溪洛渡電站巖體卸荷回彈工程地質(zhì)特征初步分析

1、溪洛渡水電站巖體卸荷回彈的工程地質(zhì)特征初步分析摘要：溪洛渡在建的特大型水電樞紐工程區(qū)處于高陡邊坡河段，受構(gòu)造應(yīng)力和卸荷回彈作用的影響，邊坡 巖體垂直、水平卸荷張裂面相當(dāng)發(fā)育.通過對壩址區(qū)的地質(zhì)調(diào)研，初步論證了卸荷節(jié)理裂隙產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)制 和一般規(guī)律,進(jìn)而提出壩址齒槽開挖形成臨空面后地應(yīng)力釋放產(chǎn)生卸荷回彈，巖體沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生向河床方向 位移的可能性。地下廠房三大洞室高邊墻開挖后在地應(yīng)力作用下沿結(jié)構(gòu)面向臨空面方向卸荷回彈引起的圍 巖穩(wěn)定問題，同時探討了該類高邊坡的穩(wěn)定性以及對高邊坡進(jìn)出水口段的開挖支護(hù)形式.關(guān)鍵詞：卸荷回彈巖體結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定1 前言溪洛渡水電站是我國目前僅次于三峽電站的特大型水力工程，位

2、于金沙江下游云南省永善縣與四川省 雷波縣相接壤的溪洛渡峽谷段。溪洛渡水電站以發(fā)電為主，兼有防洪,攔沙和改善下游條件等綜合效應(yīng)；開 發(fā)目的是實施“西電東送”，滿足華東，華中經(jīng)濟(jì)發(fā)展的用電需求，并配合三峽工程提高對長江下游的防洪 能力，充分發(fā)揮三峽工程的綜合效益。溪洛渡水電站總裝機(jī)容量1260萬千瓦，壩高278m，水庫正常蓄水位 600m，相應(yīng)庫容115.7億m3,防洪庫容46.5億m3.地質(zhì)背景2.1地形地貌Biit淋埋瞥歐瞬翩際宜期壩址區(qū)受鹽津、馬邊活動大斷裂構(gòu)造應(yīng)力作用影響，形成雷波永善構(gòu)造盆地一永盛向斜.壩址區(qū)系一 總體傾向南東的似層狀玄武巖組成的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀順流向上游呈陡緩相間的平

3、緩褶曲.金沙江以NW 一SE向流經(jīng)壩區(qū)，河道順直，谷坡陡峻，山體雄厚，枯水期水位360m，相對江面寬70110m；正常蓄水位600m 時，相對江面寬500535m。河谷斷面對稱成” U”字型展布，岸邊420560m高程段為7075。的陡壁； 560600m高程段為50。左右的斜坡，600m段高程以上為7080。的陡壁；兩岸谷肩高程860米以上主要 為第四系冰水堆積物和沖洪積物組成的河流階 地，寬闊平緩，傾向江心。見地形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)示 意圖（圖1）：根據(jù)地貌特征分析，金沙江峽谷形成主要經(jīng) 歷了新構(gòu)造運(yùn)動兩個階段:從Q2末期到Q3中期， 此區(qū)地殼抬升速率較為緩慢，金沙江從海拔N 2000m下切到86

4、0m以后地殼趨于下降，形成兩岸 對稱階地，并堆積了第四系沖洪積物；Q3末期地 殼抬升速率急劇增大，河谷快速下從而形成“U” 型峽谷地貌。地層巖性壩址區(qū)河床及兩岸基巖均由二疊系峨眉山玄武巖（P28 ）組成。二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）灰?guī)r、白云 質(zhì)灰?guī)r等埋深于壩基以下約70m。峨眉山玄武巖為多期噴溢性火山巖流，壩址區(qū)最大厚度520m，共14個噴發(fā)旋回，因而形成14個巖 流層。巖流層厚度一般為2540m，其中第六層（七86）和第十二層（P/眨）的厚度較大，平均厚度分別為 72m和82m，第十層叩頂）和第十一層（P。）厚度最小平均厚度約，厚度相對穩(wěn)定，起伏差小于5m。結(jié)構(gòu)與構(gòu)造玄武巖為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，每層

