锦屏一级水电站左岸边坡稳定综合预报研究

1、第27卷第10期岩石力学与工程学报V ol.27 No.10 2008年10月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.,2008锦屏一级水电站左岸边坡稳定综合预报研究金海元1,2,徐卫亚1,2,孟永东1,2,张金龙1,2,何涛3(1. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京 210098;2. 河海大学岩土工程研究所,江苏南京 210098;3. 中国水电工程顾问集团公司成都勘测设计研究院,四川成都 610072摘要:在总结国内外有关滑(边坡预测预报成果的基础上,对其适用性及使用条件进行深入研究。针对锦屏一级水电

2、站左岸高边坡的边坡类型、边坡特征、变形特点和变形机制,在监测成果的基础上,对其进行综合预报,空间上判断左岸拱肩边坡由断层F5,f429、深部裂缝SL441及煌斑岩脉X互相组合,形成可能边坡失稳块体的边界条件、楔型体滑移失稳模式;时间上采用统计模型及非线性模型多种方法联合预报,根据边坡变形时序曲线的形态及变形速率指出:边坡目前处在缓慢蠕动至匀速变形阶段,变形速率小于0.05 mm/d。设计出适合锦屏一级水电站边坡的综合预测预报模型,初步给定边坡4项预警临界值,为边坡开挖工作的顺利开展提供科学的依据。关键词:边坡工程;边坡监测;预报;预警指标中图分类号:P 642.22 文献标识码:A 文章编号:

3、10006915(200810205806 RESEARCH ON COMPREHENSIVE PREDICTION FOR SLOPE STABILITY AT LEFT BANK OF JINPING I HYDROPOWER STATIONJIN Haiyuan1,2,XU Weiya1,2,MENG Yongdong1,2,ZHANG Jinlong1,2,HE Tao3(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai University,Nanj

4、ing,Jiangsu210098,China;2. Institute of Geotechnical Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China;3. Chengdu Hydroelectric Investigation and Design Institute,China Hydropower Engineering Consulting Group Co.,Chengdu,Sichuan610072,ChinaAbstract:Based on the summarization of the achievemen

5、ts of landslide prediction at home and abroad,the in-depth study is done on their applicability and service conditions. Aiming at slope types,features,deformation traits and destroy mechanism of high steep valley slope at Jinping I Hydropower Station,and applying monitoring results,a comprehensive p

6、rediction design is suggested. In the space,according to the occurrences of unfavorable geological phenomena such as faults F5,f429,deep fracture SL441 and lamprophyre vein X,all of them can be treated as the boundary conditions for slides,potential instable blocks of slope on the left abutment are

7、estimated which take on a wedge-shaped sliding model. In the sametime,through using three kinds of joint prediction methods such as statistic models and nonlinear models,judging from the shape of curves of deformation-time and their deformation velocities,it is found that the slope is at the state o

8、f slowly creeping to uniform deforming with a deforming velocity of 0.05 mm/d. So the comprehensive prediction models fitting for Jinping I Hydropower Station are designed and four early warning criteria are proposed so as to provide scientific evidence for the successful progress of the slope excav

9、ation.Key words:slope engineering;slope monitoring;prediction;early warning index收稿日期:20080527;修回日期:20080715基金项目:国家自然科学基金重点项目(50539110作者简介:金海元(1980,男,2003年毕业于华北水利水电学院地质工程专业,现为博士研究生,主要从事岩石边坡监测与稳定性方面的研究工作。E-mail:jinhaiyuan第27卷第10期金海元,等. 锦屏一级水电站左岸边坡稳定综合预报研究 2059 1 引言目前,国内大部分水电站都修建在高山峡谷地区,坝址区岩石高边坡由于受多期地

10、质构造作用的改造,形成了众多特殊的变形破裂现象,在水电站建设及运行期,边坡稳定性关系到工程的成败,其稳定性的预测预报工作一直是研究的重点和难点。几十年来国内外岩土界的专家、学者在上述方面进行了大量的工作,取得了显著成果。在滑坡的空间预测方面主要是区域性和场地性空间预测,最早谷德振、孙玉科等在应用赤平极射投影的基础上,提出了实体比例投影方法,用以进行边坡块体破坏的计算,定性判断边坡的稳定性。张倬元等1提出了累进性破坏的观点以及边坡变形破坏的机制模式。美国的R. E. Goodman也非常重视岩体结构特性的研究。滑坡的时间预测方面成绩斐然,王思敬、晏同珍等大批岩土界专家都进行了很多开创性工作,提出

