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      長河壩水電站S211復建公路高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及加固措施

      2013-12-17 10:48:58聶云峰徐自享
      水電站設(shè)計 2013年3期
      關(guān)鍵詞:巖質(zhì)卸荷風化

      聶云峰,張 義,徐自享

      (中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院 交通分院,四川 成都 610072)

      1 前 言

      長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)大渡河上游干流上,為大渡河干流河段梯級開發(fā)規(guī)劃的第十梯級電站,是以發(fā)電為主,兼有防洪等綜合利用效益的大型水利水電樞紐工程。電站裝機容量2 600MW,水庫正常蓄水位1 690m。長河壩水電站上距丹巴縣城約85km,下距瀘定縣城、康定縣城分別約50km、51km,距成都公路里程約360km,省道S211公路從電站樞紐區(qū)右岸通過,并在下游瓦斯河口與國道G318線相接,交通較為方便。根據(jù)《長河壩水電站可行性研究報告》設(shè)計成果,按照電站水庫淹沒影響及施工總布置要求, 需對該段S211省道進行復建。

      長河壩水電站S211復建公路K13+510~K13+600m段邊坡陡峻,坡度約40°~65°,大部基巖裸露,巖體卸荷強烈,線路在該陡坡段以外擋內(nèi)挖方式通過,支護措施為預應力錨索擋土墻及噴錨支護等。影響巖質(zhì)高陡邊坡的穩(wěn)定性的因素主要分為兩類:內(nèi)在因素與外在因素。內(nèi)在因素包括不利結(jié)構(gòu)面組合、巖體質(zhì)量、巖體風化卸荷特征等;外在因素包括爆破震動、地下水、地震等。根據(jù)優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面理論,巖質(zhì)邊坡工程不僅應注意邊坡整體穩(wěn)定性,也應注意局部塊體穩(wěn)定。

      本文根據(jù)巖質(zhì)邊坡實際情況,采用巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序?qū)Υ蠖珊铀娬镜湫透叨笌r質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定性進行了計算分析,分析了處于不利結(jié)構(gòu)面組合中的危巖體,并根據(jù)計算結(jié)果提出了有效加固措施。

      2 高陡巖質(zhì)邊坡地質(zhì)條件

      2.1 地形地貌

      工程區(qū)屬深切峽谷地貌,河谷狹窄,谷坡陡峻,河谷下部主要為“V”形谷,局部為峽谷,中上部為寬谷。地形坡度一般40°~45°,局部45°~65°,河床寬度60~150m。該段兩岸分布多條小沖溝,溝槽中分布少量崩積塊碎石,結(jié)構(gòu)松散。

      2.2 地層巖性

      工程區(qū)巖性為晉寧期-澄江期淺灰色~灰白色花崗巖,花崗巖體內(nèi)含有深灰色輝長巖捕虜體,巖體間呈焊接式接觸關(guān)系。

      花崗巖呈淺灰、淺灰白色,偶見肉紅色,中細粒、中粗?;◢徑Y(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。其礦物成分主要有斜長石、鉀長石、石英、黑云母及少量副礦物(如細粒鐵礦、榍石、磷灰石等)組成。其中斜長石約35%~50%,石英約20%~30%,鉀長石為20%~30%,黑云母約2%~4%。石英閃長巖、輝長巖及淺灰色粗粒黑云母花崗巖局部分布。

      2.3 地質(zhì)構(gòu)造

      工程區(qū)無區(qū)域性斷裂、斷層通過,地質(zhì)構(gòu)造以節(jié)理裂隙(裂隙密集帶)為主要特征,屬于Ⅳ~Ⅴ級結(jié)構(gòu)面,主要為原生結(jié)構(gòu)面及構(gòu)造結(jié)構(gòu)面,個別為次生結(jié)構(gòu)面。

