（岩土工程专业论文）紫坪铺引水发电洞进水口边坡监测与稳定性研究.pdf

摘要 本文以紫坪铺水利枢纽工程弓l 水发电洞进水口边坡为研究对象。引水发电洞进 水口边坡开挖工程蔻紫坪铺水利枢纽工程的重中之重，在边坡开挖期间边坡稳定与 否直接关系到施工期的安全和整体工程的施工进展，工程建成后的稳定性也关系载 工程的运行安全。从施工与运行安全的角度出发，对边坡进行稳定性般测和分析有 重要的工程意义。 本文的研究重点是引水发电洞遴水口边坡在开挖支护过程中的稳定性和变形 特征，所以这一阶段的监渊成果以及模拟计算结柴是本文分析的重点。 文中概述了边坡稳定性研究的方法、种类以及岩土工程监测技术的发矮及应 用，详细介绍了边坡工程监测技术的应用，对弓i 水发电洞进水口边坡的监测成果作 了详细的分析，其中变形特征及影响因素分析不仅可用于引水发电洞迸水目边坡， 还具有为以后类似边坡工程的稳定性分析和处理提供参考的价值。滥测信患的反馈 在修改设计、指导施工中发簿了煎要作用。 本文采用f l a c 软件模拟了边坡开挖过程中，在未采淑支护措施和采取支护措 施两秘工况下的稳定性，并对其进行对照分析，以说明采取支护措施的必要性和取 得的支轳效果。 通过模拟计算绩果与实际监测对照分析坡体变形特征，找出模拟计算与实际懿 测不符之处，分柝模型中存在的缺陷以及实醛施工中的不足，在今后工 乍中加以改 进。 关键谲：开挖边坡；安全漪测；变形特征；数值模拟；稳定性分孝斤 a b s t r a c t t h i sp a p e rt a k e st h ew a t e r - i n t a k es l o p ea st h er e s e a r c ho b j e c t a st h ee x c a v a t i o n w o r k so ft h ew a t e r i n t a k es l o p ei so ft h em o s ti m p o r t a n c ea m o n ga l li m p o r t a n tt h i n g s ， d u r i n gt h ee x c a v a t i o np e r i o d ，w h e t h e rt h es l o p ei ss t a b l eh a sc l o s ec o r r e l a t i o nt ot h e s e c u r i t yd u r i n gc o n s t r u c t i o np e r i o da n dt h ep r o g r e s so ft h ew h o l ep r o j e c t e m b a r k i n g f r o mt h ec o n s t r u c t i o na n dt h em o v e m e n ts e c u r i t y a n g l e ，c a r r y i n g o nt h es t a b l e m o n i t o r i n ga n da n a l y s i st ot h es l o p eh a st h ei m p o r t a n tp r o j e c ts i g n i f i c a n c e t h ep r i m a r yc o v e r a g eo ft h i sp a p e ri st h ew a t e r - i n t a k es l o p es t a b i l i t ya n d d e f o r m a t i o nb e h a v i o r sd u r i n ge x c a v a t i o na n dt a k i n gp r o t e c t i o np e r i o d ，s or e s u l t so f m o n i t o r i n ga n ds i m u l a t i o nd u r i n gt h i sp e r i o da r ea n a l y z e ds u f f i c i e n t l y t h i sp a p e rn a r r a t e db r i e f l yt h em e t h o d so fi n v e s t i g a t i o ni n t os l o p es t a b i l i t ya sw e l l a st h em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o ni ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g t h ea u t h o ri n t r o d u c e dt h es i d es l o p ep r o j e c tm o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o ni nd e t a i l t h em o n i t o r i n gr e s u l t so ft h ew