征, 各部位裂缝成因略有差别. 通过地表以及深层变形监测数据分析, 并采用离散元模拟 左岸山体斜坡变形失稳的全过程等, 提出了左岸山体整体稳定、 无明显的整体变形破坏迹象的重要结论, 为工程设计及 枢纽安全运行提供了依据. 关键词: 联补水电站; 闸坝; 左岸山体; 整体稳定性 中图分类号:TU 457 文献标志码:A 文章编号:1008 - 536X(2009)02-0001-06 Research on Overall Stability of Left Bank H illy Region in Lianbu Hydropower Station HUANG W ei , REN K ui ( Survey and Design Institu te of E astern C hina, H angzhou 310014, C hina) Abstract :The colluv iumof left bank h illyregion crackedinthe cons tructionof L ianbu H ydropower S ta tion, wh ich a re proved betension cracks because of d ifferent reasons in d ifferen t reg ions based onthe ana lysis on crack g row th of ea rthsu rface . The paper draw s the con- clusiontha t thereis no deform ing phenom enonas a wholeinleft bank h illy reg ion a fter ana lysing the m onitoring da ta of su rface and un- derground deform a tion by g lid ing s im u la tion on d iscrete m ode . K ey w ord s :L ianbu H ydropower S ta tion; p ier ; h illy reg ion of left bank; overa ll stability 0 引 言 联补水电站是一座以发电为主的低闸高水头引水 式电站, 坝址位于凉山州布拖县联补乡附近的西溪河 峡谷段. 电站正常蓄水位1 674 .00 m, 总装机130 MW. 闸坝顶高程1 676 m, 最大闸坝高27 m, 坝顶全长138 .5 m. 联补水电站为等工程, 挡水闸坝为3 级建筑物, 闸坝左岸边坡为枢纽工程区级边坡. 联补水电站工程2004 年年初开工.2005 年1 月, 闸址的导流洞施工时出口段塌方后未及时按设计要求 进行支护及过坝公路开始施工后, 从8 月份开始在联 补闸址左岸高程1 750 m 左右崩坡积层较陡坡处发现 有多条裂缝, 裂缝分布的面积约有22 800 m 2 , 在地面 形成圈椅状, 其裂缝有继续扩大、 延伸的趋势. 对于上述拉裂缝的成因主要有以下认识:( 1)由 于开挖边坡较陡, 浅表层松散堆积体变形所致;(2)更 ? 收稿日 期:2009-03-17 作者简 介: 黄 维 ( 1970 - ) , 男, 浙 江诸暨 人, 高级 工程师 、 一 级注 册 结构 工程师 . 从 事水 工结构 设计 工作. 大范围基岩滑坡所致 ( 可能涉及整个左岸山体 ) . 由于导流洞、 坝肩等重要建筑物位于左岸山体, 其 整体稳定性将对枢纽建筑物安全产生重大影响. 因此, 有必要对裂缝成因和左岸山体稳定性进行研究, 为工 程设计及枢纽安全运行提供依据. 1 左岸山体地形地质条件简述 联补水电站坝 ( 闸 ) 址区位于西溪河峡谷河段内, 坝 ( 闸 ) 址区河谷深切, 以“ U” 型纵向河谷为主, 河床高 程1 650 .4 1 657 .5 m, 坝址区左岸地形呈二级阶梯 状, 坡顶高程1 894 1 906 m, 坡顶至1 720 m 平台为陡 坡, 高程1 770 m 至1 720 m平台自然坡度为25 36 , 高程1 770 m 至坡顶自然坡度平均为47 , 高程1 720 m 平台宽 80 90 m, 以崩 坡堆 积地 貌为 主, 堆 积体 厚 16. 