錦屏一級水電站邊坡穩(wěn)定性分析與控制

錦屏一級水電站邊坡穩(wěn)定性分析與控制

1壩肩邊坡失穩(wěn)位移控制錦屏一級水電站位于四川省銀幣自治州鹽源縣和木里縣雅庫河上游。該區(qū)域位于中國西南部青藏高原東部。受青藏高原最近的持續(xù)上升和快速下降的影響，該地區(qū)形成了復雜的地形和地質條件。錦屏一級水電站為雅礱江干流中下游控制性水電工程。其壩肩為典型的深切V型峽谷。河谷發(fā)育歷史分析表明,雅礱江中下游段河谷的快速下切平均速率達到3mm/a,最高達到3.9~4.4mm/a。河谷相對高差約1500~1700m,構造上為三灘倒轉向斜,巖層產狀為N15°~60°E/SE35°~45°,走向與河流方向基本一致?；鶐r主要為三疊系中上統(tǒng)雜谷腦組(2-3ZT)變質巖,第一段(12-3ZT)綠片巖、第二段(22-3ZT)大理巖、第三段(32-3ZT)砂板巖。壩肩左岸邊坡為反向坡,右岸為順向坡。邊坡自形成起,在重力、風化、地震和其他地質力作用及地質演變過程中不斷發(fā)生變化,應力進行重分布,并隨著邊坡的演變,坡內巖土體發(fā)生不同形式的變形與位移,呈山梁與淺溝相間的微地貌特征。錦屏一級水電站擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩,拱壩壩高為305m,拱壩厚高比0.207,為世界第一高拱壩。壩肩左、右人工開挖邊坡高度均超過300m,為特大型超高邊坡。其中左岸拱肩槽(含纜機平臺)開挖邊坡高度達到530m;右岸拱肩槽(含纜機平臺)開挖邊坡高度達到445m,相對于邊坡的高度,大壩及其他擋水建筑物高度遠小于邊坡高度,邊坡構成了水電工程壩肩建筑物的重要區(qū)域環(huán)境,邊坡的整體穩(wěn)定及局部穩(wěn)定對壩肩建筑物將構成重大的可能破壞作用,邊坡穩(wěn)定對拱壩安全運行至關重要,對邊坡的穩(wěn)定分析及加固設計應高度重視。錦屏一級水電站壩肩邊坡主要受3種坡體結構(破壞模式)控制:(1)左岸傾倒順向坡結構,其控制區(qū)域集中在高高程砂板巖開挖區(qū),加大工程開挖及穩(wěn)定治理難度;(2)左岸變形拉裂巖體楔形雙滑結構,控制區(qū)約330×104m3,其影響及治理工程規(guī)模國內外罕見;(3)右岸地層順坡向結構突出了對施工期及時支護的要求。大型邊坡失穩(wěn)破壞導致的工程事故歷史上多次發(fā)生。如意大利Vajont拱壩于1963年10月9日突發(fā)的災難性的大滑坡,滑坡速度達到20~30m/s;1972年,香港港島寶山道滑坡;1998年,云南漫灣水電站大壩壩肩開挖建設過程中壩基下游滑坡;二灘水庫的金龍山滑坡;李家峽的壩前滑坡等,這些邊坡事故對工程安全、人民生命財產造成了巨大損失,對工程設計人員是重要的警示。近年來,隨著我國西部水利水電工程建設的蓬勃發(fā)展,與工程建設有關的大規(guī)模巖石高邊坡越來越多,工程邊坡的穩(wěn)定性和安全實施關系到工程建設方案、進度乃至工程成敗,因此我國十分重視對邊坡失穩(wěn)滑坡的研究及防治工作。在分析西南地區(qū)典型巖質邊坡的形成動力學過程、變形破壞機制、存在的巖石力學問題等基礎上已經有了大量的研究成果及經驗總結[1~3],但結合具體500m級工程邊坡案例的坡體結構分析、穩(wěn)定性及加固措施研究和總結成果尚不多見。本文著重在以上研究成果和方法運用的基礎上,總結錦屏一級水電站壩肩邊坡以坡體結構進行分類分析、計算并治理的研究成果。2地質概論和坡體結構2.1樞紐紐區(qū)邊坡微新無卸荷巖體的組成特征錦屏一級水電站左岸坡體在約1800m高程以上由雜谷腦組第三段厚~巨厚層變質砂巖夾薄層板巖組成,1800m高程以下由第二段大理巖組成,以中厚層結構和厚層~塊狀結構為主。坡體中的軟弱結構面主要為f5,f8,f42–9斷層及層間擠壓錯動帶、煌斑巖脈(X)。開挖邊坡在1800m高程以下大理巖段多由微新無卸荷巖體組成,僅在靠江側部位有少量風化卸荷巖體,1800m高程以上砂板巖多為弱卸荷巖體及變形拉裂巖體、傾倒變形巖體。右岸坡體主要由雜谷腦組第二段大理巖組成,其中邊坡中上部巖性為薄~中厚層大理巖夾綠片巖夾層,以中厚層結構為主,中下部巖性為厚~巨厚層大理巖、條紋狀大理巖夾綠片巖透鏡體,以厚層~塊狀結構為主。坡體中的軟弱結構面主要為f13,f14,f18斷層和邊坡中上部的層間擠壓錯動帶、中部的風化綠片巖透鏡體。開挖邊坡多由微新無卸荷巖體組成,僅在靠江側部位有少量風化卸荷巖體。樞紐區(qū)壩肩工程平面地質圖如圖1所示。河谷橫剖面如圖2所示。