a t e r i n t a k es l o p ea r ea n a l y z e ds u f f i c i e n t l y 1 h ei n f l u e n c e f a c t o r sa n a l y s i sn o to n l ym i g h tu s ei nt h ew a t e r i n t a k es l o p e ，b u ta l s ow i l lh a v et h e r e f e r e n c ev a l u ef o rt h el a t e rs i m i l a rs l o p ep r o j e c t ss t a b l ea n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g m o n i t o r i n gi n f o r m a t i o nf e e d b a c kp l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei nm o d i f y i n gd e s i g na n d g u i d i n gc o n s t r u c t t h i sp a p e ru s e sf l a ct os i m u l a t et h es l o p ee x c a v a t i o np r o c e s s + d u r i n gt h i sp r o c e s s ， t h ea u t h o rs i m u l a t e sa n dc a l c u l a t e st h es l o p ed e f o r m a t i o nf o rt w oc o n d i t i o n s ，o n ei s t a k i n gn op r o t e c t i o n ，a n dt h eo t h e ri su n d e rp r o t e c t i o n t h r o u g hc o m p a r i n gt h et w o r e s u l t st od e c l a r et h a tt a k i n gs o m em e t h o dt os u p p o r ti sn e c e s s a u r , a n dt oe x a m i n ea n d c e r t i f yt h a tt h ep r o t e c t i o ni se f f e c t i v e n e s s b yc o m p a r i n g s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dm o n i t o r i n gr e s u l t st o a n a l y z es l o p e d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，d i s c o r e rt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w oc a t a l o g u er e s u l t s ， a n a l y z ef l a w se x i s t i n gi nt h em o d e la sw e l la st h ed e f i c i e n c yo fa c t u a lc o n s t r u c t i o n a l lo f w h i c hw i l lb ep e r f e c t e di nf i g u r ew o r k k e y w o r d s ：e x c a v a t i o ns l o p e ；m o n i t o r i n g ；d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； s t a b i l i t ya n a l y s i s 第1 章前言 第1 章前言 1 1 选题依据及研究意义 近几年来，采矿、水利、交通和建筑等工程蓬勃发展，开挖形成的矿山边坡、 大坝坝璃边坡、承库库岸边坡、铁路和公路翡遂路边坡等觏模之大、数鬟之多、环 境之复杂、鲍屡条件之复杂均是空前豹，象长江三峡水嗣枢纽、南承l 调：】= = 程和一 些大型露天采矿工程簿所涉及的边坡稳定性问题越来越突出。在工程中形成的高陡 边坡，有的高度已达3 0 0 5 0 0 m ( 大冶铁矿4 0 0 m 商) 。溪洛渡水电戢拱肩槽部位高陡 谷坡( 】，拱肩槽边坡高达2 5 0 m ，左岸最大开挖坡高1 7 0 2 5 0 m ，右岸最大开挖选 坡赢度1 6 0 2 3 0 m ；黄河小浪底水电站遴水日边坡离1 2 0 m ；澜沧江小湾水电蛄开挖 边坡累计高度可达6 7 2 m ；三峡工程永久通般船闲全部在由体中挖出，形成长达1 6 0 0 多米、高达1 7 0 m 的岩石高边坡【】。 