      巖體內(nèi)發(fā)育的裂隙主要有4組:(1)N20°~50°E/SE∠30°~55°,(2)N20°~40°E/SE(NW)∠75°~85°,(3)N60°~85°W/NE(SW)∠70°~85°,(4)N10°~30°E/ NW∠10°~30°。1組結(jié)構(gòu)面間距2~5m,結(jié)構(gòu)面延伸長均在數(shù)十米以上,部分貫穿整個左右岸,將岸坡巖體切割成似層狀,面多平直,微起伏粗糙,一般張開1~5mm,局部張開5~8mm,嵌合松弛,連通性較好。因此,該組結(jié)構(gòu)面是控制壩區(qū)岸坡穩(wěn)定和洞室穩(wěn)定的主要控制性結(jié)構(gòu)面。2和3 組結(jié)構(gòu)面間距1~3m,結(jié)構(gòu)面延伸長均在10~30m以上,面多起伏粗糙,張開0.5~2mm,嵌合較松弛,連通性較好;4組緩傾結(jié)構(gòu)面延伸長度幾米至十余米,常單條發(fā)育,局部地段發(fā)育密度大,面多起伏粗糙,一般張開0.2~1mm,連通性較好。

      2.4 水文地質(zhì)條件

      大渡河兩岸沖溝旱季無水,僅暴雨期匯集較小流量,向大渡河排泄。

      工程區(qū)根據(jù)地下水的賦存條件,含有少量基巖裂隙水。岸坡一般弱風化上段(強卸荷)巖體具強~極強透水性;弱風化下段(弱卸荷)巖體具中等~強透水性;微新巖體具弱微透水性。

      2.5 地 震

      根據(jù)該水電站工程場地地震安全性評價報告,該區(qū)50年超越概率10%的基巖動峰值加速度為0.172g(地震基本烈度為Ⅷ度),動反應譜特征周期為0.45s。故公路結(jié)構(gòu)物或構(gòu)造物水平地震峰值加速度和反應特征周期分別按0.172g和0.45s進行抗震設(shè)防。

      2.6 巖體風化卸荷特征

      工程區(qū)巖體主要為花崗巖,巖石致密堅硬,抗風化能力強,風化作用主要沿裂隙進行,局部可見球狀風化,其風化強度、深度和分布規(guī)律明顯受構(gòu)造、地形、巖體卸荷和地下水等因素控制,總的風化特征是:

      (1)巖體風化微弱,淺表部位巖石總體屬弱風化,主要表現(xiàn)為沿裂面多有銹蝕、褪色或2~5mm風化暈。擠壓斷層破碎帶或裂隙密集帶,往往局部風化較強,形成夾層風化。

      (2)巖體風化隨高程降低而有所減弱,河床巖體風化一般較淺。

      (3)巖體卸荷促進巖體風化的加劇,岸坡巖體風化程度隨著卸荷作用的增強而有所增強。

      (4)在有地下水活動處巖石風化亦相對較強。

      (5)弱風化巖體的聲波縱波波速Vp=3 000~4 500m/s。

      (6)弱風化帶巖體根據(jù)其風化程度和工程意義可進一步分為弱風化上段和下段,弱風化上段一般與強卸荷帶相對應,弱風化下段與弱卸荷帶相對應。

      工程區(qū)巖體具有集中卸荷和夾層式風化的特點,弱風化深度約3~14m,強卸荷深度30~40m,弱卸荷深度80~120m。

      2.7 局部危巖體發(fā)育特征

      工程區(qū)地形陡峻、巖體堅硬致密、節(jié)理裂隙發(fā)育、懸崖眾多,為斜坡巖體松動并轉(zhuǎn)化為危巖體創(chuàng)造了條件,只要是斜坡地形較陡的地段都不同程度的發(fā)育危巖體。危巖體的主要特征為:巖體被三組至四組節(jié)理裂隙切割,巖體嚴重松動,節(jié)理裂隙張開1~20cm,有的危巖體僅有底面與斜坡基巖接觸,周圍臨空。工程區(qū)發(fā)育的危巖體是公路主要的不良地質(zhì)現(xiàn)象,對公路安全運行構(gòu)成了較為嚴重的威脅。

      3 邊坡整體穩(wěn)定性分析評價

      3.1 邊坡概況

      工程區(qū)所在公路等級為三級,巖質(zhì)邊坡按其所屬公路工程等級、邊坡所處位置、邊坡重要性等分析,工程區(qū)地質(zhì)條件較復雜,屬于一級邊坡,為高陡永久邊坡。

      高陡巖質(zhì)邊坡典型斷面K13+550m處邊坡高46.9m,坡度約50°~60°,最陡處約60°~70°,表層卸荷較強烈,節(jié)理裂隙較發(fā)育,結(jié)構(gòu)面微張~張開,巖體被三組至四組節(jié)理裂隙切割形成軟弱結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面類型為巖屑夾泥。