2.2宏觀地質分區(qū)根據(jù)開挖邊坡地層巖性、巖體結構、變形破裂現(xiàn)象并結合自然岸坡坡體結構對開挖邊坡穩(wěn)定性進行宏觀地質分區(qū),按A,B,C,D分別對應穩(wěn)定性好、穩(wěn)定性較好、基本穩(wěn)定、穩(wěn)定性較差來對開挖邊坡穩(wěn)定性進行評價,見表1。2.3邊坡變形破壞模式邊坡的坡體結構指邊坡巖體中先前存在的各種控制性優(yōu)勢結構面與地形坡面的組合,從而在空間上構成一定規(guī)模的潛在的沿優(yōu)勢結構面向邊坡臨空方向變形滑移塊體的巖體結構模型。它是一種結構模式,揭示了邊坡可能變形破壞的邊界條件,為邊坡穩(wěn)定分析和加固處理提供地質依據(jù)。坡體結構不同于傳統(tǒng)的巖體結構,是在4類巖體結構(塊狀結構、層狀結構、碎裂結構和散體結構)研究基礎上針對影響邊坡穩(wěn)定的主要結構要素的甄別分析提出的一種變形破壞模式分類。錦屏一級水電站左、右岸壩肩邊坡由特殊的地質、地形條件及由砂板巖、大理巖構成的復雜區(qū)域巖性共同確定了其坡體結構的復雜性和多樣性。其中較為特殊的坡體結構如下:(1)傾倒順向坡結構左岸纜機平臺邊坡(1960m高程以上邊坡)在約2000m高程以上的砂板巖中普遍出現(xiàn)傾倒拉裂,受微地形和巖性、巖層組合情況影響在山梁、沖溝等不同部位傾倒變形強烈程度有一定差異,坡體中軟弱結構面為后緣順坡陡傾斷層、卸荷拉裂縫,可能變形失穩(wěn)模式為傾倒–滑移破壞及局部的小規(guī)模楔形體破壞,如圖3所示。(2)楔體雙滑結構左岸壩肩邊坡在1800m高程以上由f42–9斷層、SL44–1拉裂帶、煌斑巖脈組成的左岸壩頭變形拉裂巖體的楔體雙滑結構,坡體中軟弱結構面為f42–9斷層、SL44–1拉裂帶、煌斑巖脈以及f42–9斷層上、下盤、與f42–9斷層同向的一系列小斷層,可能變形失穩(wěn)模式為大楔形塊體雙滑破壞,左岸變形拉裂巖體范圍及邊界條件如圖4所示。(3)塊狀邊坡結構1800m高程以上左岸壩頭變形拉裂巖體以外的砂板巖段、卸荷裂隙,可能變形失穩(wěn)模式為順傾坡外結構面的滑塌破壞和局部的小規(guī)模楔形體破壞;1800m高程以下大理巖段邊坡,坡體中結構面為順坡向小斷層、節(jié)理裂隙,可能變形失穩(wěn)模式為順傾坡外結構面的滑塌破壞和局部的小規(guī)模楔形體破壞。(4)地層順坡向結構基于岸坡坡體結構分析,右岸壩頂1885m高程以上邊坡和右岸拱肩槽邊坡均屬于層狀坡體結構中的順傾層狀結構,可能破壞模式受層狀結構面控制,如圖5所示。根據(jù)順層層狀軟弱結構面的發(fā)育情況可以分為2段:(1)右岸拱肩槽約1870~1885m高程以上邊坡部分及右岸壩頂1885m高程以上邊坡,順層軟弱結構面為大理巖中層間擠壓錯動帶。(2)右岸拱肩槽約1870~1885m高程以下邊坡部分,順層軟弱結構面為大理巖中綠片巖透鏡體或夾層。上述4種坡體結構(破壞模式)尤其以左岸的傾倒順向坡結構、左岸楔體雙滑結構及右岸的地層順坡向結構為控制性模式。另外,在f42–9斷層、煌斑巖脈以里,深部裂縫相對發(fā)育且多為張開空縫,眾多結構面和深部裂縫的切割,該區(qū)巖體完整性差,巖體破碎,為變形提供了空間,形成了深部變形的破壞模式。3評估標準的制定3.1設計安全系數(shù)確定水利水電工程邊坡按其所屬樞紐工程等級、建筑物級別、邊坡所處位置、邊坡重要性和失事后的危害程度,劃分邊坡類別和安全級別。根據(jù)水電工程邊坡設計相關規(guī)范規(guī)定,邊坡設計安全系數(shù)見表2。具體邊坡工程所采用的設計安全標準,應根據(jù)邊坡與建筑物關系、邊坡工程規(guī)模、工程地質條件復雜程度以及邊坡穩(wěn)定分析的不確定性等因素的分析從表2中所給的范圍內選取。對于失穩(wěn)風險度大或穩(wěn)定分析中不確定因素較多的邊坡,設計安全系數(shù)宜取上限值,反之取下限值;邊坡穩(wěn)定的基本方法是平面極限平衡下限解法,當有充分論證時,可以采用上限解法,其設計安全系數(shù)按表2規(guī)定不變。3.2邊坡控制標準邊坡工程安全控制定量指標與工程的等級、使用年限以及邊坡本身的重要性、規(guī)模等密切相關,涉及因素與邊界條件十分復雜。在復雜地質條件下設計、施工超高邊坡,主要應考慮如下要素及邊界條件:(1)重要性;(2)階段性;(3)整體和局部;(4)規(guī)模和潛在失穩(wěn)體積;(5)環(huán)境條件;(6)變形失穩(wěn)模式與破壞機制;(7)分析方法;(8)巖土力學參數(shù)取值;(9)坡面形態(tài);(10)對邊坡邊界條件的認識程度;(11)地下水條件。根據(jù)以上要素,對錦屏一級水電站壩肩邊坡控制標準進行了深入分析:邊坡作用主體擋水建筑物(I級建筑物)工程范圍內的超高邊坡具有相對特殊的重要性,應按照I級邊坡制定控制標準。