大多数岩质坡在自然赛各种营力长期作用下已达到了自然平衡状态，当边坡开 挖时，由于应力解除以及可能的残余构造应力的释放域卸荷的作用，坡体内的地应 力状态将发生缀大的改变，坡体内豹应力将产生重新分布，并改变原有的平德状态， 坡体随开挖的进行将以变形的方式调整其应力分布以罨求耨的平衡状态。当毅的乎 德状态难以达成时，坡体变形将避一步增加，当交形超过一定限度届，坡体将最终 产生失稳破坏( 滑坡、塌澄等) 。 重点工程中的高边坡失稳般都会产生严熏的后果，国内外边坡发生破坏的事 故也是屡蔸不鲜【5 i 。1 9 0 3 年阿尔伯这州的龟山发生了大滑坡，造成7 0 余人的伤亡， 淹没铁路长达2 3 0 0 米；19 6 3 年意大利的v a j o u t 擞坝左岸的岩质边坡发生破坏，约 2 3 亿m 3 的岩匿沿斜坡滑动，造成1 9 2 5 人歹e 亡的重大事故；1 9 5 4 年建成豹法潮 m a l p a s s e t 双曲拱坝，蔫水后在扬压力 乍用下，发坝瘸部分岩体产生了不均匀变形 帮滑动，于1 9 5 9 年1 2 月2 强突然崩溃，造成了5 0 0 名士兵伤亡，直接经济损失这 3 0 0 亿法郎；1 9 8 5 年6 月1 2 弱在三蛱工程坝醚上游的新滩小镇，在大规摸的山体 滑坡中完全消失，滑坡体冲入长江使长江航道受到阻碍。在人们的日常生活中， 边坡失稳破坏也缀常斑现。2 0 0 1 年6 月2 4 目杭州拱墅区半 h 镇石塘村山予山洪爆 发而发生滑坡，导致2 2 人死亡、7 人受伤和2 人薰伤的特大事故：2 0 0 2 年5 月1 e ：| 萋庆市武隆县发生的淤坡，导致了7 9 人死亡的事故。美国2 0 世纪7 0 年代，年 边坡失稳丽导致的损失达1 0 亿美元( s c h u s t e r ，1 9 7 8 ) ；进入8 0 年代，这种损失 达到了1 5 亿美元( s c h u s t e r ，1 9 8 5 ) ；日本同类灾害的经济损失为1 5 亿美元 成都理工大学硕士学位论文 ( 0 h h i r a ，1 9 8 2 ) ；意大利2 0 世纪7 0 年代的边坡失稳损失为1 1 4 亿美元 ( a r n o u l d ，1 9 8 2 ) 。 从这些沉痛的工程事故中可以看出在边坡的勘测、设计、施工与加固过程中加 强对边坡稳定性的监测，及时准确地获得边坡的变形稳定信息，根据监测信息及时 采取有效措施进行治理，可以避免事故的发生或减小损失，因此安全监测具有可观 的经济效益和重要的社会效益。 四川岷江紫坪铺水利枢纽工程，位于岷江上游映秀至都江堰市( 灌县) 河段， 距都江堰市9 k m 、距成都市6 7k i n ，是一座以灌溉和供水为主，兼有发电、防洪、 环境保护、旅游等综合效益的水利工程。水库控制灌溉面积约1 4 0 0 万亩，水电站装 机容量4 x 1 9 0 m w ，多年平均发电量3 4 1 7 亿k w ，h 。根据枢纽工程的规模、效益及重 要性，紫坪铺水利枢纽工程属大( 一) 型工程【6 】。 根据紫坪铺水利枢纽工程区的地形地质条件，将所有泄水、输水建筑物全部集 中布置在右岸条形山脊部位。该山脊处于沙金坝向斜构造带，断层、层间剪切破碎 带及节理、裂隙极为发育，风化卸荷强烈、强卸荷深度为2 5 5 5 m ，坝区基岩为三 迭系上统须家河组的一套湖相含煤砂页岩地层，地质条件很复杂，因而存在着因建 筑物( 边坡) 开挖形成的高边坡失稳问题。 引水发电洞进水口边坡开挖工程是紫坪铺水利枢纽工程的重中之重 6 】。开挖工 程位于岷江沙金坝河段右岸条形山脊端部，沙金坝向斜的北西翼，工程边坡开挖形 成高约1 2 0 m 的近直立边坡，是紫坪铺工程开挖形成的高陡边坡之一。在边坡开挖 期间边坡稳定与否直接关系到施工期的安全和整体工程的施工进展，在工程建成后 的稳定性也关系到工程的安全运行。从施工与运行安全的角度出发，布置一定的监 测手段对坡体的稳定性进行监测是非常必要的。 工程实践表明，岩质边坡开挖以后，岩体的应力调整和变形并不是瞬时完成的， 边坡的变形和稳定问题与时间因素密切相关。对于引水发电洞进水口边坡这样规模 巨大的人工开挖边坡，受开挖卸荷的影响十分显著，岩体的应力重分布及变形将是 一个长期的过程，因此对边坡稳定进行跟踪监测，分析其变形特征及变形过程是十 分有必要的。在工程一步步开挖过程中，以及水库蓄水后边坡稳定性如何，是我们 非常关注的问题，要解决这些问题，必须对边坡进行稳定性分析。 作者在导师的指导下，以紫坪铺水利枢纽工程引水发电洞进水口边坡作为工程 实例，选紫坪铺引水发电洞进水口边坡监测与稳定性研究作为论文题目。 第1 章前言 1 2 国内外研究现状 1 2 1 岩土工程监测的发展及应用 边( 滑) 坡工程是一个复杂的动态系统，其稳定性受控予边坡岩体爨处的地 质、环境与工程条件。为了反映边( 滑) 坡岩土体真实力学效应、检验设计施工的 可靠性秘防治蘑边( 溺) 坡的稳定状态，降低滑坡灾害的危害程度，提高岩工程 技术水平积累丰富经验，边坡与滑坡监测已成为工程勘测、设计、施工和运行过程 中不可缺少的重要手段。 早在2 0 世纪五六十年代，国外即开展了边坡的监测技术研究 7 1 1 】。1 9 5 6 年前 苏联学者叶米里扬诺娃发表了滑坡观测技术指南书，对滑坡位移观测的原理、 方法和应用送行了系统总结。