鶴灘水電站樹灘邊坡卸荷變形特征及機制分析

1邊坡地質(zhì)特征中國的大型節(jié)水項目大部分集中在西部的高山峽谷。在建設項目中，陡峭的巖石邊坡上穩(wěn)定性非常突出。關于高邊坡的穩(wěn)定性國內(nèi)外學者進行過系統(tǒng)的研究和論述,總結(jié)出了高邊坡穩(wěn)定問題中的一些共性特征,但由于高邊坡所處的地質(zhì)環(huán)境的差異,具體的不同巖石邊坡又表現(xiàn)出差異性特點。特別是層狀巖石邊坡的巖層產(chǎn)狀與邊坡走向的組合關系對邊坡的地質(zhì)演化過程以及邊坡穩(wěn)定性影響較大。白鶴灘水電站河谷邊坡在地質(zhì)歷史過程中,隨著河谷下切,岸坡不同部位不同高程的巖體均產(chǎn)生了不同程度的變形,特別是左岸順層邊坡表現(xiàn)出較強的規(guī)律性。本文根據(jù)地質(zhì)勘察成果對左岸邊坡的變形特征進行了分析,采用UDEC和3DEC數(shù)值計算結(jié)果與地質(zhì)分析結(jié)果進行了對比印證,對于類似工程邊坡的穩(wěn)定性研究有一定的借鑒意義。2混凝土蓄水位計算金沙江白鶴灘水電站位于金沙江下游河段,設計正常蓄水位825m,混凝土雙曲拱壩壩高289m,初擬電站裝機容量14004MW,屬巨型水電站。2.1神樹溝溝口下游河段白鶴灘壩區(qū)屬中山峽谷地貌,金沙江總體由南向北流。壩區(qū)自然邊坡是指自大寨溝溝口上游500m起,至神樹溝溝口下游200m止,河段長2.45km。由圖1可見,左岸谷肩以上總體上表現(xiàn)為斜坡地形,谷肩以下,為陡壁與緩坡相間地形,陡壁間有較窄的緩坡臺地相連,緩坡臺地順巖流層面發(fā)育,其上堆積有上級陡壁巖體的崩積物。左岸谷肩以下綜合地形坡度42°左右。左岸谷肩以下自然邊坡高度200~440m。2.2東湖湖湖布署第24巖流層左岸邊坡主要出露二疊系上統(tǒng)峨眉山組玄武巖,壩址區(qū)峨眉山組玄武巖根據(jù)噴發(fā)間斷共劃分為11個巖流層。其中,壩址左岸邊坡主要出露第2~4巖流層。每一個巖流層自下而上一般為熔巖、角礫熔巖,頂部為凝灰?guī)r,熔巖主要為斜斑玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖、少量微晶玄武巖、杏仁狀玄武巖,以及隱晶玄武巖中發(fā)育柱狀節(jié)理的柱狀節(jié)理玄武巖。根據(jù)壩區(qū)玄武巖噴溢規(guī)律及巖性特點,對玄武巖各巖流層又進行了巖性亞層和小層的劃分。左岸高邊坡有50個巖性小層。2.3布置上分層流層壩址地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為原生構(gòu)造及斷裂構(gòu)造,斷裂構(gòu)造包括斷層、層間錯動、層內(nèi)錯動、裂隙等形式。壩址巖層產(chǎn)狀N35°~55°E,SE∠15°~20°。玄武巖原生構(gòu)造主要指隱晶質(zhì)玄武巖中發(fā)育的柱狀節(jié)理,左岸柱狀節(jié)理主要在5個亞層內(nèi)比較發(fā)育。壩區(qū)主要發(fā)育N31°~60°W,N11°~30°W,N31°~60°E,N11°~30°E四組斷層,斷層傾角60°以上的,性質(zhì)以平移或走滑為主。其中F3,F11,F12,F13,F14,F16等NW向斷層規(guī)模較大。各巖流層頂部凝灰?guī)r層中均發(fā)育有貫穿性的層間錯動帶,左岸發(fā)育有C2,C3,C3–1等層間錯動帶。巖流層內(nèi)還發(fā)育有順層或小角度切層的層內(nèi)錯動帶,層內(nèi)錯動帶隨機發(fā)育,延伸長短不一。層內(nèi)錯動帶大多沿角礫熔巖與隱晶質(zhì)玄武巖的接觸面發(fā)育。