對邊坡規(guī)模、破壞機制、環(huán)境條件、變形失穩(wěn)模式、破壞機制等要素均進行了深入分析。綜合參數(shù)取值也考慮了邊坡規(guī)模及風險等不利因素的影響。因此,控制標準可以在I級邊坡控制標準范圍內適當?shù)慕Y合工程投資及治理難度綜合采用。考慮到如完全按照I級邊坡上限選取控制標準,對工程投資及治理難度均影響巨大。綜上所述:對錦屏一級水電站壩肩邊坡的控制標準進行了分區(qū)擬定(見表3)。根據(jù)水電工程邊坡設計相關規(guī)范要求,表2中采用的安全系數(shù)標準對應于極限平衡方法。但考慮錦屏一級水電站邊坡的規(guī)模巨大及復雜性、重要性,進一步采用數(shù)值分析法對邊坡進行應力、變形分析。同時規(guī)范認為,采用數(shù)值分析的降強分析,當變形開始不收斂時的安全系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)。錦屏一級水電站高邊坡降強穩(wěn)定分析采用了一種全新的分析理論——余能范數(shù)的方法,做了進一步的研究。4邊坡開挖、加固設計及穩(wěn)定評估4.1分層加固工程邊坡穩(wěn)定分析針對錦屏一級水電站特殊的地質、地形條件及工程建設形成的巨型人工邊坡開挖模式,對邊坡的開挖、加固設計應以少開挖、弱爆破、強支護,分區(qū)分層支護,控制整體、以面覆點的原則進行,詳述如下:(1)少開挖、強支護高山峽谷地區(qū)的自然邊坡是在漫長地質時期經內、外力作用演變形成的高陡坡體,其應力、變形的調整相對工程年限是緩慢的,大量的邊坡開挖將擾動坡體的賦存環(huán)境,造成應力和變形調整,并可能引起巖體二次卸荷松弛。為此,應采用合理的邊坡開挖策略和坡比設計,盡量減少開挖,利用先進、恰當?shù)闹ёo措施對邊坡進行加固,以期達到工程建設及穩(wěn)定安全的要求。(2)分區(qū)分層支護對于超高人工開挖邊坡,其坡體穩(wěn)定問題可以歸納為表層穩(wěn)定、淺表穩(wěn)定及深層穩(wěn)定三部分。在設計中應分別計算分析不同區(qū)域的不同深度范圍內的穩(wěn)定,并考慮采用合適的加固措施實施加固。(3)控制整體:整體穩(wěn)定在這類工程邊坡中常作為控制性模式,應重點考慮其不同時期的穩(wěn)定條件并進行針對性的加固措施設計。并應特別重視:(1)利用錨索等柔性支護對施工期的變形控制;(2)對有控制性結構面的模式,采用抗剪洞等措施提高確定性控制結構面巖體強度;(3)采用削頂壓腳的方法進行削坡減載;(4)采用積極有效的排水措施;(5)做好動態(tài)監(jiān)測、保持動態(tài)設計,特別是做好跟蹤設計及監(jiān)測反饋分析。(4)以面覆點:工程邊坡的局部穩(wěn)定的控制區(qū)域常在整體穩(wěn)定控制區(qū)域內,因此,采用的分層加固措施對邊坡局部穩(wěn)定的控制作用明顯。這種首先考慮整體控制,再復核局部穩(wěn)定的加固設計方案合理的整合了邊坡局部及整體穩(wěn)定的加固設計。4.2邊坡開挖及施工測量左岸壩肩邊坡開挖高度約530m(2110~1580m高程),設計中以“少開挖、強支護”為原則進行了大量設計優(yōu)化,減少開挖量約1.50×106m3。施工實施總開挖量約5.50×106m3。1885m高程以上邊坡開挖區(qū)邊坡高度約225m,開挖方量約1.91×106m3,其中纜機平臺1960m高程以上開挖量約0.75×106m3,1885~1960m高程之間開挖量約1.16×106m3;1885m高程以下邊坡開挖區(qū)邊坡高度約305m,開挖方量約3.59×106m3。開挖邊坡1885m高程以上采用每30m布置一級馬道,1885m高程以下每15m布置一級馬道,馬道寬度2~3m。左岸工程邊坡設計開挖坡比見表4。左岸邊坡整體施工面貌如圖6所示。左岸邊坡開挖設計平面圖如圖7所示。壩肩右岸邊坡開挖高度約455m(2035~1580m高程),總開挖量約2.75×106m3。其中1885m高程以上開挖邊坡高度約50m,開挖方量約0.52×106m3。1885~1580m高程拱肩槽開挖邊坡開挖量約為2.23×106m3。右壩肩開挖邊坡1975m高程為纜機平臺,平臺順河長221.5m,寬19.0m,平臺以上邊坡稱纜機平臺邊坡。正面坡總體走向N20°~30°E,上游側接電站及泄洪洞進水口洞臉開挖邊坡,下游側接高線混凝土骨料平臺邊坡。邊坡開挖坡高25~50m,坡比1.0∶0.5。邊坡按30~40m高程進行馬道分段。壩頂1885~1975m高程開挖邊坡正面坡總體坡向N20°~30°E,下游側接開關站、高線混凝土系統(tǒng)開挖邊坡,上游側接電站及泄洪洞進水口洞臉開挖邊坡。邊坡坡比1∶0.30~0.75,邊坡按30~40m高程進行馬道分段。