      因該處斜坡陡峻,若采用內(nèi)挖邊坡方式,則開挖形成三級巖質(zhì)高邊坡。該段邊坡裂隙較發(fā)育,卸荷較強烈,1組結(jié)構(gòu)面和2組結(jié)構(gòu)面易形成不利結(jié)構(gòu)面組合,影響邊坡整體穩(wěn)定。綜上所述,如采用邊坡開挖方案則支護工程量較大,工程造價較高,不能滿足經(jīng)濟、合理、有效的工程設(shè)計原則。因此該段邊坡采用了不開挖外擋方案,即階梯式錨索擋土墻方案,利用擋土墻自重反壓邊坡,并使預應力錨索穿過巖體強卸荷下限,進入弱風化弱卸荷花崗巖一定深度,確保邊坡整體穩(wěn)定。

      3.2 邊坡安全系數(shù)取值

      根據(jù)(JTG D30—2004)《公路路基設(shè)計規(guī)范》第3.7.4條規(guī)定,路塹邊坡穩(wěn)定性驗算時,其穩(wěn)定性系數(shù)應滿足表1規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)要求,否則應對邊坡進行支護。

      表1 路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

      3.3 邊坡設(shè)計標準

      3.3.1 邊坡荷載組合

      對于開挖后的邊坡,荷載組合為自重+天然狀態(tài)地下水壓力;對于施加支護后的邊坡,荷載組合為自重+天然狀態(tài)地下水壓力+支護措施加固力+路面汽車軸載。工程區(qū)車輛荷載為汽車—80級,汽車軸載為530kN,軸間距3m。

      3.3.2 邊坡設(shè)計工況

      邊坡設(shè)計工況分為三種,分別為:

      (1)正常工況:邊坡處于天然狀態(tài)下的工況;

      (2)正常工況Ⅰ:邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨狀態(tài)下的工況;

      (3)非正常工況Ⅱ:邊坡處于地震等荷載作用狀態(tài)下的工況。

      3.4 邊坡整體穩(wěn)定性計算依據(jù)

      3.4.1 典型剖面選取

      通過現(xiàn)場地面地質(zhì)調(diào)查,本文選取K13+550m處具有代表性的沿主滑方向(優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組合方向即1組結(jié)構(gòu)面與2組結(jié)構(gòu)面的不利結(jié)構(gòu)面組合方向)的剖面進行穩(wěn)定性計算,以便詳細分析評價高陡巖質(zhì)邊坡的情況。

      3.4.2 滑面假設(shè)及滑移模式

      根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查,上述高陡邊坡基巖裸露,巖性為花崗巖,卸荷較強烈,節(jié)理裂隙較發(fā)育,部分結(jié)構(gòu)面連貫性較好,巖體可能沿不利結(jié)構(gòu)面組合即軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生平面滑動。

      3.4.3 計算方法

      本文采用水科院陳祖煜院士開發(fā)的EMU巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析軟件,計算方法主要采用嚴格janbu(檢布)法、簡化Bishop法。

      3.4.4 計算工況

      結(jié)合滑移模式,本文分別核算了三種工況,即天然條件、降雨條件(按孔隙水壓力系數(shù)γu=0.2考慮)、8度地震工況。

      3.4.5 計算參數(shù)

      邊坡計算選取強度參數(shù)見表2。

      表2 邊坡穩(wěn)定計算參數(shù)

      暴雨或長時間降雨工況下軟弱結(jié)構(gòu)面凝聚力選取為0.035MPa,地震工況下軟弱結(jié)構(gòu)面凝聚力選取為0.03MPa。

      3.4.6 邊坡開挖及支護方案

      K13+550m處邊坡較為陡峻,采用不開挖外擋即錨索擋土墻支護方案(見圖1)。具體開挖及支護方案如下:

      邊坡高53.8m,高陡巖質(zhì)邊坡按規(guī)范要求開挖呈階梯型,高寬比1∶0.5。底寬4.475m,階梯高2~3m,階梯寬1~1.5m。擋土墻基礎(chǔ)及墻身均采用C15片石混凝土。

      沿剖面方向布置2根8φ15.2預應力錨索,鎖定張拉力為1 000KN,錨索長30m,下傾10°~15°。錨桿采用¢25注漿錨桿,長4.5m,錨入巖體3.5m,梅花型布置。