11、很多新的滑坡时间预报理论和预报方法,广泛地应用现代数理科学新理论27。但由于滑坡问题的复杂性,各种预测预报方法和理论都有其优越性的一面,也存在不完美之处。本文在对现有的预测预报方法和理论进行分析、归纳和讨论的基础上,针对锦屏一级水电站左岸边坡的边坡类型、边坡特征、变形特点和机制,充分结合边坡安全监测成果,对其进行时空综合分析预报,设计出适合锦屏一级水电站边坡的综合预报模型,研究边坡变形趋势,判断边坡所处的变形状态,初步提出边坡预报的预警值,为工程的顺利开展提供了科学依据。2 左岸拱肩边坡综合预报2.1研究区工程地质条件锦屏一级水电站位于四川省西南部雅砻江上游大河弯水文站手爬沟河段之间的下游段。

12、该水电站设计坝高305 m,正常蓄水位1 880 m,装机容量3 600 MW8。左岸拱肩部位谷坡高陡,绝大部分基岩裸露,自然边坡在1 850 m高程以上为砂板岩边坡,坡度40°50°1 885 m高程以下为大理岩边坡,坡度50°70°。边坡中高程以上发育规模较大的软弱结构面主要有F5,f429以及煌斑岩脉X。岩体内强卸荷带水平深度一般为70100 m。深部裂缝多发育在左岸坚硬的变质砂岩和大理岩中,其优势方向有2组:(1 N40°70°E,SE50°75°(2 N0° 30°E,SE50

13、6;65°,与整个坝区左岸的断裂、节理裂隙优势方向基本一致。2 000 m高程以上部位普遍出现倾倒拉裂变形特征,开挖区内不良地质结构面和坡体内分布的大量卸荷裂缝纵横交切,组合成潜在危险滑移变形体。另外,边坡岩体质量差,岩体破碎等问题严重影响左岸高陡岸坡的稳定性。图1给出了左岸拱肩边坡工程地质平面图8。2.2研究思路有关专家、学者从不同角度、采用不同方法,对锦屏一级水电站岩石高边坡的基本特征等问题进行了一系列的研究,取得了可喜的研究成果912。由于滑坡发生的过程具有特殊性及复杂性,因此必须从系统工程的角度出发,设计左岸岩石高边坡的时空综合预报模型。本文在总结前人大量研究成果基础上,在空

14、间上判断边坡潜在不稳定块体和可能的滑移模式。通过对工程现场的宏观综合信息及监测资料的分析研究,建立时间预报模型,应用经典的极限平衡理论对边坡的长期稳定性进行判断,结合边坡实测位移时程曲线,应用统计模型,如灰色GM(1,1模型、指数平滑法和非线性时间序列神经网络预测方法建立边坡中短期时间预报模型,预报边坡的变形发展阶段,最终做到时空综合分析预报,并初步提出滑坡预警临界值。2.3空间预报应用工程类比法,根据锦屏一级水电站坝区的工程地质条件,包括地形地貌、地层岩性、地质构造、物理地质现象及开挖过程等分析研究,可以确定边坡空间分布的可能存在的不稳定块体位置。缆机平台边坡2 000 m高程以上的砂板岩普

15、遍出现倾倒拉裂,不同部位倾倒变形强烈程度有差异,其中规模较大的有1#危岩体和23#危岩体,边坡开挖后此处危岩体可能成为潜在不稳定块体。左岸坝肩边坡f429断层空间延续性较好,断层带物理力学性质较差,因此可以认为f429断层构成左岸坝头变形拉裂岩体的下游边界和底滑面。坡体前缘发育的F5,F8断层为其内侧f429断层上盘的砂板岩蠕滑拉裂变形提供了内部临空面。f429断层上 2060 岩石力学与工程学报 2008年 图1 左岸拱肩边坡工程地质平面图8Fig.1 Engineering geology plan of left abutment slope 8盘发育的SL 441松弛拉裂带,作为上游侧

16、边界(见 图2。根据左坝头坡体内结构面组合情况,在天然状态下左岸坝头变形拉裂岩体的最大可能整体失稳模式可归结为楔型体滑移破坏模式。图2 典型地质剖面图Fig.2 Typical engineering geological section由于SL 441取不同的走向,产生了滑动模式A 及B 两种不同的滑块,如表1所示。此外,针对F 5,F 2断层相交的地质情况,还可能形成以F 5为侧滑面,F 2为底滑面的单刚体滑移模表1 变形拉裂体可能滑动模式Table 1 Potential slide modes of deformed ripped blocks滑动模式 可能滑面组合模式A 煌斑岩脉+