右岸拱肩槽上游邊坡高度75~260m,下游邊坡高度15~50m。對于微新和弱下巖體,邊坡按15~20m高程進行馬道分段。右岸邊坡整體施工面貌如圖8所示。右岸邊坡開挖設計平面圖如圖9所示。4.3位相對較高錦屏壩肩兩岸地下水位各有區(qū)別,左岸地下水位與河床水位接近,右岸地下水位相對較高。同時考慮到對暴雨等入滲水流的有利排導,采用利用深層縱、橫向排水洞、坡面排水淺孔、深孔、截排水系統(tǒng)及坡面的防滲噴混凝土等措施形成系統(tǒng)的綜合排水網(wǎng)絡,最大限度的降低地下水及地表滲水對邊坡穩(wěn)定的影響。4.4計加固方案根據(jù)左岸邊坡的基本地形地質條件分析,參考多種穩(wěn)定性分析研究成果,類比同類工程經驗,擬定左岸邊坡技施圖設計加固方案為:采取以預應力錨索加固、抗剪洞為主的工程措施作為有效控制手段,保證邊坡的整體穩(wěn)定;對于邊坡次級潛在不穩(wěn)定塊體、局部潛在不穩(wěn)定塊體、表層松動巖體、巖體卸荷松弛變形等問題,采取以坡面混凝土框格梁、噴混凝土、錨桿、錨桿束及預應力錨索為主的支護措施。另外,為保證邊坡開挖形態(tài),在開挖前對邊坡進行預灌漿處理。4.4.1爆破前預灌漿處理左岸邊坡巖體破碎,開挖爆破后,松弛巖體容易塌滑,對邊坡開挖成型及邊坡穩(wěn)定不利。進行邊坡預固結灌漿,即對開挖爆破鉆孔一定范圍內的邊坡在爆破前進行預灌漿,可以提高坡面巖體的完整性,控制爆破后的坡面巖體松弛、塌滑。改善施工條件,確保施工安全和施工質量。因此,采用馬道錨桿束孔及2層馬道間布置的預灌漿孔進行邊坡預固結灌漿處理,保證邊坡開挖成形。灌漿孔間距2.5m,孔徑90mm,孔深12,18m,如圖10所示。4.4.2預應力錨索掛網(wǎng)加固坡面淺表加固由掛網(wǎng)噴混凝土、錨桿、錨桿束、混凝土框格梁、預應力錨索組成,主要對邊坡次級塊體、局部塊體、淺表層潛在不穩(wěn)定巖體進行加固,限制邊坡卸荷裂隙的擴展,改善邊坡巖體應力狀態(tài)、變形條件及穩(wěn)定性。其中利用60~80m長度的錨索穿過整體穩(wěn)定的控制邊界對整體穩(wěn)定進行加固。坡面掛網(wǎng)噴混凝土的強度等級為C25,厚20cm,掛網(wǎng)鋼筋為φ10mm,間排距15cm×15cm;錨桿為全長黏結砂漿錨桿,全坡面布置,分φ28mm,L=6m和φ32mm,L=9m兩種,交替布置;在每一級馬道布置錨桿束,錨桿束由3根φ32mm鋼筋組成,長12m,間距2.5m;混凝土框格梁和混凝土縱梁斷面尺寸為60cm×80cm,框格梁間排距4m×4m,縱梁間距4,5m;預應力錨索采用2000,3000kN級單孔多錨頭無黏結錨索,長40,60和80m。淺(深)層加固剖面示意如圖10所示。4.4.3抗剪洞及鍵槽布置順f42–9走向布置抗剪洞,對f42–9斷層采用抗剪洞進行置換處理,增加結構面抗剪作用。主要考慮到如果布置在1885m高程以上,抗剪洞置換處理的對象為高高程的f42–9及煌斑巖脈,而高高程的f42–9及煌斑巖脈為左岸邊坡變形拉裂體的拉裂面,不作為其底滑面,置換效果不如對變形拉裂體底滑面進行置換。因此,抗剪洞布置在1883,1860和1834m三個高程,針對變形拉裂體底滑面進行置換。斷面均采用9m×10m的斷面。為增大抗剪洞抗滑作用,在抗剪洞上設十字型布置的鍵槽,鍵槽布置在抗剪洞的中部,鍵槽采用4m×5m的斷面?？辜舳醇版I槽周圍實施一定深度的固結灌漿?？辜舳床捎梦⑴蛎浕炷粱靥?以減少混凝土收縮產生的接觸面縫隙?；炷羶冗m當配置鋼筋及型鋼,增大抗剪斷強度。抗剪洞平面布置及斷面結構示意如圖11所示。4.4.4柔性被動防護網(wǎng)對開口線外8~15m邊坡清除覆蓋層后掛網(wǎng)噴混凝土錨桿支護,噴C25混凝土,厚10cm,掛φ6mm鋼筋網(wǎng),間排距20cm×20cm;在此支護范圍以外,設置柔性被動防護網(wǎng),高4.0m。對開口線外1#,2#,3#危巖體,視現(xiàn)場具體地形地質條件,采用部分清除、錨桿、錨索及主動防護網(wǎng)支護等措施進行處理。4.5預應力錨索加固方案設計錦屏右岸拱肩槽及纜機平臺邊坡穩(wěn)定的控制性區(qū)域為邊坡淺、表層坡體。加固方案為:采取以預應力錨索加固為主的有效控制手段,保持和提高邊坡巖體綜合強度,保證邊坡的整體穩(wěn)定;對邊坡表層松動巖體、潛在不穩(wěn)定塊體,采取以噴混凝土、錨桿及預應力錨索為主的支護措施。(1)預應力錨索及支護的布置主要限制邊坡層間擠壓帶及卸荷裂隙的擴展,改善邊坡巖體應力狀態(tài)、變形條件及穩(wěn)定性。具體布置如下:(1)系統(tǒng)支護:系統(tǒng)布置2000kN預應力錨索,錨索深40~60m,間排距5.0m×5.0m,梅花形長短交錯布置。