跫w 如h n ( 1 9 7 7 ) 讨论了与岩质边坡设计有关的篮测。 g m u l l e r ( 1 9 7 7 ) 、d k i r s c h k e ( 1 9 7 7 ) 、c o x ( 1 9 8 3 ) 、k o v a r i ( 1 9 8 3 ) 、p i l o t ( 1 9 8 4 ) 、 u g l a u s e ( 1 9 9 3 、n s h i m i z u ( 1 9 9 4 ) 、s a k u r a i ( 1 9 9 4 ) 等讨论了边坡岩土体稳定j | 矗 测的方法。哥伦比亚水电局( b c h y d r o ) ( 1 9 8 3 ) 研制了大坝和滑坡监测的自动数 据采集系统。目本土谷尚等( 1 9 8 7 ) 研制了滑坡自动监 j 受| i 系统。 我国糟土工程历史悠久【“l ，长期以来，工程的安全主要依靠结构物的可靠度设 计来保证。但是，岩士工程的安全监测起步较晚，它是随着糟土工程的失事为人们 提供教训后，不叛地寻求监测秘益测手段珂逐步发展起来的。2 0 世纪5 0 年代以来， 岩土工程界逐渐认识到大坝和上部结构的失事多是因为地基失稳引起的，边坡工 程、地下工程的事故也是岩体失稳所致。如果能够在事故发生前得到信息，进行 准确的判断，及时采取有效的防范措施，便可以制止事故的发生，于是监测工作逐 步受到重视。人们越来越多士电把工程安全情况的判断，寄希望于工程建设过程和竣 工质的原位监测。通过监测保证工程瓣施工、运行安全；围对，又通过监测验迁设 计，优化设计和提高设计水平。 自上世纪6 0 年代开展以地下工程溺壁围岩收敛一位移堂测为纂础，以益控信 息反馈为导向的新奥法旌工技术，并在铁道、公路、水利水电、采矿等行_ k 取得成 功以来，姥下工程监测越来越受到熏视而成为地下工程施工和设计不可分割的重要 组成部分。同时，由于数值方法在分质力学模型建立、木孝料参数确定等方骊所存在 的网难和问题，其分析成果的工程应用还有待于在实践中积累经验，其中通过将分 橱结果与实测数据进行对照捡校是键使计算手段日益戏熬与可靠的熏要途径。因l 毙 在工程开挖领域，监测技术及方法对计算理论、工程施工技术水平以及周围环境产 生了巨大和深亥l 的影响1 3 _ “。 从2 0 世纪8 0 年代韧开始，科技攻关和工程实践对所存在的问题进行了广泛丽 成凿器理工丈学硕士学位论文 深入地研究，监测设计和监测方法不断地改进。在一些大型工程中深入研究了安全 监测布麓，一些考虑地痰地貌条件、岩体工程性质、工程布置、监测空闯和时间连 续性的要求等因素的安全监溅蠢黉原则和方法，相继提爨。 进入2 0 世纪9 0 年代，岩土工程安全监测手段的硬件和软件迅速发展，监测范 围不断扩大，监测自动化系统、数据处理和资料分析系统、安全预报系统也在不断 地完善。岩工程设计采用新的可靠度设计攥论与方法以来，安全夔测成为必要豹 手段，成为提供设计依据、优化设计和可靠度评价不可或缺的手段，成为工程设计、 施工质量控制的重要手段。 二滩、三峡、小浪底等大烈工程的设计和涟工，采用了大批2 0 擞纪9 0 年代的 先进技术，监测工程设计、施工、观测、资籽整理分析和质量控制基本实现标准化、 自动化，监测技术水平有较大的提高【l ”。 1 2 ，2 工程边坡稳定性分柝发展现状 边坡稳定性研究由来己久 1 7 1 ，边坡稳定性的计算研究可以追溯到1 0 0 多年前， 早期驰边坡研究悬仪以体为研究对象的，其方法的显著特点是采用糖料力学和简 单的均质弹性、弹塑性理论为基础的半经验半理论性质的研究方法，并把_ l 毫方法丽 于岩质边坡的稳定性研究。但由于其力学机理的粗浅或假设的不合理，其计算结果 与实际情况差别较大。1 9 5 9 年滋园m m p a s s e t 坝左岸坝肩嬲体的崩溃及1 9 6 3 年意大 嗣vo n t 坝上游左岸的痒岸边坡澹坡等，使人们清醒地认识到了透玻破坏的力学机 理研究的不足，从而促进了边坡稳定性研究向前迈进了一大步，以弹黧性理论为基 础和改进的极限平衡法应用为主的多种方法应运而生。 1 9 6 7 年人们第一次尝试用套限元研究边坡的稳定性阀题，给定量谨价边坡的稳 定性仓i 造条件，使其逐步过渡到数值方法，从丽使边坡稳定性研究避入模式视制和 作用过程研究成为可能。同时，随着大量规模巨大工程的开展及决策要求的提高， 以概率论为基础的可靠度方法己弓 入边坡稳定性研究中。在这一时期，由于我国边 坡工程豹不断实践与发展，透坡稳定性分轿的霖理与方法也获褥了不新丰富与发 展。进入8 0 年代后，由于计算枫技术水平的大幅度提高及岩体力学性质研究的进 展，器种复杂的数值计算方法广泛地应用于边坡研究。同时，由于学科之间的相互 渗透，这一时期的研究方法各式各样，成聚整出。 综合各个时期的研究成采，目前使用的边坡稳定分析方法可分为三大类：定性 分析法、定量分析法和非确定性分析方法。 当躯使用的定性分析方法【1 8 埘】主要有自然( 成因) 历史分析法、工程类比法、 s m r 法、且俺图解法、物理模拟法。 