329 .46 m. 堆积体平面上呈规则的椭圆形展布, 纵向短而横向略宽. 分布面积约30 000 m 2 , 堆积体体 积约为45 万 m 3 . 堆积体前、 后缘及侧缘均出露基岩, 边界条件比较清晰.1 720 m 平台以下自然坡度为35 40 , 地表以崩坡堆积地貌为主, 施工开挖后平台以 第21 卷 第2 期浙江水利水电专科学校学报V ol .21 N o .2 2009 年6 月J.Zhejiang W at.C ons (2)从空间分布看, 绝大部分裂缝都分布在堆积 土体的前、 后、 侧缘, 在土体中部很少有分布, 土体外基 岩部分未发现变形迹象; (3)从裂缝形态看, 裂缝均为上宽下窄的“ V”字 型, 且大多数裂缝都有较大下错位移; (4)从裂缝成因看, 所有裂缝均为拉张裂缝; (5)从发育深度看, 根据探槽揭露, 裂缝发育尖灭 于基覆界面以上, 下伏基岩无变形迹象. 若与2005 年12 月所调查裂缝对比分析, 可以得 出下面几点结论: (1)与早期相比, 坡体前缘堆积体中出现大量新 裂缝; (2)格构梁后部、 导流洞出口上部土体中裂缝数 量有所增多; (3)在堆积体后缘, 圈椅状裂缝变形不大, 基本保 持原来状态, 后缘裂缝仍没有形成贯通局势; (4)大部分裂缝 ( 主要分布于导流洞上方部位 ) 在 原有基础上发育, 错距略有增大, 长度略有延长. 综上所述, 左岸边坡上覆土体在前期变形完成后, 已经消耗很大能量, 裂缝在历经半年时间后总体变形 不大, 整体在天然状况下处于基本稳定状态, 仅发生缓 慢变形, 尤其是1 720 m 平台以上堆积体后缘部位变 形很小; 变形主要集中于土体相对比较松散、 堆积坡度 较陡和受施工扰动程度较大部位, 如导流洞出口上部 边坡及前缘松散土体部位. 2 .2 地表裂缝成因 坝址左岸松散堆积体表面发育的裂缝均为拉张性 质, 裂缝上宽下窄且从前缘向后逐步扩展, 表现出典型 的土体蠕变特征. 这从探槽中未见基岩变形迹象得到 证实. 各部位裂缝成因略有差别, 具体见表1 . 表1 地表裂缝成因机制分析 组号分 布 位 置成 因 高程1 735 1 755 m, 堆 积体后 缘靠 北侧上覆 土体 向前缘 及下 游发生 蠕动变 形, 由此 导致土 体后 缘上游 侧基 覆交界 处产 生拉裂 缝 高程1 720 1 725 m, 格 构梁北 侧上 部格构 梁施 工开挖 , 导 致开 挖后缘 部位 表层土 体失去 支撑 力, 在重 力作用 下失稳 , 向开挖 方 向产 生拉 裂变形 高程1 755 1 775 m 附 近, 堆积 体后缘土体 沿前 缘和下 游蠕 滑变形 , 导 致土 体沿基 岩面拉 张 高程1 705 1 742 m, 导 流洞出 口上 部边坡导流 洞出 口处边 坡开 挖放坡 过陡, 加 上水的 作用使 得上 部堆积 土体 不能自 稳发 生大面 积 垮塌 . 后 部、 上部 土体 失去支 撑也随 之变 形, 并生成 大量 拉裂缝 高程1 720 m 附近, 堆 积体与 前缘 基岩交 界斜坡 土体 下错, 沿基 岩面 拉张 高程1 695 m 附近, 前 缘陡坡 上覆 土体基坑 开挖 , 导 致坡脚 崩坡 积土体 临空 , 产 生整体 下坐 , 后 缘形成 拉张 裂缝 高程1 660 m 附近, 公 路外侧土体 沿北 西向拉 张形 成裂缝 坝址基 坑上 部, 公路外 侧公路 及开 挖土体 就地 堆积, 土体 结构 松散, 下 部临 空, 坡 度 较陡 , 很容 易 在 重力 作 用 发 生 蠕变 , 产 生平 行于坡 体走 向拉裂 缝 3 变形观测分析 3 .1 地表变形监测 自2006 年5 月3 日开始观测地表变形, 变形观测 内容包括日常平面监测、 高程监测及地表明显裂缝现 场量测; 在左岸山体地表共布置9 个变形观测点( 6 个 基墩、 3 个简易点 ) , 编号依次为 E 1 E9 . 在作业天气 的允许下, 采用不间断的方式对左岸山体进行观测, 根 据变形- 时间关系曲线分析可以得出以下几点结论: (1)在非雨季时各观测点沿 X、 Y、 Z 方向的变形 一般均在- 4 +4 mm 之间摆动, 偶尔达到5 6 mm. 