(2)隨機支護:主要用于解決開挖過程中揭示的局部穩(wěn)定問題,錨索長度、參數(shù)由現(xiàn)場工程師根據(jù)現(xiàn)場開挖所揭露的實際情況確定。(2)抗拉受力變形加固技術均為全長黏結砂漿錨桿,主要用于與坡面噴混凝土結合,提高邊坡表層松動帶的整體性,加固邊坡表層出露的小塊體。錨桿系統(tǒng)布置,間排距2.5m×2.5m,長6,9m,梅花形相間布置。(3)噴混凝土為防止巖體進一步風化和減少入滲,部分斜坡面均采用掛網(wǎng)噴混凝土,掛網(wǎng)φ6.5mm@15cm,噴混凝土厚15cm。4.6關于邊坡穩(wěn)定及破壞防治工作的研究大型水電站的建設總是不能回避巖石邊坡問題,而作為一種高效的水電站擋水建筑物“拱壩”的理想壩址V型河谷更是深切河谷復雜地質條件的代表性河谷形態(tài)。其內在的地質成因就決定了其具有復雜的地質特性和工程建設的特殊難度。我國十分重視對大型邊坡穩(wěn)定及破壞防治工作的研究。20世紀80年代以前工程界對于巖石邊坡的穩(wěn)定主要是以定性分析為主。隨著計算機技術的迅速發(fā)展和現(xiàn)代力學、現(xiàn)代數(shù)值分析理論的進步,模擬技術開始廣泛地應用于地質災害分析。從邊坡地質條件及形成機制方面對西南地區(qū)的典型巖質邊坡的認識有了大量的研究成果及經驗總結,在計算方法方面,運用了傳統(tǒng)極限平衡方法并對其進行優(yōu)化和發(fā)展,結合計算機的運用形成可靠的計算程序;運用多種數(shù)值分析方法:有限元、離散元、彈簧元、多重網(wǎng)格法、不平衡力法等進行印證分析,取得了大量的工程實際成果及運用參考。在錦屏一級壩肩邊坡的穩(wěn)定分析工程實例中確定了以規(guī)范為標準,以極限平衡法為主要分析手段并結合多種不同方法進行對比分析印證的方法,具體分析方法見表5。4.6.1拉裂體上游邊界左岸壩頭地貌上為2個山梁夾一楔形凹槽,地形坡度為40°~50°。巖體破碎,卸荷深度較大。壩頭部位分布有f42–9斷層、煌斑巖脈X、近SN向一系列陡傾角深部裂縫(以SL44–1斷層為典型代表),形成了范圍較大的變形拉裂巖體區(qū)域。較發(fā)育的近SN(N20°W)向深部裂縫條帶構成變形拉裂體上游邊界,該上游邊界并未完全貫通,以SL44–1規(guī)模最大,故以其為代表;緩傾發(fā)育的f42–9斷層(近EW,S∠40°~60°)構成變形拉裂體下游邊界;陡傾發(fā)育的煌斑巖脈X(N60°~80°E,SE∠70°~80°)構成變形拉裂體的后緣邊界;f5,f8斷層形成變形拉裂體外側邊界。由于砂板巖中f5,f8斷層破碎帶寬達10~20m,實際上起到了變形拉裂體內部臨空面的作用。根據(jù)變形拉裂體的受力狀況,將變形拉裂體劃分為f5,f8斷層內側的拉裂變形區(qū)及f5,f8斷層外側的壓剪狀阻滑區(qū)。該變形拉裂區(qū)域的上游邊界SL44–1深拉裂縫在砂巖中為100%連通,在板巖中不發(fā)育。按砂巖和板巖所占比例,最終確定深拉裂縫邊界連通率為板巖所占比例,深拉裂縫邊界連通率為68.4%。深拉裂縫SL44–1產狀為近SN~N20°W,E(NE)∠55°~60°,考慮不同走向(SN及N20°W)的變形拉裂體2種組合方式不同開挖階段體積見表6。不同方法的穩(wěn)定性分析結論如下:(1)變形拉裂體區(qū)域對左岸邊坡變形拉裂體區(qū)域的構造結構面進行統(tǒng)計和輸入,采用塊體理論SRM程序的全空間赤平投影法對左岸開挖邊坡進行關鍵塊體搜尋。關鍵塊體搜尋全空間赤平投影如圖12所示。搜尋結果顯示,左岸邊坡變形拉裂體區(qū)域最大關鍵塊體為雙滑面滑動塊體(塊體編號100),其滑動系數(shù)為+0.64。其控制性滑面為f42–9斷層及深部裂縫SL44–1,滑動塊體體積約為1.35×106m3,與表6中開挖邊坡模式A的體積基本一致?；瑒恿s為2.33×104kN。(2)抗拉裂體穩(wěn)定地質(1)天然狀態(tài)穩(wěn)定,具有一定安全裕度。(2)邊坡開挖至纜機平臺1960m高程,未觸及f5斷層外側阻滑巖體,僅挖出了f5斷層以內的變形拉裂區(qū)巖體,對整個變形拉裂體而言屬于卸荷,故變形拉裂體穩(wěn)定狀況較天然情況有所改善。(3)開挖至壩頂1885m高程,部分挖出阻滑區(qū)巖體,變形拉裂體穩(wěn)定性仍較好,具有一定安全裕度。(4)左岸拱肩槽邊坡完全開挖后,開挖邊坡范圍內f5外側阻滑體已被挖除,變形拉裂體穩(wěn)定已不能滿足要求,需要采取及時的工程處理措施進行支護。不同階段不同邊界組合下的安全系數(shù)曲線如圖13,14所示。