左岸延伸較長的層內(nèi)錯動帶為LS337,長度大于600m,其他錯動帶長度一般100~300m。層間和層內(nèi)錯動帶一般與巖流層近平行。2.4岸坡巖體卸荷導向性壩區(qū)出露的致密玄武巖和玄武質(zhì)角礫熔巖均屬堅硬巖,其自身抗風化能力強,風化作用主要沿斷層、裂隙及緩傾角錯動帶進行,以裂隙式和夾層狀風化特征為其主。白鶴灘壩區(qū)岸坡巖體卸荷主要表現(xiàn)為構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的張開,也有的卸荷裂隙部分追蹤構(gòu)造結(jié)構(gòu)面部分拉斷巖體。卸荷裂隙多追蹤SN~NW向的斷層、裂隙等結(jié)構(gòu)面發(fā)育。在左岸,緩傾角錯動帶是導致卸荷強烈的主要影響因素,其對巖體卸荷起一定的控制作用,一般錯動帶上盤巖體易松弛,多處可見陡傾角的張裂縫終止于緩傾角錯動帶。左岸邊坡風化卸荷深度見表1。2.5出露點位置左岸邊坡巖體變形主要表現(xiàn)為巖體中產(chǎn)生卸荷裂隙和邊坡表層巖體的整體松弛。長大卸荷裂隙張開寬度一般為5~10cm,最寬30cm;長度一般為35~130m,最長165m;出露點垂直埋深一般10~70m,最深147m;水平深度(距坡面的水平距離)一般為6~98m,最深106m。左岸拉裂縫以J110與J130規(guī)模較大,J110是由數(shù)條雁行式排列的拉裂縫連接而成。3緩傾角錯動帶左岸邊坡變形主要有如下特征:(1)左岸坎狀地形平緩地帶均沿緩傾錯動帶形成,反映了岸坡改造過程中錯動帶的底滑面作用,緩傾角錯動帶是邊坡穩(wěn)定的控制性因素;(2)在鉛直方向上,卸荷裂隙大部分止于緩傾角錯動帶。C3–1,LS337均限制了卸荷裂隙的向下發(fā)展。說明緩傾角錯動帶是邊坡巖體變形的控制性結(jié)構(gòu)面;(3)大型陡崖均呈NW向,沿NW向斷層發(fā)育,表明規(guī)模較大的NW向斷層是邊坡變形的側(cè)向控制邊界,斷層下游側(cè)一定范圍巖體的變形發(fā)展速率要明顯大于斷層的上游側(cè)。如NW向斷層F14的上下游側(cè)巖體風化與卸荷強度差異明顯,上游側(cè)卸荷深度明顯小于下游側(cè);(4)同一緩傾角錯動帶上盤的卸荷裂隙,在一定范圍內(nèi)表現(xiàn)出水平發(fā)育深度下游大于上游的特點,C3–1上盤和LS337上盤長大卸荷裂隙發(fā)育均有此特點,表明變形有從下游向上游漸進式發(fā)展的特點。這種漸進式發(fā)展會受到NW向斷層如F14的局部控制。4重要結(jié)構(gòu)面的力學參數(shù)對邊坡變形的影響由左岸邊坡變形特征推測緩傾角錯動帶和NW向斷層是左岸邊坡變形的主要控制因素,為此,用UDEC進行數(shù)值計算,分析了緩傾角錯動帶對邊坡變形的影響。計算模型以實測工程地質(zhì)剖面為基礎,模擬了不同巖性、重要的緩傾角錯動帶以及斷層。巖體及結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)并未完全照搬設計院提供的力學參數(shù),而是以此為基礎在合理范圍內(nèi)調(diào)整重要結(jié)構(gòu)面的力學參數(shù)以擬合邊坡實際變形現(xiàn)象和變形規(guī)律,最后綜合確定出后續(xù)計算所采用的力學參數(shù),表2列出了壩區(qū)重要結(jié)構(gòu)面的力學參數(shù)。計算時假設地應力場為自重應力場,結(jié)構(gòu)面采用庫侖滑移模型。4.1層間緩傾角錯動帶的位置緩傾角錯動帶的傾向與河谷走向近一致,因此一條規(guī)模較大的錯動帶在河谷以及岸坡的出露范圍較大,從河床底到岸坡都有分布。