总体上, 各观测点变形量均较小,5 6 月份1 720 m 平 台地表未发生变形. (2)在7 月份进入雨季时,7 月上旬受强降水影 响, 高程1 720 m 平台的覆盖层变形明显, 近河床前缘 变形量较高程1 720 m 平台后缘大, 最大变形量累积 达225 m m ( E8 点 Y 方向 ) , 而处在变形区外的观测点 E1 、 E 2 及探槽TC 1 基岩上的E9 点变形不明显. 第2 期黄 维等: 联补水电站闸坝左岸山体整体稳定性研究3 (3)根据 各变 形观测 点 的变 形方 向分 析, 高 程 1 720 m 平台和上的覆盖层主变形方向为S44 WS62 W. 3 .2 岩 ( 土) 体深层水平位移观测成果 在左岸山体中布置10 个岩土体深层水平位移观 测点, 见图3 , 其监测成果见表2 . 表2 坝址左岸山体深层水平位移监测成果表 测点 孔 口高 程 / m 测 孔最 大 深度/ m 初 测时间 最 近一次 临 测时间 最 大位移 深度/ m 突变 点 深度/ m 最大 水平 位 移值/ mm 位移趋 势 Z21 707 .4257 .06 月2 日8 月15 日19 .0不明 显3 .47左右晃 动 Z31 726 .3799 .06 月1 日6 月29 日36 .03 .08被 破坏 Z51 715 .1972 .07 月1 日7 月16 日9 .09 .055 .96向河倾 斜 Z61 732 .9288 .06 月10 日7 月14 日1 .013 .080 .24向河倾 斜 Z81 665 .4556 .06 月4 日8 月15 日2 .0不明 显8 .95左右晃 动 Z91 717 .5222 .06 月5 日8 月15 日1 .0不明 显49 .65向河倾 斜 Z111 657 .4543 .06 月2 日8 月15 日19 .0不明 显10 .22左右晃 动 Z131 734 .1756 .06 月30 日8 月15 日4 .0不明 显8 .99左右晃 动 Z171 719 .8196 .07 月1 日7 月16 日18 .018 .087 .18向河倾 斜 Z1842 .07 月8 日7 月9 日1 .03 .90向河倾 斜 图3 坝址左岸裂缝、 变形观测点及孔平面位置图 根据深层水平位移监测成果表分析, 可以得出以 下几条结论: (1)在高程1 720 m 平台上覆盖层上的钻孔内测 斜率变形量较大, 多数超出监测上限, 位移趋势多向河 床倾斜, 但变形多在钻孔揭露的覆盖层内, 基岩内变形 不明显; (2)在高程1 720 m 平台上孔内监测数据表明, 平 台上前缘覆盖层内的最大水平位移量多数大于后缘孔 内测得的, 其变形趋势基本上与地表变形监测基本一 致; (3)根据基岩内可监测钻孔的数据表明在地表覆 盖层明显变形的情形下, 基岩内的位移曲线均没有揭 4 浙江水利水电专科学校学报第21 卷 示出一明显变形拐点, 即1 720 m 平台以上堆积体下 伏基岩在目前的监测时间内比较稳定, 没有明显的位 移. 4 离散元模拟分析 岸坡 结 构是 控 制 岸 坡变 形 破 坏 的重 要 条 件 之 一 1 , 联补水电站左岸山体谷坡地带为典型的中倾内 反向层状岸坡, 其可能的变形破坏模式以崩塌为主. 单 从岸坡结构类型来说, 左岸山体不具备发生大规模滑 坡的基本条件. 4 .1 软弱泥岩变形破坏机制 由于泥岩具有显著的流变特性, 且遇水易软化, 其 工程地质性质较差. 泥岩作为软弱基座, 常成为边坡变 形破坏的控制性因素, 不仅控制边坡的变形破坏方式, 而且控制变形破坏规模. 由于须家河组由砂岩、 泥页岩不等厚互层构成, 左 岸山体T3x地层中的泥页岩 ( 特别是炭质页岩、 煤层 ) 有 可能构成软弱基座, 从而改变岸坡的变形破坏模式并 影响岸坡的稳定性. 当坡脚附近分布厚层软弱岩层时, 亦不排除发生一定规模滑坡的可能性. 因无法度量不 同厚度软弱基座的影响程度, 在随后的离散元模拟中, 将对软弱基座的影响进行分析. 4 .2 计算模型的建立 离散元法特别适用于节理岩体的应力分析 2 - 5 , 本次数值模拟的主要对象是左坝肩岩体的历史演化过 程, 思路是: 恢复岩体变形破坏前的原始坡形, 模拟在 河流切割、 降雨等因素的作用下, 斜坡的演化规律, 再 现斜坡变形失稳的全过程. 离散元模拟西溪河下切至1 700 m 高程时, 边坡 的变形破坏过程, 根据坝区地形地貌和模拟的可操作 性, 河流采取一次下切完成. 