      3.5 邊坡整體穩(wěn)定性計算

      本次利用極限平衡分析方法進行計算,其穩(wěn)定系數(shù)見表3。

      表3 邊坡整體穩(wěn)定性計算結(jié)果

      3.6 邊坡整體穩(wěn)定性評價

      根據(jù)邊坡整體穩(wěn)定性計算結(jié)果,K13+550m自然邊坡在天然工況下為基本穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨工況下為欠穩(wěn)定狀態(tài),在地震工況下為失穩(wěn)狀態(tài)。K13+550m邊坡施加錨索+噴錨支護后在天然工況及暴雨工況下為穩(wěn)定狀態(tài),在地震工況下為基本穩(wěn)定狀態(tài)。

      4 邊坡局部危巖體穩(wěn)定性分析評價

      工程區(qū)斜坡陡峻,該段公路上方約20m陡坡處分布危巖體,巖體松動變形強烈,局部懸空。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,邊坡為N27°E/SE∠60°,危巖體主要被三組結(jié)構(gòu)面切割:

      圖1 K13+550m處邊坡開挖支護示意

      (1)L1:N35°E/SE∠43°;

      (2)L2:N30°E/SE∠80°;

      (3)L3:N73°W/NE∠78°。

      從圖2可見,L1結(jié)構(gòu)面與L2結(jié)構(gòu)面與坡面傾向相同,L1結(jié)構(gòu)面為順坡向中傾節(jié)理,傾角小于坡角。L2結(jié)構(gòu)面為順坡向陡傾節(jié)理,傾角大于坡角。L3結(jié)構(gòu)面基本垂直于邊坡坡向,屬于橫坡向陡傾節(jié)理。因此L1、L2、L3結(jié)構(gòu)面與坡面組成較明顯的不穩(wěn)定塊體,穩(wěn)定性較差,判定為危巖體。

      建議工程區(qū)根據(jù)局部危巖體分布情況,有針對性的采用長錨桿及錨筋束加固方案,錨桿與錨筋束與結(jié)構(gòu)面應大角度相交,若塊體體積較小時可采取爆破清除方案,確保邊坡局部塊體穩(wěn)定性。

      5 結(jié)論及建議

      5.1 結(jié) 論

      (1)巖質(zhì)邊坡開挖后在某些工況下可能沿軟弱結(jié)構(gòu)面即不利結(jié)構(gòu)面組合產(chǎn)生失穩(wěn),施加錨索后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)明顯提高,無邊坡整體失穩(wěn)現(xiàn)象。根據(jù)穩(wěn)定性計算結(jié)果和邊坡結(jié)構(gòu)特征分析,施加支護后該邊坡整體穩(wěn)定,邊坡支護設(shè)計方案合理有效。

      圖2 邊坡主要結(jié)構(gòu)面赤平極射投影

      (2)高陡巖質(zhì)邊坡局部存在危巖體,本文利用赤平極射投影圖分析評價了結(jié)構(gòu)面對邊坡局部塊體穩(wěn)定性的影響,提出了相應加固措施。

      5.2 建 議

      (1)邊坡支護設(shè)計時應根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)情況,因地制宜采用多種支護手段,選擇經(jīng)濟合理有效的支護方案。

      (2)巖質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定狀態(tài)主要取決于軟弱結(jié)構(gòu)面,應查清軟弱結(jié)構(gòu)面分布及其對邊坡巖體的不利影響因素,為邊坡加固方案提供符合實際情況的設(shè)計參數(shù)。

      (3)邊坡錨索施工時應充分考慮軟弱結(jié)構(gòu)面的走向及傾角,為最大限度發(fā)揮錨索的作用,應盡可能使預應力錨索與軟弱結(jié)構(gòu)面大角度相交。

      (4)巖質(zhì)邊坡爆破震動對巖體結(jié)構(gòu)面力學性能產(chǎn)生較大影響,對高陡巖質(zhì)邊坡采取弱爆破方式,保證巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。

      [1] 王恭先,徐峻齡,劉光代,等.滑坡學與滑坡防治技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2004(9).

      [2] 吳海斌. 三峽永久船閘巖石高邊坡工程穩(wěn)定技術(shù)[J].巖石力學與工程學報,2002,21(2):261-267.

      [3] 朱婷,黃宜勝,郭建.基于優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面理論的高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2010,37(2):83-86.

      [4] 蔣建平,章楊松,羅國煜,等.優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面理論在巖土工程中的應用[J].水利學報,2001(8):90-96.

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