5、下部為塊狀構(gòu)造，巖性堅硬，彈性模量一般垂直向為2230Gpa，水平向為 1222 Gpa，抗壓強(qiáng)度為120200 Mpa；中部為杏仁狀構(gòu)造，上部為緊閉的柱狀節(jié)理發(fā)育。由于中生代以來多期構(gòu)造運(yùn)動，巖體中形成了較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)體系，根據(jù)區(qū)域構(gòu)造配套分析以 及現(xiàn)場量測，貫穿性結(jié)構(gòu)面以NE向和NW向為主，緩傾角結(jié)構(gòu)面分布較頻繁，平均約1條/10m，傾向SE，走向N3050 E,傾角1020，大多為在原生節(jié)理基礎(chǔ)上經(jīng)構(gòu)造作用改造形成的小斷距緩傾角錯動 帶。非貫穿性節(jié)理主要發(fā)生在各個巖流層中部，工程類型以新鮮的裂隙巖塊型為主，部分為含屑角礫型， 發(fā)育的主要優(yōu)勢方向參數(shù)如表1：表1非貫穿性節(jié)理發(fā)育優(yōu)勢方

6、向參數(shù)表編號平均產(chǎn)狀間距（cm）斷面特征1N3050 W/SW(NE)匕5102530新鮮、粗糙2N4050 E/SEN5102530閉合、無充填3N4050 W/NEN60803035閉合、無充填4N2040 E/NWN50702528粗糙、充填石英5N6080 E/SE(NW)匕658530開裂、粗糙充填蝕變物6EW/S(N)匕60802535閉合、無充填2.4地震烈度與應(yīng)力場本區(qū)地震烈度為伽度，最大地應(yīng)力為1820 Mpa，方向為N6070 W，與壩區(qū)金沙江河谷近于平 行，與岸坡呈1030。夾角，坡腳谷底下部位存在高應(yīng)力區(qū)，最大主應(yīng)力?？梢赃_(dá)到30 Mpa。邊坡巖體卸荷1根據(jù)巖體卸荷強(qiáng)度

7、和壩址區(qū)巖體卸荷形式可分為兩大類：即強(qiáng)卸荷和弱卸荷。強(qiáng)卸荷帶 金沙江兩岸強(qiáng)卸荷帶寬度為510米，巖體風(fēng)化較嚴(yán)重，具明顯松弛特征，一般沿岸邊 平行展布。兩岸多處可見寬度大于2cm的集中卸荷帶，局部產(chǎn)生錯落，大部分張開寬度0.52cm，裂隙內(nèi) 充填巖屑并夾泥質(zhì)成分，巖體呈塊狀、次塊狀，局部呈鑲嵌碎裂狀，聲波波速差別大，一般縱波波速V= P 30005000m/s。弱卸荷帶金沙江兩岸弱卸荷帶寬度分別可達(dá)2040m，巖體較松弛，卸荷帶內(nèi)節(jié)理微張，張開寬 度為1.520cm，裂隙內(nèi)充填巖屑和次生泥膜，局部沿節(jié)理裂隙有滴水、滲水現(xiàn)象。3.1水平卸荷裂隙水平卸荷裂隙在金沙江兩岸分布極其普遍。塊狀玄武巖中由于