17、f 429+ SL 441(SN 向 模式B煌斑岩脉+ f 429+ SL 44-1(N20°W型,以及以F 5为侧滑面,然后在F 5和F 2交汇处假定一向山外倾河床的滑面作为底滑面,从而也组成另一种单刚体滑移模型。 2.4 时间预报(1 长期预报目前,边坡长期预测比较成熟、应用比较广泛的理论是极限平衡法,该法物理概念清晰,计算简便13。采用刚体极限平衡法对拱间槽边坡进行整体稳定性分析,得到边坡在不同的滑动模式下,分别考虑正常条件、降雨条件和地震条件下3种工况边坡安全系数(见表2。用极限平衡法计算边坡的安全系数,一般认为安全系数判据确定为1.0比较合适。安全系数小于1.0,斜坡将处于

18、不稳定状态;安全系数大于1.0,斜坡处于稳定状态;安全系数等于1.0时,斜坡处于临界平衡状态。表2显示,滑动模式A 在3种工况下安全系数均远小于1.0,而滑动模式B 的安全系数接近1.0,安全余度较小。鉴于计算结果,对左T 23z3(4高程/mT 23z3(3厚巨厚层状变质砂岩夹板岩粉砂质板岩夹变质砂岩 云斜煌斑岩脉 f 429断层 深部裂缝 实测岩层界线 风化层界线2 050第27卷第10期金海元,等. 锦屏一级水电站左岸边坡稳定综合预报研究 2061 表2 开挖后块体分析成果14Table 2 Calculation results of block stability after exc

19、avation14安全系数滑动模式正常工况降雨工况(水压力系数取0.2地震工况(地震加速度0.1 gA 0.844 0.769 0.725B 1.130 1.049 0.988注:各工况均未考虑支护措施。岸拱肩边坡采用预应力锚索、锚杆及混凝土框格梁等加固处理;另外,在坡体内布置了排水洞,有效地排出坡内渗水,减小水对边坡的不良影响,提高了边坡的整体稳定性系数。(2 中短期预报变形监测方便、易行且能直观地反应边坡的稳定情况,所以是边坡监测系统中常用的手段之一。TP131和TP141两个外观测点在边坡开挖区之外的高程位置,其处在边坡的开挖II区的直接影响范围之内,且在表1中所列的2种最为危险的边坡破

20、坏块体的上部,因此这2个外观测点最能够捕捉到边坡滑移破坏的变形信息,能够为分析边坡的变形情况提供有力依据。锦屏一级水电站左岸边坡条件复杂,边坡变形影响因素诸多,故对其位移监测时间序列采用多种方法联合预测,如灰色GM(1,1模型、指数平滑法与非线性回归相结合、BP神经网络等预测方法。以坡体的变形值及变形速率等为判据,对边坡进行中短期的变形预测及稳定性预报。灰色GM(1,1及指数平滑法都属于统计方面的预测方法,而BP神经网络则归属于非线性预测方法,在边坡变形预测应用效果较好,能够较为准确地预测边坡的变形情况。应用以上几种变形预测模型,对左岸拱肩边坡外观测点TP131和TP141时序曲线进行预测,变

21、形预测曲线如图3所示。其相应的竖向变形速率曲线如图4所示。从图5可以看出,受到施工等因素的影响,2个外观测点的变形值及变形速率都有较大波动,经三点中值法对其进行平滑前处理后,时序曲线的变形规律明显,监测初期,位移量增加较快,变形速率波动也较大,说明块体有一定的蠕动,受边坡开挖因素影响显著。随着边坡的下挖,支护措施的及时跟进,测点离开挖面越来越远,施工对岩体变形 (aTP131 (bTP141图3 竖向变形预测曲线Fig.3 Curves of vertical deformation prediction(aTP131(bTP141图4 竖向变形速率曲线Fig.4 Curves of vert

22、ical deformation velocity525121262126412661268126112612127212741276127812711271212821时间/年月日竖向变形/mm-25121262126412661268126112612127212741276127812711271212821竖向变形速率/(mm·d-1时间/年月日-0.2-0.10.00.10.20.325121262126412661268126112612127212741276127812711271212821时间/年月日0.05.010.015.020.025.030.0251212

23、6132633126532672926927261126271252732627525277242792227112128120竖向变形/mm时间/年月日竖向变形速率/(mm·d-1 2062 岩石力学与工程学报 2008年 (a TP131 (b TP141图5 竖向变形与开挖高程关系Fig.5 Relationship between vertical deformation and excavationelevation影响越来越小,成为次要因素,而随着边坡开挖暴露高度增加,坡高演变为岩体变形的主要因素。下部坡体未开挖前压重较大,是上部坡体的阻滑段,下部坡体开挖实际上削弱了边坡