(3)纜機平臺邊坡圖3(1)對1885m高程以上邊坡進行開挖時,隨開挖過程在每一階開挖臺階下部均分布坡面張拉應力,量級一般在0.2MPa以下,邊坡開挖后,拉裂區(qū)深度約5m。1885m平臺最大回彈變形量達到60mm。(2)邊坡開挖至1580m高程,在拱肩槽上游坡面出現(xiàn)較大面積的拉應力區(qū)域,拉應力量級為0.1MPa左右,拉應力深度約4.5m。上游坡面回彈變形約35mm,槽坡局部最大回彈變形90mm。槽坡腳部位水平向坡外的位移較大,最大值達到25mm。開挖完成后1960m高程以上的纜機平臺邊坡水平向坡外的最大變形達到25mm。(3)地震工況下,開挖坡面拉應力區(qū)明顯增大,拉應力量級增加了0.1MPa。在邊坡的上、下游坡腳位置拉應力值較大,最大拉應力值為1.0MPa。坡體位移以水平向坡外為主,最大位移在每一級邊坡中部,最大值為64mm。(4)纜機平臺邊坡f42–9斷層在邊坡開挖后的錯動變形極為明顯,纜機平臺邊坡開挖和拱肩槽邊坡開挖都引起f42–9斷層發(fā)生錯動,但錯動機制不同,對邊坡穩(wěn)定性影響也不同。纜機平臺邊坡開挖引起f42–9斷層上盤巖體卸荷回彈,在f42–9斷層引起卸荷錯動,錯動變形指向山體內部,因而不會對邊坡穩(wěn)定性構成威脅。但f42–9斷層在拱肩槽邊坡開挖過程中將被部分揭露出來,外側阻滑巖體被挖除。邊坡開挖后,f42–9斷層上、下盤之間發(fā)生傾向臨空面方向的錯動,最大錯動變形量達7mm,直接影響邊坡穩(wěn)定。(5)錯動變形部位煌斑巖脈錯動變形范圍大致分布在II–II剖面上游30m至III–III剖面下游30m,1910~1810m高程之間,最大錯動變形約1.5mm;在高高程部位(1910m高程以上),煌斑巖脈錯動變形不明顯,且錯動變形屬于卸荷回彈型;而在1910m高程以下至f42–9斷層之間,煌斑巖脈產生量值上較小的傾向臨空面的錯動變形,但這種錯動變形不是由巖脈上、下盤巖體主動發(fā)生錯動造成的,而是由巖脈下部f42–9的錯動帶動其發(fā)生變形的。因此,當f42–9的變形通過加固得到有效遏制時,煌斑巖脈的變形也必然得到控制。4.6.2砂板巖邊坡變形分析左岸1960m高程以上纜機平臺邊坡大部分為傾倒變形巖體,強卸荷帶水平深度一般70~100m,邊坡開挖極易發(fā)生滑移–拉裂破壞。特別是I#山梁(I–I剖面)、2#~3#危巖體(II–II剖面)、1#危巖體(III–III剖面)及V#山梁(V–V剖面)。該部位邊坡可能產生滑移的邊界均為:底滑面為傾倒變形巖體底邊界,后緣拉裂面為由卸荷拉裂及傾倒變形產生的陡傾拉裂縫。左岸傾倒變形及危巖體平面和剖面圖如圖15所示。運用極限平衡法進行穩(wěn)定計算分析結論如下:(1)I#山梁(I–I剖面)邊坡2000m高程以上砂板巖邊坡均為傾倒變形區(qū)域,邊坡開挖挖出大部分傾倒變形體坡腳。其可能滑動塊體后緣為陡傾裂隙fLL–1,底滑面為傾倒變形巖體推測底邊界。根據(jù)計算,邊坡開挖后其穩(wěn)定安全系數(shù)較低,需隨邊坡開挖進程進行及時的支護處理。(2)2#,3#危巖體部位(II–II剖面),可能失穩(wěn)塊體有2種:底滑面均為傾倒變形巖體推測底邊界,后緣分別為陡傾裂隙flA–1及fLL–1。邊坡開挖未觸及該部位,但根據(jù)計算分析,天然狀況下邊坡穩(wěn)定安全裕度不大,需要進行必要的加固處理,避免危巖體失穩(wěn)給下部工程區(qū)邊坡穩(wěn)定及安全帶來影響。(3)1#危巖體部位(III–III剖面),傾倒變形巖體的底界出露高程約為2000m高程,傾倒變形深度約為90m,大部分開挖邊坡均位于傾倒變形體范圍內,可能失穩(wěn)塊體底滑面均為傾倒變形巖體推測底邊界,后緣分別為陡傾坡外的煌斑巖脈及幾組陡傾坡外的拉裂縫。計算分析中選取了3組有代表性的可能滑動塊體進行分析。其后緣分別為flB–2,fLL–1及煌斑巖脈X。根據(jù)計算分析,該邊坡開挖后穩(wěn)定性較差,需隨邊坡開挖進程及時采取支護措施。(4)V#山梁(V–V剖面)在1960m高程以上開挖邊坡坡高150m,為左岸壩區(qū)1960m高程以上邊坡最大開挖高度。該部位2035m高程以上大范圍的開挖是在傾倒變形體內部,可能失穩(wěn)塊體底滑面為傾倒變形巖體推測底邊界,后緣為陡傾裂隙fLL–2。根據(jù)計算分析,該邊坡開挖后穩(wěn)定性同樣較差,需要隨開挖及時采取支護措施。此外,左壩肩巖體內較發(fā)育的節(jié)理裂隙組合也可能形成開挖邊坡坡面的不穩(wěn)定塊體,在此不再贅述。4.6.3拱肩槽錨固加固措施分析(1)邊坡開挖對左岸邊坡整體穩(wěn)定性有一定影響,運用變形加固理論分析,邊坡完全開挖的擾動與天然邊坡整體降強K=1.05的擾動大體相當。邊坡開挖的擾動集中在拱肩槽及開挖邊坡附近區(qū)域里。