8、水平卸 荷裂隙的存在從而表現(xiàn)出類似層積巖的層理特征，但根據(jù)兩岸邊坡開挖觀 察，這種卸荷裂隙一般短小，呈近水平狀，向坡內(nèi)延伸多為10m左右，少 數(shù)大于10m。坡面附近裂隙張開510cm，向內(nèi)緊閉而逐步尖滅，充填有貝 殼狀或光滑斷口狀的石英顆粒，溶蝕較弱。值得注意的是金沙兩岸河床以上的水平卸荷由于地應(yīng)力釋放完成，進(jìn) 一步發(fā)展的可能性較小，但根據(jù)目前我國高邊坡高應(yīng)力區(qū)均發(fā)生在谷底即 坡腳部位的規(guī)律，壩基開挖后坡腳高應(yīng)力區(qū)的這類水平卸荷裂隙隨著開挖 臨空面形成，兩岸卸荷引起應(yīng)力集中即差異回彈，裂隙將進(jìn)一步擴(kuò)大和發(fā) 展，從而對壩基邊坡穩(wěn)定性造成威脅。根據(jù)目前在工區(qū)所測的多個應(yīng)力點 資料反演，坡底和谷底下

9、部存在高應(yīng)力區(qū)，可以初步確定其產(chǎn)生的最大主 應(yīng)力。N30Mpa.3.2垂直卸荷裂隙垂直卸荷裂隙即平行岸坡的陡傾角卸荷裂隙（見上圖2）。 其在金沙江兩岸的陡峭邊坡上均較發(fā)育，但水平方向貫入岸坡 深度較淺，一般小于10m，目前對邊坡穩(wěn)定影響較大的主要為 貫入深度26m的垂直卸荷裂隙。從成因上垂直卸荷裂隙可以 分為兩種：一種是沿邊坡構(gòu)造結(jié)構(gòu)面張拉形成的，這種裂隙與 水平卸荷裂隙組合切割的巖塊穩(wěn)定性主要受水平裂隙和緩傾角構(gòu)造結(jié)構(gòu)面控制。若裂隙面傾向外倒，且具有較軟弱夾層則極易形成崩塌破壞（見照片1），反之巖塊較為 穩(wěn)定。在左岸岸坡610m高程主廠房通風(fēng)平洞進(jìn)口段頂拱部位發(fā)育的一條緩傾角錯動帶，上盤完整

10、，下盤破 碎帶厚度達(dá)2m之多；況且在邊坡位 照片1垂直卸荷造成危巖體 置發(fā)育一條平行岸坡的垂直卸荷裂隙，這樣在斷錯結(jié)構(gòu)面和垂 直結(jié)構(gòu)面的不良組合下，經(jīng)爆破震動力的影響最終發(fā)生崩塌破壞。照片2垂直卸荷形成巖板另一種是垂直卸荷節(jié)理面呈弧形，中段光滑，兩端粗糙，從 裂隙的擴(kuò)展方式分析，生成機(jī)制為上段傾倒拉張，中段碾剪彎曲 （斜），根部未脫母巖受中、上段傾倒帶動開裂，即近于平行岸邊 傾倒構(gòu)造裂隙臨空卸荷的作用下發(fā)生弧形破裂，它們將巖層分割 成數(shù)十平米的巖板，一旦貫通到一定程度，極易發(fā)生墜落崩塌（見 照片2）。3.3緩傾角斷裂卸荷回彈錯動受周邊構(gòu)造格局影響，壩址區(qū)內(nèi)出現(xiàn)頻次約1條/10m的貫通 性層內(nèi)錯

11、動帶。這些錯動帶在兩岸出露后均表現(xiàn)出明顯的卸荷回 彈錯動改造，回彈錯動具有下述典型特征；（1）錯動帶外寬內(nèi)窄。在金沙江左岸岸坡部位的進(jìn)風(fēng)平洞洞口頂拱部位，錯動帶上盤巖石完整，下盤 破碎、軟弱物質(zhì)達(dá)23m向洞內(nèi)逐漸變薄，延伸到洞內(nèi)后軟弱物質(zhì)厚度僅35cm,表明靠近坡面回彈錯動 較為強(qiáng)烈。（2）錯動面上有明顯的石英顆粒析出并伴有陽起石化和綠泥石化。在卸荷回彈時，溶蝕程度較高的 石英又被碾壓破碎，并形成新的擦痕。錯動面上局部產(chǎn)生高溫重融物，表現(xiàn)在洞內(nèi)緩傾角結(jié)構(gòu)面上有串珠 狀的石英熔體，巖石熔融并分離出石英熔體的現(xiàn)象是巖體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生強(qiáng)烈卸荷回彈時受結(jié)構(gòu)面上局部凸 起體的阻力強(qiáng)烈摩擦升溫而引起的。由于