4 第l 章前言 定量分析方法可分为极限平衡方法和数值分析方法，其中校限平衡分析方法 【2 2 q i 包括瑞典圆弧滑动或瑞典( f e l l e n i u s ) 法、简化毕肖酱( b i s h o p ) 法、分块 极限平衡法、简布( j a n b u ) 法、斯宾塞( s p e n c e r ) 法、摩根斯坦一普赖斯 ( m o r g e n s t e m p r i c e ) 法、萨尔马( s a r m a ) 法、楔形法、平面毫线法、传递系数 法、修正t a l o r 法( h a n g ，a v e r y ，1 9 7 6 ) 、土联力法。数值分析方法 3 , 3 2 q 3 1 包括有 限元法( f e m ) 、边舞元法( b e m ) 、离散元法( d e m ) 、块体系统不连续变形分析法( d d a ) 、 数值流形元法、界面元法、拉格朗日有限差分( f l a c ) 法等。 非确定性分析方法是近年来针时边坡稳定动态性与不确定性，引用了一些新科 学与理论，从中提取出来的一种不可或缺的分柝方法。它包括可靠性分析、随机过 程法、神经网络法、模糊数学法、灰色系统理论、系统工程理论、信息论、控制理 论、协同学理论、耗散结梅理论以及突变理论等。 另外，随着监测技术的发展，基于监测信息的边坡稳定性分析越来越引起工程 赛的重视。出于坡体交形是边坡稳定性最赢蕊的表现，且边坡的失稳破坏都有一个 从渐变到突变的过程，一般方法是无法实现实时准确获取边坡变形信息的，而监测 技术可以通过堙设一定仪器跟踪观测坡体变形。因此监测技术逐渐发展成为一种边 坡稳定性分析方法，并在修改设计、指导施工方面充分体现了其工程徐僮。 ，3 主要研究内容、思路、技术路线 本文结合紫坪铺水利枢纽工程边坡稳定性监测项翻，以引水发电洞进水口边坡 为研究对象，主要研究内容为： ( 1 ) 阐述边坡稳定性研究的目的与意义，探讨监测技术在边坡稳定性研究中发 挥的传用，研究监测布器覆荧并分绥弓 水发电浞进水嚣边坡豹仪器布置及安装埋设 与观测过程。 ( 2 ) 监溺成果分析与信怠反馈，根据仪器检测成果分析坡体的变形过摇、变形 特征及影响因素，动态评价坡体稳定性，讨论监测信息反馈在修改设计和指导旌工 中的作用。 ( 3 ) 数僮模拟方法的应用。用f l a c 3 d 模拟边坡开挖过稷中的变形发展过程与 变形特征，分支护与未支护两种工况模拟边坡在开挖过程中的变形情况；用数值计 算探讨开挖边坡的变形讥理并与实测残采送行对比分孝厅研究。 ( 4 ) 坡体稳定性预测。模型计算结果结合监测分析成果，对边坡稳定性进行预 渊，得出结论。 研究慝雎：偌助骧有工程资料，熬悉紫坪铺引水发电洞遴水习边坡蟪痰情况。 基予地质资料建立边坡监测系统，根据边坡开挖过程实时跟踪监测以便获得坡体变 成都理工大学硕士学位论文 形信息。根据蟪测成果动态评价坡体稳定性，及时进行信息反馈，为修改设计和指 导施工提供信怠。熟悉f l a c 原理，建立三维模型模掇边坡开挖支护过程中的交形 状况。为了分析在开挖过程中采取支护措施的必要性，分支护与未支护两种情况模 拟边坡在开挖过程中的变形状况。利用模型计算在蓄水运营情况下坡体的位移情 况，结合监测戒果对坡体未来的稳定性作出合理评价。最后对研突结果作出结论。 图1 _ 1 技术路线图 技术路线说明： ( 1 ) 任何工程研究都要在对地质条件充分了解的基础上展开，所以收集并参阗 6 第1 章前言 了大量翡紫坪铺水利枢纽工程她质研究戏果。 ( 2 ) 边坡变形监测：根据现场调查、边坡工程所处地段的地形地貌、她质报告 及纵横削面图、初步稳定性计算、边坡开挖、施工方案、加固设计图等资料，确定 该边坡的盆测项目；掌握边坡在施工开挖过程中城体的变形状况，观测坡体锚杼的 支护效果，为边坡稳定性分析_ 以及开挖支护提供数据信息和参考资料，同时为安全 麓工提供信息。搬据确定的簸测项目选定监测仪嚣，主要仪器有：多点位移计、锚 索测力计。 监测资料分丰厅采用常缀分板方法。懿比较法、作潮法、特征傻法帮测值因素分 丰厅法等。变形监测数据处理，特别是进行变形枧理解释和预测预报时，必须将外、 内部观测资料结合热来分析，所以应紧密结合地表巡视资料进行成果分析。根据监 测成果，从时悯、空间定性定量地对边坡变形状况，进行综合分据。 ( 3 ) 考虑到紫坪铺工程复杂的地质情况，用f l a c 软件对引水发电洞进水口边 玻的开挖、支护进彳亍数德模拟。边坡开挖润题特点是，由于不断氇开挖或建筑( 回蝼、 支护等) 珂傻开挖前最初溉秀定静模型在且何上发生不断羹量变亿，蠢此无论对于线弹 性材料，逐是弹塑性材料，均应模拟藏工进程。 ( 4 ) 开挖支护过程模拟：按照开挖坡比模拟开挖过程坡底商程7 9 6 0 0 m ，坡 底宽9 0 m ，最大坡高8 9 m ；高程7 9 6 0 0 8 3 0 0 0 m 间为赢立坡：8 3 0 0 0 8 4 5 0 0 m 闻坡比1 ：o 3 ；高程8 4 5 。0 0 8 8 5 0 0 m 间坡比为1 ：o ，7 5 。露水盾模拟的工况：正 常运行( 8 7 7 m 水位) 。 ( 5 ) 数值模拟与箍铡成果对比分析，评价坡体变形特征，得出结论。 