考虑坝区左岸主要发育反 倾高陡直坡形, 模型假设原始坡面为直线型单斜坡, 倾 角70 . 模型底边高程为1 600 m, 坡顶高程为1 890 m, 模型三边约束. 4 .3 模拟结果分析 模拟结果表明, 当泥岩 =20 或15 时构不成软弱 基座, 边坡变形破坏主要受边坡结构类型控制, 边坡整 体稳定性较好. 当泥岩 = 10 时将构成软弱基座, 边 坡变形破坏主要受软弱基座控制, 临江边坡整体稳定 性较差, 出现较大规模的变形破坏. 但其破坏范围小于 现今1 720 m 平台分布范围, 故将泥岩参数进一步降 到 =5 进行模拟. 模拟结果显示: 当泥岩=5 时, 软弱基座效应非 常显著. 处于“ 岩盆 ”内的泥岩同时发生压缩变形和塑 流变形, 导致上部岩体产生自坡面向内其值递减的不 均匀沉陷, 岩体拉裂, 并同时向临空面转动和倾倒. 由 于基座仅在坡面附近以水平剪切塑流变形为主, 而坡 内软层则以垂向变形量 ( 压缩变形) 为主, 因此坡体的 变形并没有向蠕滑-拉裂方式转化而形成滑坡, 主要 破坏方式表现为崩塌伴随局部小规模坍滑. 变形破坏演化最终结果显示, 边坡失稳堆积体顶 面高程在1 850 m 左右, 远高于现今堆积体顶面高程. 这除了与堆积体后期变形破坏有关外, 还与模拟控制 有关. 由于整个模拟过程是连续无间断的, 先期崩塌堆 积体全部停积在坡脚, 后期崩塌堆积体只能向上叠加, 致使堆积高度不断加大. 事实上, 西溪河洪水可以将每 次崩塌堆积体的一部分携带走, 不可能形成模拟结果 显示的堆积特征. 图4 =20 时斜坡变形破坏模拟结果 图5 = 5 时斜坡变形破坏模拟结果图 由于原始斜坡失稳是由于坡脚出露一厚层泥岩, 在河水的长期浸泡和上部高陡斜坡岩体的重力作用 下, 泥岩强度急剧降低, 甚至呈塑性挤出, 为边坡岩体 产生下挫变形提供临空条件. 坡体下沉变形量由外向 内逐步减小, 因而岩体沿陡倾节理面向坡外发生转动, 最终主要以崩塌伴随局部小规模坍滑形式失稳. 随着 崩塌破坏不断向山内扩展, 坡脚出露的厚层泥岩埋深 逐步增大, 软弱基座效应渐渐消失,1 720 m 平台以上 第2 期黄 维等: 联补水电站闸坝左岸山体整体稳定性研究5 边坡岩体最终趋于稳定状态. 5 整体稳定性评价 对于坝址左岸边坡而言,1 720 m 平台以下边坡是 否存在深层基岩滑坡对工程影响重大. 根据野外工程 地质详细调查和工程地质分析, 可以认为不存在深层 滑动问题. (1)联补坝址左岸山体谷坡地带为典型的中倾内 反向层状岸坡, 其可能的变形破坏模式以崩塌为主. 单 从岸坡结构类型来说, 左岸山体不具备发生大范围巨 型滑坡的基本条件. (2)从现场实测的西溪河向斜横剖面来看, 西溪 河向斜地层连续, 没有任何大范围破坏或变形的迹象; 1 720 m 平台上游到下游, 地层连续, 无断开现象, 未发 现滑坡侧缘边界; 因此, 不存在左岸整个山体下挫的可 能, 也就是说左岸山体整体是稳定的. (3)从变形监测数据分析及现今1 720 m 平台地 表变形破坏迹象上看, 左岸目前的变形现象局限于早 期古崩滑体残留体因工程扰动出现的表部蠕滑拉裂和 基岩浅表部破坏,1 720 m 平台基覆界面以上堆积体地 表裂缝没有延伸至下部基岩. (4)通过对钻孔测斜资料分析,1 720 m 平台以上 堆积体在监测时间内监测明显的位移点仅在覆盖层以 内, 覆盖层以下基岩没有变形拐点, 左岸边坡深部基岩 变形不明显. 说明上部覆盖层与下部基岩并未同步运 动. (5)坡体前缘钻孔接触基岩后, 没有发现基岩覆 盖于河床相物质之上现象, 表面基岩没有挤出现象. 钻 孔施工过程中也未发现厚度较大的松散岩带, 各孔间 岩层层位基本对应. (6)由于须家河组由砂泥岩不等厚互层构成, 垂 直层面或与层面大角度相交的结构面发育, 这组结构 面近南北走向, 当地形突出且坡脚为泥岩或凹岸坡脚 被淘空时均可能发生崩塌或崩滑失稳. 离散元模拟结 果也表明,1 700 m 高程以上软弱泥岩厚度较大, 加之 岸坡高度达180 m 以上, 岸坡变形破坏比较严重, 历史 上产生过较大规模崩塌破坏. 左岸1 720 m 平台上的 堆积体的成因应属此机制. 综上所述, 研究区内基岩结构面比较发育, 岩