12、緩傾角斷裂帶的回彈錯動，在洞內(nèi)開挖臨空面形成后，局部地段 在結(jié)構(gòu)面下方由于應(yīng)力瞬時釋放形成輕微巖爆現(xiàn)象并發(fā)生局部坍塌；而河谷兩岸岸坡構(gòu)造應(yīng)力釋放巳經(jīng)完 成，巖體應(yīng)力場轉(zhuǎn)為自重應(yīng)力場為主。3.4板裂化結(jié)構(gòu)這類改造發(fā)生在左岸泄洪洞出口。巳經(jīng)開挖的斷面中上部近于平行岸坡的垂直卸荷裂隙將整體塊狀巖 體切割成板狀，厚度達(dá)2030cm，裂隙的形成機(jī)制是坡面淺表層在卸荷所誘發(fā)的殘余應(yīng)力作用下形成的。巖體卸荷回彈所誘發(fā)工程地質(zhì)問題的處理原則4 .1 洞室圍巖卸荷巖石洞室開挖后，圍巖應(yīng)力將重新分布，而在臨空面形成 一倍洞徑后應(yīng)力重新分布基本完成，由于前期構(gòu)造應(yīng)力作用下 形成的大量層間、層內(nèi)錯動帶使得洞室開挖后在

13、結(jié)構(gòu)面附近發(fā) 生應(yīng)力集中現(xiàn)象并沿臨空面發(fā)生應(yīng)力回彈，致使洞室頂部的危 巖體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生墜落，對施工安全造成威脅。 TOC o 1-5 h z 處理方法：沿開挖揭露的結(jié)構(gòu)面實施鎖口支護(hù)，（見圖3）-即開挖緩傾角結(jié)構(gòu)面暴露以后，先用反鏟敲頂，讓能夠墜落的危巖體盡量墜落，不能夠墜落的結(jié)構(gòu)體沿露頭線內(nèi)0.51米處實施臨時鎖口支護(hù)，一般設(shè)23排錨桿， 間距1.52.0米，第一排錨桿長度3米;第二排視結(jié)構(gòu)面處危巖體厚度而定，一般為3米，對于近水平結(jié)構(gòu)面（傾角為1020 ）則采用錨桿長度4.56技：.，米；第三排錨桿長度為6米，對裸露結(jié)構(gòu)面上的碎裂物質(zhì)清撬沖洗干凈后立-即采取掛網(wǎng)噴砼，防止發(fā)生進(jìn)一步的坍塌。

14、.I4.2邊坡卸荷二頊對于左岸進(jìn)出水口、泄洪洞邊坡的處理（見圖4），必須根據(jù)風(fēng)化層的厚-度和卸荷寬度設(shè)定開挖邊坡線，清除平行河谷發(fā)生的明顯卸荷結(jié)構(gòu)巖體，并隔1520米設(shè)23米寬的馬 道。開挖后為防止卸荷進(jìn)一步發(fā)展，沿結(jié)構(gòu)面布置法向錨桿或者錨索，并在馬道上布置縱向錨筋樁以鎖定 水平卸荷結(jié)構(gòu)面及引生的危巖體。建議4.1壩址區(qū)應(yīng)力場條件我國北方某水庫在構(gòu)造應(yīng)力作用下硬質(zhì)巖體中也存在類似溪洛渡的層間錯動帶，水庫壩基齒槽開挖將由于該區(qū)在前期地質(zhì)勘察中兩岸地下廠房地應(yīng)力的最大主應(yīng)力。1 = 1820Mpa。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗， 金沙江河床底部和下部是地應(yīng)力較大的部位，推測溪洛渡壩址下主應(yīng)力可以達(dá)到30 Mp