成都理工大学硕士学位论文 第2 章边坡的工程地质条件 2 1 紫坪铺水利枢纽工程概况 紫坪铺水利枢纽工程位于四川省成都市西北6 0 k i n 的岷江上游，沙金坝河段【6 1 下 游，距都江堰市约9 k m ，位置如图2 1 ，是一座以农业灌溉、城市供水为主，兼有防 洪、发电、环境保护、旅游等综合效益的水利工程【3 4 。”。水库建成后，可调丰补枯， 将大大缓解都江堰灌区和成都市供水不足的矛盾，成都自岷江的年引水量将增加7 1 5 亿m 3 ，可大大改善成都市的水环境质量，并可提高都江堰灌区6 7 万k m 2 农田供水保 证率，为灌区远景规划1 0 0 万k m 2 农田灌溉提供水源，新增灌区面积3 3 万k m 2 。 紫坪铺水利枢纽工程由川投集团、成都市投资公司、都江堰水利产业集团共同组 建的紫坪铺开发有限责任公司负责开发，工程总投资约7 0 亿元，建设总工期6 年 6 】。 工程于2 0 0 1 年3 月正式开工建设，2 0 0 2 年1 1 月实现工程截流，2 0 0 5 年1 0 月下闸蓄 水并实现首台机组发电，预计2 0 0 6 年底全面建成。该工程为面板堆石坝，最大坝高 1 5 6 m ，正常蓄水位8 7 7 o m ，水库库区面积1 8 1 6k m 2 ，总库容1 1 1 2 亿m 3 ，总装机容 量7 6 万k w 6 , 3 6 1 。 第2 举边玻的工程地质条件 紫坪铺水利工程区位于热门山构造带的中南段，挟持于北川一欧秀断裂和安县一 灌县叛裂之间，地质条 牛复杂，盎外动力地质作用强烈f 6 】。受地质构造及岩性的影响， 岷江在沙愈坝河段形成一个近1 8 0 0 的河曲，使右岸形成三面被河曲围抱的条形山脊， 呈北东向弧条形，构造上为一完整向斜沙金坝向斜，轴向n 5 0 6 0 0e 并向j 东 向倾伏，倾伏角2 5 4 0 0 左右，岩层层序正常，无大断层通过，由原生软弱煤质页岩 和煤层受挤压作用两形成的多条层阚剪切错动带，工程地质性袄极差，成为工程枢纽 区主要的构造软弱带【6 】。条形山脊平面上长1 0 0 0 余米，底宽( 以水边计) 为4 0 0 6 5 0 m ， 顶宽( 以正常高水位计) 5 0 2 5 0 m 。山脊表面松散堆积较薄，基岩为三叠系上统须家河 组砂岩夹页岩，中厚层状坚硬中细砂岩占绝大多数，页襞所占比例很少，虽多分布在 中t 部。 图2 - 2 紫埒铺水利枢纽工程布童图 9 成都理工大学颈士学位论文 = ： 程枢纽区水工建筑物主要布置在右岸条形山脊，包括：坝后地面厂房( 4 台机缀) 、 紧邻右坝端的开敞式溢洪道、四条引水发电洞、一条冲砂隧洞鞠两条由导流隧洞改造 而成的泄洪排砂隧洞们。7 条水工洞童从山羼向山外布置顺序：1 4 导流泄洪隧洞、 2 8 导流瀵洪隧洞；净砂隧洞；1 8 、2 8 、3 8 、4 ”引东发电隧洞。7 条水工漏室均攮穿条 形山脊，与岩层走向大角度相交。枢纽布置如图2 - 2 所示。 2 2 枢纽区基本地质条件 2 2 1 枢缱区地形地貌 坝址位于河弯转折端，地澎较开阔，桔水鳎河面宽约8 5 l l o r e ，正常高水位 8 7 7 o m 处河谷宽6 4 0 m 。左岸与白沙河间分水岭宽为9 6 5 m ，河谷形态不对称，江流偏 左岸。左岸除少数低洼凹沟夕 ，以基者斜坡为主，自然坡度4 0 5 0 。，右岸为条形由 脊，沿山脊坡度较缓2 0 2 5 。，地表肖残积葶冰水堆积而成的粘土、块碎石土，靠河 床有漫滩和i 级阶地分布，阶丽高程7 6 5 m 。 2 2 2 地层岩性 区内地层包括三叠系砂页崭，河谷斜坡和谷底表部的第四系松散堆积层【6 】。 ( 1 ) 蒸岩 枢纽区崮露的地层主要为三叠系上绞须家溺组的一套瀚滔耀含煤砂页岩地层 ( t 3 3 x j 6 t 3 3 x j l 4 ) ，属典型的复理式建造沉积，其特点是上下粗细交替具有明显的韵 律性，横向变化大。每个韵律澄大体痤j 底部含砾石匏中粒砂岩开始往上部逐渐递交为 细砂辫、粉砂岩及泥质页岩和煤质页岩，越往上部不但颗粒变细且含煤量有增高的趋 势，依据各韵律层内砂岩与页岩的比例关系，t 3 3 x j n 层全为粉砂岩，t 3 3 x j n 、t 3 3 x j l 3 层以砂岩为主，分别占6 8 和5 8 ，t 3 3 x 1 4 层以粉砂表为主。每个翦律层按其不同 的岩性又可分成若干小层。在坝区地层内，中、细砂岩约占地层总厚的4 9 ，其中夹 有较多戆薄煤层葶霎薄极薄的渡沙页岩等；煤质页岩、泥质页岩和泥粉砂岩终占地层 总厚的5 1 。这些软层包括煤层、煤质页岩、泥质页岩等在后期的构造变动中多发育 成剪切带。 此外，在地下洞室开挖中，发现在遇到层闻剪切破碎带和f 3 断层时，存在着易 燃、易爆的有害气体一瓦斯，在f 3 断层带掘进过程中，实测最大瓦斯含量达1 0 以 上，岗部地方曾发生自燃嚣象，由予蔫期预测正确，相关各方离度重视，旌工中严格 第2 章边坡的工程地质条件 按琵斯隧洞施工，热强了透风，授绝了瓦靳爆炸豹发生。 ( 2 ) 第四系松散堆积藩 由残积、冰水堆积物组成的坡积层，两岸大部分已挖除，在蹲澎开挖边坡的土部 斜坡上仍蠢保塑，厚1 5 2 5 m ，为块碎石土组成，晕灰黄和灰黑色，块石壹径扶十几 厘米至几米不等。土为中液眼的粘质土，含水量大，强度低，农雨季易形成不同规模 的滑塌。 