為了模擬緩傾角錯動帶對邊坡變形的影響,有針對性的選擇了4個實測剖面進行數(shù)值分析,在4個剖面中壩區(qū)重要的層間緩傾角錯動帶C2分布在河床以下較深部位、較淺部位、臨近河床到在坡腳出露的4個不同位置。圖2為不同剖面上C2的剪切變形特征(X線為與河谷垂直的壩軸線)。由圖2可以看出,當緩傾錯動帶出現(xiàn)在河床下較深部位時,緩傾角錯動帶變形不明顯,原因是深部受較高的法向應力約束。當緩傾錯動帶分布在較淺的部位,剪切變形開始產(chǎn)生,當C2在坡腳臨空時剪切變形最顯著,沿錯動帶的顯著影響深度達到200m左右,剪切變形沿錯動帶從山里向山外逐漸累進增加,到坡腳部位達到最大約40cm。緩傾錯動帶在河谷下切侵蝕過程中的這種變形方式說明左岸邊坡的變形并不是單純的重力卸荷機制,壩址區(qū)左岸低高程部位存在的一些平緩地形,可能是緩傾錯動帶剪切變形發(fā)展到破壞的表現(xiàn)形式。4.2模型建立和計算結(jié)果為研究左岸邊坡變形趨勢以及緩傾角錯動帶和陡傾角斷層對邊坡變形的影響,采用3DEC計算程序進行三維數(shù)值分析。模型中考慮了主要緩傾角錯動帶C2,LS337,C3–1,C3以及主要斷層F17,F14,f114,裂縫主要模擬了J110,其他節(jié)理則用隨機節(jié)理代替,允許巖塊連續(xù)變形和結(jié)構(gòu)面非連續(xù)變形。計算時假設地應力場為自重應力場,結(jié)構(gòu)面采用庫侖滑移模型,按強度折減法的思路,按比例改變結(jié)構(gòu)面LS337和C3–1的力學參數(shù),目的是獲得邊坡變形特征。計算結(jié)果如圖3所示。高程850m平切面變形特征見圖4。從圖3和4可以得出如下結(jié)論:(1)邊坡變形總體上表現(xiàn)出從下游向上游,F14,f114等NW向斷層對邊坡變形起到了限制作用,即其上、下游變形量級有明顯差別;(2)變形從下游側(cè)臨空面向上游發(fā)展,到了F14,其上游側(cè)變形急劇收斂;(3)從圖4可以看出,位移沿NW向有明顯的分界,但變形方向仍然為SE向,即與巖層傾向基本一致。4.3緩傾角錯動帶的破壞機制結(jié)合地質(zhì)勘察成果及數(shù)值模擬分析,得出左岸邊坡變形機制如下:隨著河谷的下切,邊坡巖體產(chǎn)生向臨空方向的卸荷變形,變形包括地應力釋放而產(chǎn)生的巖石回彈變形、結(jié)構(gòu)面的張開變形和沿錯動帶的剪切變形等;邊坡形成后,由于應力釋放,首先在邊坡前緣坡頂形成應力松弛區(qū)或拉應力區(qū),從而形成卸荷裂隙(即拉裂縫);當緩傾角錯動帶在坡腳出露時,沿錯動帶產(chǎn)生剪切變形,剪切變形會弱化錯動帶的工程地質(zhì)性狀,其上盤巖體由于應力松弛而出現(xiàn)裂隙張開,該變形破壞機制是比較典型的“蠕滑拉裂”型;隨著時間的推移,卸荷裂隙逐漸連通并與NW向結(jié)構(gòu)面組合形成可動塊體,在重力及水壓力等作用下,即沿緩傾角錯動帶產(chǎn)生滑動破壞或解體破壞;對于緩傾角錯動帶來說,越靠近臨空面(前緣),剪切變形越大,卸荷、風化、地下水作用越強烈,錯動帶的工程地質(zhì)性狀也越差。所以破壞往往是從前緣開始,向后緣發(fā)展。由于巖層產(chǎn)狀傾向上游偏右岸,緩傾角錯動帶臨空是由下游開始,向上游發(fā)展,故邊坡變形自下游向上游漸進式發(fā)展。NW向結(jié)構(gòu)面尤其是規(guī)模較大的斷層,對左岸邊坡由下游向上游發(fā)展的變形也起到一定的限制作用,即NW向結(jié)構(gòu)面下游側(cè)巖體變形明顯大于上游側(cè),規(guī)模較大的NW向斷層如F14,F12,F13等都是邊坡變形的側(cè)緣控制邊界。5“壓縮試驗”變形破壞機制(1)緩傾角錯動帶是邊坡巖體變形的控制性結(jié)構(gòu)面,勘察成果及數(shù)值分析結(jié)果表明其下盤巖體沒有表現(xiàn)出明