15、a。（見圖5）圖5最大主應(yīng)力應(yīng)力等值線示意圖1層間錯動帶切斷形成側(cè)向臨空面，在地應(yīng)力作用下巖體沿順層 開裂面向應(yīng)力釋放方向產(chǎn)生位移最大達(dá)7cm，而且具有結(jié)構(gòu)面 性狀越差，距開挖面越近，錯距越大的規(guī)律。巖體錯位波及的 范圍達(dá)6700m2,占建基面79%，且發(fā)生在開挖面以下35米以 內(nèi)，巖體發(fā)生位移極大地提高了工程造價。溪洛渡屬于高邊坡硬質(zhì)玄武巖結(jié)構(gòu)體，同樣存在錯動結(jié)構(gòu) 面。壩基以上邊坡應(yīng)力釋放巳經(jīng)完成，但建基面開挖后不排除 巖體發(fā)生位移的可能，因此建議在建基面開挖以前應(yīng)對壩基下 部地應(yīng)力大小和方向進(jìn)一步測定，可用小口徑金剛石鉆進(jìn)取芯， 看是否有餅片巖芯片集段出現(xiàn)，可初步認(rèn)定河床開挖面下地應(yīng)力高低

16、，并論證是否有發(fā)生沿基坑臨空面發(fā)生位移的可能，防止 因地應(yīng)力釋放造成壩基巖體向臨空面釋放對工程造成的不利影 響。4.2地下廠房邊墻卸荷回彈地下廠房的開挖過程中，巳經(jīng)暴露了大量的層內(nèi)緩傾角結(jié) 構(gòu)面，特別是在左岸主廠房樁號0+1600+220段發(fā)生傾角約 35的斷層，斷層結(jié)構(gòu)面上盤光滑，下盤由于上盤逆沖作用， 產(chǎn)生撓曲現(xiàn)象而且?guī)r石非常破碎（見照片3）造成不良地質(zhì)超 挖量較大。不僅如此，廠房發(fā)生的緩傾角結(jié)構(gòu)面頻次較高，并 與陡傾角結(jié)構(gòu)面組合形成不良結(jié)構(gòu)體，洞室開挖臨空面形成以 后，圍巖應(yīng)力重新分布，在卸荷回彈松動圈形成的過程中發(fā)生 局部坍塌的情況經(jīng)常發(fā)生。溪洛渡地下廠房三大洞室開挖必須針對巳經(jīng)開挖露

17、頭的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的調(diào)查、研究和分析。 關(guān)鍵是分析不同結(jié)構(gòu)面的組合方式與臨空面的關(guān)系，以及推測其穩(wěn)定狀態(tài)，特別是研究高邊墻中下部存在 的不穩(wěn)定楔形體的分布特點和形式，以及采取的錨索支護(hù)形式和長度。通過常規(guī)的地質(zhì)編錄和對所有構(gòu)造 形跡進(jìn)行綜合分析，提出巖體可能失穩(wěn)的部位，是三大洞室施工地質(zhì)工作研究的重點。結(jié)語溪洛渡壩址區(qū)及地下洞室都處于堅硬的玄武巖巖體中，地應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力相互作用形成的緩傾角 層間、層內(nèi)錯動帶較發(fā)育，而這些不連續(xù)地結(jié)構(gòu)面在地下洞室開挖后形成臨空面，使其應(yīng)力釋放，將產(chǎn)生 不利于圍巖穩(wěn)定的卸荷回彈，從而對洞室安全施工和運(yùn)行造成威脅。對于這類結(jié)構(gòu)面采取的支護(hù)措施就是 及時實施鎖口支護(hù)、掛網(wǎng)噴砼等;而對于因垂直卸荷和水平卸荷回彈作用引起大量危巖體的高邊坡部位，比 如電站進(jìn)出水口邊坡開挖段，應(yīng)予清理危巖后采取縱向錨筋樁和法向錨索、長錨桿等進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，以防 止巖體卸荷回彈作用的進(jìn)一步發(fā)展。兩岸地下廠房