24、前缘的压脚稳固效果,使上部测点岩体产生滑移变形。从图5还可以看出,这种变形的传递具有一定的滞后效应,即上部坡体变形比下部边坡开挖在时间上有一定的滞后性,说明边坡暴露高度增加后,将在更大范围内进行应力调整,这种应力调整需要一定的时间。同时边坡变形增长也较变形平稳区快,变形减缓的时间延长。目前变形曲线较为平稳,变形速率维持在小于0.05 mm/d ,可以判断边坡处于缓慢蠕动到匀速变形阶段之间。为了保证边坡的稳定,边坡的开挖秩序及支护措施15要严格按照边坡设计要求执行。3 边坡失稳预警综合分析历史上已发生典型滑坡剧烈变形和突发快速滑动的变形及变形速率等特征16,并与影响滑坡的外在因素(如降雨、地震等

25、之间关系做深入研究,根据锦屏水电站左岸边坡的具体情况及安全监测得到的信息,初步总结出以下4条预警临界值:(1 加速变形初期:位移速率1.02.5 mm/d ,且季节性变化强;加速变形后期,位移速率为2.55.0 mm/d ;临滑阶段,位移速率>5.0 mm/d 。(2 加速变形阶段初期,位移曲线切线角a = 70°75°加速变形后期,位移曲线切线角a >85°。(3 地震的破坏性相当大,当地震峰值加速度0.125,或滑坡场地地震烈度VII 就极可能诱发滑坡的发生。(4 降雨预警判据(见表3。表3 降雨预警判据Table 3 Early warning

26、criterion of rainfall日降雨量 /mm 持续时间/d 月降雨量/mm 预警程度<10(小雨 7<70安全,无需报警 1025(中雨4 70125安全,需要注意监测 2550(大雨3125200一般危险,加强对重点部位监测力度50100(暴雨2200350预警,加密监测及分析强度,注意监测项目的异常变化>100(大暴雨>1 >350红色紧急报警除上述定量指标外,还应根据坡体变形过程中出现的异常表现进行宏观上的判断,将定性与定量判据结合在一起形成综合预警预报判据。在坡体进入加速阶段后期,边坡后缘的裂缝会明显发育,原有裂缝会延长、加宽,并产生新的裂缝

27、,特别是在1 885 m 高程坝顶平台及洞室。后缘裂缝的连通率应达到50%以上。坡面已有裂缝有些进一步张开,还可能有裂缝闭合并不断产生新的裂缝。缆机平台产生隆起,各级马道出现明显下沉,后缘会产生明显下沉现象,下游边界滑体进一步挤出。进入加速阶段后,可能有较多的锚索被拉断,坡面上的框架梁发生断裂等现象,平台上的建筑物出现裂缝,倾斜等现象。4 结 论(1 研究锦屏一级水电站左岸拱肩岩石边坡工程地质条件,应用经验模型、工程类比法判断,在空间上判断由断层(F 5,f 429等、深部裂缝SL 441及煌斑岩脉X 等不良地质结构面切割组成可能的边302005112920060128200603292006

28、0528200607272006092520061124200701232007032420070523200707222007092020071119200801182008031820080517时间/年月日 竖向变形/m m1750180018501900195020002050开挖高程/m m 200512142006021220060413200606122006081120061010200612092007020720070408200706072007080620071005200712042008020220080402时间/年月日 竖向变形/m m1751801851901

29、95200205开挖高程/m第 27 卷 第 10 期 金海元，等. 锦屏一级水电站左岸边坡稳定综合预报研究 2063 坡滑移块体。 (2 基于对工程现场的监测资料的分析研究， 由 外观测点的变形情况，通过多种预测方法联合预报 边坡长期、中短期变形动态，可以动态追踪预报边 坡所处的变形阶段。边坡目前处在缓慢蠕动至匀速 变形阶段，变形速率小于 0.05 mm/d。 (3 初步提出边坡失稳的预警判据， 测点各个变 形阶段的变形速率及位移曲线切线角 a 的阈值以及 降雨和地震等影响因素的临界条件。指出边坡出现 异常的可能的宏观地质现象。 边坡的预警研究是世界难题，下一步的工作就 是针对锦屏水电站左岸

30、边坡的预警判据及预警系统 进行深入的研究。 参考文献(References： 11 1 张倬元，王士天，王兰生. 工程地质分析原理M. 2 版. 北京： 地质出版社，1994.(ZHANG Zhuoyuan，WANG Shitian，WANG Lansheng. Principle of engineering geology analysisM. 2nd ed. Beijing：Geological Publishing House，1994.(in Chinese 2 殷坤龙，晏同珍. 滑坡预测及相关模型J. 岩石力学与工程学 报， 1996， 15(1： 18.(YIN Kunlong，

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