2 2 3 地质构造 圈2 - 3 圾送构造格架圈 坝区的构造形迹主要有沙金坝向斜；f 2 、f 2 1 、f 3 、f 4 断层带，其中f 3 断层与 成都理工大学硕士学位论文 建筑物关系密切；l 7 l 1 4 层间剪切错动带及节理裂隙。 沙金坝向斜：轴向为n 5 0 6 0 。e ，向n e 方向倾伏，倾伏角2 5 3 5 。，北西翼较 陡，岩层产状n 2 5 。e s e l 6 0 7 0 。，南东翼稍缓，岩层产状n 4 5 6 5 。e n w 么4 5 6 0 0 。向斜核部转折部位地层完好，界线清晰，仅层间挤压错动厉害。 f 3 断层位于坝轴线下游3 6 0 m 附近。产状为n 5 0 7 0 。e n w 6 0 7 5 。，宽5 5 8 7 m ，由糜棱岩、断层泥和砂岩构造透镜体组成，断层带性软，特别是遇水后极易崩 解，自稳能力差，工程性状极差。 层间剪切破碎带是组成区内软硬相间的层状岩体，经受强烈构造作用，岩层变形 较为剧烈，软弱页岩在褶皱变形过程中受挤压剪切错动而成，不同规模层间剪切破碎 带发育，是枢纽区最为普遍的构造形迹。其产状一般与岩层产状一致，规模较大，延 伸长。层间剪切破碎带多集中发育于坚硬砂岩与煤质页岩、泥质页岩接触处或煤质页 岩及煤层富集带，主要层间剪切破碎带有l 7 l 1 4 。 区内裂隙较为发育，尤其在坚硬厚层砂岩中明显，主要有3 组： n 5 5 7 5 。e n w 么5 0 6 0 。：( g ) n 1 0 4 5 0 e s e ( n w ) l o 3 5 0 ： n 5 0 8 0 0 w s w 么6 0 8 0 0 。 2 2 4 物理地质现象 本区气候潮湿多雨，物理和化学风化作用较强，地表残坡积覆盖普遍，岩体卸荷 裂隙发育。 工程区岩体软硬相间，河谷两岸岩体风化卸荷强烈、深度较大。强卸荷带水平发 育深度为2 5 6 0 m ，主要特征是裂隙发育且普遍张开1 5 m m ，沿裂隙风化显著，多 具黄褐色锈面和次生夹泥充填。一般在坚硬砂岩中表现较为明显，卸荷深度较大，并 有宽l c m 以上的拉张裂隙；岩体明显松弛，稳定性差，在边坡开挖较陡、支护不及时 的情况下易产生掉块和小规模塌落；岩体透水性强，雨季滴水普遍，局部出现小股状 集中水流。弱卸荷带水平发育深度为5 0 9 0 m ，一般裂隙张开不显著，次生夹泥明显 减少，但沿裂隙黄色锈面仍很普遍。 岩体的风化程度、深度与岩性关系密切。砂岩风化较弱，但风化深度较大，弱风 化上段大致与强卸荷深度相当，弱风化下段大致与弱卸荷深度对应。煤质页岩、泥质 粉砂岩、粉砂岩等风化深度较浅，但风化程度较强，在向斜核部等浅表部位常表现为 强风化，强风化深度一般几米，弱风化深度一般2 0 4 0m 。 第2 章边玻的工程蟪藏条件 2 2 5 水文地质条件 地下水为多层裂隙水，煤质页岩和泥质粉砂岩相对隔水，砂岩透水。裂隙水以顺 层运移为主，垂直层面方向水力联系微弱，含水总体不丰，多以滴水为主，少量线状 流水，随蓑时间的推移水有逐渐减小的趋势。 2 。3 引水发电涸进出口边坡的王程地质条件 2 3 1 徽地貌特征及开挖坡型 照2 1 条形山脊原始地貌照2 - 2 条形山脊开挖靥地貌 照2 - 3 开挖后g | 水发电洞进水疆_ l 悫坡 成都理工大学硕士学位论文 区内属中低山地形，山体总体走向与n e 向构造线基本一致，属构造剥蚀地形， 由于地质构造及岩性的影响，岷江在沙金坝河段形成一个近1 8 0 。的河曲，使右岸形成 三面被河曲围抱的条形山脊，为枢纽布置、施工创造了良好的地形条件旧，j “。 引水发电洞进水口边坡位于条形山脊的上游侧，开挖前山脊坡度较缓，为2 0 2 5 0 ，地表有残积及冰水堆积而形成的粘土、块碎石土，靠河有河漫滩及i 级阶地分布， 如照2 - 1 所示。开挖以后的工程边坡，形成大致如照2 2 及照2 3 所示的情况。坡体 顶部从以前的约9 0 0 m 高程开挖至8 8 5 m 高程，顶部预留宽度5 3 0 m ，为将来修建成 阿公路而留出一个平台。引水发电洞开挖的主体工程在洞口处，发电洞进水口所在高 程为8 0 0 m ，洞口以外为一个长约8 0 m ，并一直向外延伸约2 0 m 的进水平台，再往外 为冲砂洞进水口，开挖高程为7 5 0 m ；引水发电洞迸水口洞脸走向约3 4 0 。，8 0 0 8 3 0 m 高程坡角为9 0 0 ，8 3 0 8 4 7 m 高程坡比为1 ：0 3 ，8 4 7 8 8 5 m 高程坡比为1 ：o 7 5 。引 水发电洞上、下游两侧边坡则按1 ：o 7 5 坡比放坡。 2 32 地层岩性及岩组构成 引水发电洞进水口边坡位于沙金坝向斜的北西翼，主要出露t 3 3 x j “、t 3 3 x j l 2 t 3 3 x j ”，地层岩性为厚层状含煤砂岩夹中厚层状粉砂岩、薄层状泥质粉砂岩、煤质 页岩。依据各韵律层内砂岩与页岩的比例关系，t 3 3 x j l l 以粉砂岩为主，t 3 3 x j l 2 、t 3 3 x j l 3 以砂岩为主，分别占6 8 1 15 8 。此外，每一韵律层按其不同的岩性又可分为若干小 层。在工程区地层内，中细砂岩占总厚的4 9 2 ，粉砂岩占3 7 ，炭质页岩和泥质页 岩占1 3 8 。