(2)就整體穩(wěn)定性而言,加固措施應使左岸整體降強安全度提高到K=1.30,目前的設計錨固措施可滿足此要求。(3)降強K=1.30工況時的不平衡力分布規(guī)律表明,單位面積的不平衡力在2030~1990m高程附近較大,表明該區(qū)是加固重點區(qū);開挖邊坡內側坡重點應加固煌斑巖脈出露點及其上游部位。拱肩槽錨固主要應針對壩頂1885~1810m高程區(qū)段(上、下游)和壩底1650~1600m高程區(qū)段(上游)?；诓黄胶饬Φ募庸谭桨高m用于長、大錨索及深層抗剪洞,對裂隙面不利組合構成局部滑塊可采用系統(tǒng)錨桿加以解決。4.6.4開挖邊坡穩(wěn)定性分析(1)右岸1885m高程以上壩頂及纜機平臺邊坡整體穩(wěn)定性主要由大理巖第6層薄~中厚層結構大理巖,未見變形拉裂現(xiàn)象,無規(guī)模較大的可能不穩(wěn)定塊體組合,整體穩(wěn)定性較好。局部穩(wěn)定性根據(jù)開挖邊坡巖性及巖體結構、風化卸荷、軟弱結構面發(fā)育情況、組合特征與邊坡相互關系的分析,主要存在局部覆蓋層邊坡(2010m高程以上)及由層間擠壓錯動帶為底滑面,以代表性斷層為后緣拉裂面的塊體組合,可能發(fā)生沿擠壓錯動帶的平面滑動破壞。(2)根據(jù)分析計算,天然邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于1.0,既天然邊坡基本穩(wěn)定,進行系統(tǒng)錨索加固后,穩(wěn)定性有較大提高,能夠滿足邊坡穩(wěn)定控制標準的要求。(3)右岸邊坡地下水位較高,結構面抗剪強度和地下水是影響右岸纜機平臺、拱肩槽開挖邊坡穩(wěn)定的控制因素,加固措施采取預應力錨索,輔以錨桿及噴混凝土支護和加強排水是必要的。5工程教學與設計方法5.1分層開挖邊界條件大量分析計算表明施工時序對坡體穩(wěn)定的影響與支護措施設計同樣重要。開挖卸荷松動回彈對坡體的影響范圍一般為30~60m。左岸壩肩抗力體受力條件較差,在開挖坡體內30m深度范圍以內1829~1670m高程之間布置4層基礎處理置換平洞及斜井,由于與邊坡位置近、工期重合對邊坡存在巨大影響。因此合理的開挖、支護施工時序控制對邊坡的施工期穩(wěn)定及變形控制均至關重要。(1)采用邊開挖邊支護、分層開挖支護的施工程序。邊坡上部砂板巖層風化、卸荷嚴重,巖體以V類破碎巖體為主,節(jié)理裂隙發(fā)育,爆破巖體受約束力小,容易抬起,對坡體損傷加劇。因此,邊坡梯段高度在左壩肩1730m高程以上區(qū)間一般不超過7.5m為宜,1730m高程以下及右壩肩一般為10~15m為宜。同一區(qū)段內的開挖宜平行下降,若不能平行下挖時,相鄰區(qū)段間的高差左壩肩1730m高程以上區(qū)間不宜大于7.5m,1730m高程以下及右壩肩不宜大于10~15m。(2)控制淺層噴錨、深層錨索支護與開挖工作面的高差,邊坡下挖前必須按施工圖完成上部臺階鎖口錨桿施工,左壩肩1730m高程以上區(qū)間系統(tǒng)支護中掛網(wǎng)噴混凝土、錨桿、錨桿束支護與開挖工作面的高差不應>7.5m,預應力錨索與開挖工作面的高差不應>15m。左壩肩1730m高程以下和右壩肩隨機支護和系統(tǒng)支護中掛網(wǎng)噴混凝土、錨桿、錨桿束支護與開挖工作面的高差不應>15m,預應力錨索與開挖工作面的高差不應>30m。(3)洞挖工程采用“先洞后坡”的開挖步驟。明挖與洞挖各自獨立進行,施工干擾小,地下工程抗震能力遠高于邊坡工程,失穩(wěn)規(guī)模及影響遠小于邊坡工程,“先洞”對坡體開挖地質條件能進一步的查明,并提前完成地下排水系統(tǒng),減低邊坡內水壓力,為邊坡的預加固提供觀測資料。5.2爆破質量要求錦屏一級水電站壩肩為深山峽谷地區(qū),地質條件復雜,坡體主要為大理巖及砂板巖。淺表巖體受風化卸荷的影響巖體破碎,上部為V類巖,下部多為IV類巖。工程開挖邊坡高陡,施工進度要求快,施工場地狹窄產生較大的施工干擾?？偨Y以上原因,對錦屏一級壩肩邊坡的爆破控制提出了超高難度的要求,必須進行細致的爆破方法設計及精細化的爆破施工才能滿足對工程質量及工程安全的要求。(1)為保持開挖后基巖完整性和開挖面平整度,爆破采用預裂爆破技術,對于不適應采用預裂爆破的部位,應預留保護層。爆破方案應在施工前進行爆破試驗后取得合理的爆破參數(shù),分析整理后對爆破孔孔距、孔深、孔方位角及傾角、裝藥方式、總藥量、引爆網(wǎng)絡及最大起爆藥量進行針對設計。(2)采用單排炮孔鉆孔爆破方法,梯段爆破鉆孔孔徑不得大于110mm,鄰居保護層爆破鉆孔孔徑不得>90mm,保護層爆破鉆孔孔徑不得>50mm,鉆孔不得鉆入保護層或建基面巖體。(3)爆破裂縫面應貫通,相鄰兩殘留炮孔間不平整度不應大于15cm。炮孔痕跡保存率II級巖體應達到90%,III級巖體應達到80%,IV級巖體應達到50%。(4)對特殊部位如緊鄰水平建基面、溝槽、地質缺陷部位的爆破制定了針對性的技術要求。采用坡腳質點振動速度作為邊坡開挖施工爆破的重要控制數(shù)據(jù),根據(jù)錦屏邊坡特點確定設計建基面及邊坡防護目標10m處安全質點振動速度要求≤10cm/s。每開挖一個梯段測試預裂爆破及梯段爆破各建基面的質點振動速度,判別該振動速度情況下,邊坡坡體的質量情況,建立二者之間的關系,評價爆破是否引起坡體破壞及邊坡爆破安全。5.3施工安全監(jiān)測和預報系統(tǒng),提高設計方的認識錦屏一級水電站壩肩邊坡施工條件惡劣,邊坡開挖存在巨大的安全控制風險,施工中對生命、財產的安全保障意義重大,必須充分考慮、細致落實、全面執(zhí)行,才能確保萬無一失。(1)建立完善的施工安全操作規(guī)程,進行動態(tài)施工期邊坡設計,提供及時地質預測、預報,對新發(fā)現(xiàn)疑似不穩(wěn)定區(qū)域進行快速穩(wěn)定分析,提供及時應急治理方案,完善施工、監(jiān)理、設計及業(yè)主四位一體的安全通報機制,形成施工安全周報及周例會制度,各司其職、各盡其責,保障施工安全。(2)運用多種手段進行監(jiān)測成果反分析,研究施工期邊坡變形及安全度預警、預報系統(tǒng),控制施工的預期風險。(3)設計方加強與施工承包商的技術交流和溝通,將設計意圖及坡體開挖要求及其影響向承包商進行細致交底,提高承包商對施工區(qū)域及開挖安全防范的認識。增強施工人員的主動安全防范意識。6地表變形監(jiān)測分析由于右岸邊坡地質條件相對單一,施工期變形及應力調整較弱,本文不作詳細介紹。對左岸邊坡特殊地質條件下施工期監(jiān)測情況及反分析成果詳述如下:左壩肩邊坡根據(jù)地形、地質條件及邊坡建筑物設計特性,建立了完善的包括外觀、內觀、應力、變形并結合特殊結構邊界及支護措施的監(jiān)測系統(tǒng)。設立80個外部觀測墩(見圖16),并根據(jù)邊坡開挖過程及坡體結構特征分為3個監(jiān)測區(qū)域,針對性布置監(jiān)測儀器:(1)1885m高程以上邊坡設置27套多點位移計、126臺錨索測力計、22套三點錨桿應力計和3個地下水監(jiān)測點。(2)1885m高程以下邊坡設27套多點位移計、18套單點錨桿應力計、43套錨索計和4個測斜孔。(3)左岸壩肩上游坡體的1834,1860,1883m高程三層抗剪洞共布設3點式位移計24套,單點式錨桿應力計8套,三點式錨桿應力計16套,位錯計28套,測縫計18支,鋼筋計16支,滲壓計12支,五向應變計組10組,無應力計10套。另外,針對深部裂縫的地質特征,利用勘探平洞及排水洞共有10個,在其中布置石墨桿計等變形檢測測儀進行深部變形監(jiān)測。邊坡主要變形監(jiān)測儀器布置如圖16所示。壩肩左岸邊坡的施工期監(jiān)測成果如下:(1)邊坡地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:各測點累計垂直河流方向水平位在-28.8~79.5mm。垂直位移累計在-32.3~52.5mm,多數(shù)測點垂直位移表現(xiàn)為沉降值,部分測點有較明顯抬升,目前位移均趨于收斂。地表變形最大測點及數(shù)值見表7。從區(qū)域分析,變形較大點均位于邊坡開口線附近或纜機平臺下方,與應力變形分析成果一致。(2)邊坡深層變形監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:左岸邊坡施工期變形控制與分析成果一致,壩頂以上邊坡開挖屬于卸載,整體穩(wěn)定安全度增加,在做好施工梯段、爆破控制的前提下,邊坡未發(fā)生大的變形破壞情況;壩頂以下開挖減低了坡體安全系數(shù),位于左岸1930m高程的PD44#探洞布置的石墨桿計監(jiān)測(見圖16)成果表明:一定深度范圍內伴隨施工進度存在一定的坡體變形,且變形以深部變形為主。變形速率大致一致,最大速率為0.1mm/d,無急劇加速跡象。最大變形量為50~60mm,隨邊坡下挖及支護措施的跟進,變形趨于收斂。如圖17,18所示,6個測點過程線分別代表6個樁號部位的變形過程值。這種規(guī)律也印證了邊坡存在深部變形的破壞模式。(3)對左岸壩肩邊坡的錨桿及錨索測力計監(jiān)測成果分3段進行統(tǒng)計比較如下:(1)1960m高程以上纜機平臺邊坡,錨索測力計以錨固力損失為主,錨固力平均損失<5.8%;錨桿應力計實測錨桿應力在-15.7~63.7MPa,錨桿應力和月變化量均較小,邊