中细砂岩具中厚层状、块状特征，坚硬完整，湿抗压强度为6 0 8 0 m p a ， 是该区最好的岩石；粉砂岩湿抗压强度为3 0 4 0 m p a ，属中等强度岩石i 炭质页岩较 软弱，易碎，往往与不同规模的层间破碎带相对应，则为强度低、完整性最差的岩石。 坡体内有四条剪切破碎带( l 9 l 1 2 ) 分布，带内多见废旧煤洞。引水发电洞进水口边 坡出露的地层岩性特征如表2 1 、图2 - 4 所示。 第2 章边城的工程琏质条件 表2 1 引水发电洞进水口边坡地屡层序及其岩性特征 攮屡代号地层厚度( m )岩性特征备注 q 5 1 5洪积、旗积、坡积、冲积等堆积物 t 3 3 x j l 3 一 5 6 1 l 炭质页姑夹粉砂岩( 屡间破碎带) l 1 2 t 3 3 x j l 3 _ 5 3 9含煤粉砂岩，局部夹薄层状炭质页岩 t 3 3 x j l 3 1 3 1 6中粒砂澍，局部禽煤 t 3 3 x j l 3 - 1 6 2 0粉砂岩，炭质页岩 t 3 3 x j 3 固 1 3 2 7含煤细中粒砂岩，底部为含砾砂崧，中厚层 粉砂岩、滋痿粉妙岩、 t 3 3 x j l 3 一 l l 1 8l 1 1 炭质页岩互层( 层间破碎带) 煤层 t 3 3 x j 3 一 1 3 2 7粉砂岩夹细砂岩、炭质页崧 t 3 3 x j 3 。o 9 1 3含煤含砾中粒砂岩 t 3 3 x j l 3 每o l l 1 6 粉砂岩灾泥质糖砂岩 t 3 3 x j l 3 4 7 4 9 台煤含砾中粒砂岩 l 1 02 9 煤层 l 1 0 t 3 3 x j 2 1 6 2 2薄层炭质页岩、泥质粉砂岩 1 3 3 x j l 2 3 l 3 8 中粒中厚层砂岩 l 96 1 3煤系地层l 9 t 3 3 x j 1 2 。 8 1 1 炭质页岩粉砂岩 霄x j l 2 7 6 9 1含煤含砾中粒砂岩 t 3 3 x j 1 9 糟砂岩夹炭质页岩、中粒移岩 匝阻蠢蟮菪黜叫髫鼎口*刿巽脚搏*示下n匿 似鞋犁糖-t藩龄=：_f，h醚稚键 第2 章边坡的工程地质条件 2 3 3 地质构造 本段边坡处于n e 向沙金坝向斜的n w 翼，沙金坝向斜的轴向为n 5 0 6 0 。e ， 向n e 方向倾伏，倾伏角2 5 3 5 。，北西翼较陡，南东翼稍缓。本段边坡所处的岩层 产状为n 2 5 。e s e l 6 0 7 0 。坡内发育有四组裂隙：n 1 5 3 0 0 e n w 2 8 5 0 。 n 5 0 8 0 。e s e 么5 0 8 0 。 n s s 7 5 。w f n e 么2 0 5 5 。( 垒) e w n 么5 5 6 0 。 区内岩体为含煤砂岩、粉砂岩和炭质页岩软硬相间组成的层状岩体，经受强烈构 造作用，变形较为剧烈，不同规模的层间破碎带发育，其中l 9 、l 1 0 及l 1 1 与引水发 电洞进水口边坡的稳定性关系密切。其产状一般与岩层产状一致，局部微切岩层，规 模较大，延伸长。 2 34 风化卸荷特征 本区经过河谷地貌演化过程的浅表层改造，边坡强烈卸荷，由于卸荷而形成的裂 隙普遍张开l5 r a m ，卸荷裂隙为风化作用提供便利通道，强烈的风化作用使得卸荷 裂隙多具黄褐色锈面和次生泥填充，弱化了岩体结构面的联结，为岩体的倾倒弯曲变 形提供有利条件口”。坡体前缘的倾倒弯曲变形使得坡体应力重新调整，为卸荷变形向 坡内发展创造条件。据开挖揭露，洞脸坡1 “、2 4 进水口8 2 0 8 2 5 m ，3 4 、4 8 8 3 0 8 3 5 m 以上为强卸荷带；迸水口右侧边坡全为强卸荷带；左侧8 3 0 m 高程以上为强卸荷带。 2 35 水文地质条件 对本段边坡来说，地下水类型主要是基岩裂隙水，但由于边坡处于条形山脊的近 n e 段，总体来说地下水较贫乏。边坡岩体的透水性与岩性及其组合密切相关，砂岩 因构造裂隙发育，延伸较长，裂隙问流通性较好，故透水性较强，尤其是卸荷带内砂 岩体的透水性较强，边坡中所夹l 9 、l 1 0 及l 1 1 等炭质页岩为相对隔水层，对边坡中 地下水的分布起重要控制作用。 成都理工大学硕士学位论文 第3 章边坡岩体结构及变形破坏模式分析 3 1 边坡结构特征 边坡岩体结构是在建造的基础上，经后期的构造改造和浅表生改造的结果。首先 是岩体的岩性组合及原生结构对边坡岩体的结构起了极为重要的控制作用，工程区砂 岩与泥、页岩互层夹炭质页岩或煤层组合而成的层状结构岩体，有利于后期的构造改 造和浅表生改造，尤其是其所含炭质页岩或煤层改造而成的层间挤压错动带是一种高 级序的边坡结构，也是边坡结构的基本组成；而节理、裂隙的发育以及卸荷风化的差 异使边坡结构趋于多样化、复杂化。 大量的工程实践证明岩质边坡的破坏，绝大多数都是沿着岩体内部的某些结构面 进行，因此岩体结构特征对边坡的变形及稳定性具有极为重要的控制作用，研究边坡 的破坏机制、稳定性状况首先就是要搞清边坡的岩体结构特征。岩体结构特征主要包 括两方面内容，一是岩石的组成成分，即岩性，它在岩石形成时就已经确定下来，属 岩体建造方面的内容；其二是切割岩石的各种地质结构面，它是岩石经受后期改造作 用的产物( 除岩体建造过程中形成的原生结构面) 。岩体结构特征的这两个方面，在 不同的具体条