溪洛渡电站岩体卸荷回弹工程地质特征初步分析

1、溪洛渡水电站岩体卸荷回弹的工程地质特征初步分析摘要：溪洛渡在建的特大型水电枢纽工程区处于高陡边坡河段，受构造应力和卸荷回弹作用的影响，边坡 岩体垂直、水平卸荷张裂面相当发育.通过对坝址区的地质调研，初步论证了卸荷节理裂隙产生的力学机制 和一般规律,进而提出坝址齿槽开挖形成临空面后地应力释放产生卸荷回弹，岩体沿结构面产生向河床方向 位移的可能性。地下厂房三大洞室高边墙开挖后在地应力作用下沿结构面向临空面方向卸荷回弹引起的围 岩稳定问题，同时探讨了该类高边坡的稳定性以及对高边坡进出水口段的开挖支护形式.关键词：卸荷回弹岩体结构边坡稳定1 前言溪洛渡水电站是我国目前仅次于三峡电站的特大型水力工程，位

2、于金沙江下游云南省永善县与四川省 雷波县相接壤的溪洛渡峡谷段。溪洛渡水电站以发电为主，兼有防洪,拦沙和改善下游条件等综合效应；开 发目的是实施“西电东送”，满足华东，华中经济发展的用电需求，并配合三峡工程提高对长江下游的防洪 能力，充分发挥三峡工程的综合效益。溪洛渡水电站总装机容量1260万千瓦，坝高278m，水库正常蓄水位 600m，相应库容115.7亿m3,防洪库容46.5亿m3.地质背景2.1地形地貌Biit淋埋瞥欧瞬翩际宜期坝址区受盐津、马边活动大断裂构造应力作用影响，形成雷波永善构造盆地一永盛向斜.坝址区系一 总体倾向南东的似层状玄武岩组成的单斜构造，地层产状顺流向上游呈陡缓相间的平

3、缓褶曲.金沙江以NW 一SE向流经坝区，河道顺直，谷坡陡峻，山体雄厚，枯水期水位360m，相对江面宽70110m；正常蓄水位600m 时，相对江面宽500535m。河谷断面对称成” U”字型展布，岸边420560m高程段为7075。的陡壁； 560600m高程段为50。左右的斜坡，600m段高程以上为7080。的陡壁；两岸谷肩高程860米以上主要 为第四系冰水堆积物和冲洪积物组成的河流阶 地，宽阔平缓，倾向江心。见地形、地质结构示 意图（图1）：根据地貌特征分析，金沙江峡谷形成主要经 历了新构造运动两个阶段:从Q2末期到Q3中期， 此区地壳抬升速率较为缓慢，金沙江从海拔N 2000m下切到86

4、0m以后地壳趋于下降，形成两岸 对称阶地，并堆积了第四系冲洪积物；Q3末期地 壳抬升速率急剧增大，河谷快速下从而形成“U” 型峡谷地貌。地层岩性坝址区河床及两岸基岩均由二叠系峨眉山玄武岩（P28 ）组成。二叠系下统茅口组（P1m）灰岩、白云 质灰岩等埋深于坝基以下约70m。峨眉山玄武岩为多期喷溢性火山岩流，坝址区最大厚度520m，共14个喷发旋回，因而形成14个岩 流层。岩流层厚度一般为2540m，其中第六层（七86）和第十二层（P/眨）的厚度较大，平均厚度分别为 72m和82m，第十层叩顶）和第十一层（P。）厚度最小平均厚度约，厚度相对稳定，起伏差小于5m。结构与构造玄武岩为隐晶质结构，每层

5、下部为块状构造，岩性坚硬，弹性模量一般垂直向为2230Gpa，水平向为 1222 Gpa，抗压强度为120200 Mpa；中部为杏仁状构造，上部为紧闭的柱状节理发育。由于中生代以来多期构造运动，岩体中形成了较为复杂的结构面网络体系，根据区域构造配套分析以 及现场量测，贯穿性结构面以NE向和NW向为主，缓倾角结构面分布较频繁，平均约1条/10m，倾向SE，走向N3050 E,倾角1020，大多为在原生节理基础上经构造作用改造形成的小断距缓倾角错动 带。非贯穿性节理主要发生在各个岩流层中部，工程类型以新鲜的裂隙岩块型为主，部分为含屑角砾型， 发育的主要优势方向参数如表1：表1非贯穿性节理发育优势方

6、向参数表编号平均产状间距（cm）断面特征1N3050 W/SW(NE)匕5102530新鲜、粗糙2N4050 E/SEN5102530闭合、无充填3N4050 W/NEN60803035闭合、无充填4N2040 E/NWN50702528粗糙、充填石英5N6080 E/SE(NW)匕658530开裂、粗糙充填蚀变物6EW/S(N)匕60802535闭合、无充填2.4地震烈度与应力场本区地震烈度为伽度，最大地应力为1820 Mpa，方向为N6070 W，与坝区金沙江河谷近于平 行，与岸坡呈1030。夹角，坡脚谷底下部位存在高应力区，最大主应力。可以达到30 Mpa。边坡岩体卸荷1根据岩体卸荷强度

7、和坝址区岩体卸荷形式可分为两大类：即强卸荷和弱卸荷。强卸荷带 金沙江两岸强卸荷带宽度为510米，岩体风化较严重，具明显松弛特征，一般沿岸边 平行展布。两岸多处可见宽度大于2cm的集中卸荷带，局部产生错落，大部分张开宽度0.52cm，裂隙内 充填岩屑并夹泥质成分，岩体呈块状、次块状，局部呈镶嵌碎裂状，声波波速差别大，一般纵波波速V= P 30005000m/s。弱卸荷带金沙江两岸弱卸荷带宽度分别可达2040m，岩体较松弛，卸荷带内节理微张，张开宽 度为1.520cm，裂隙内充填岩屑和次生泥膜，局部沿节理裂隙有滴水、渗水现象。3.1水平卸荷裂隙水平卸荷裂隙在金沙江两岸分布极其普遍。块状玄武岩中由于

8、水平卸 荷裂隙的存在从而表现出类似层积岩的层理特征，但根据两岸边坡开挖观 察，这种卸荷裂隙一般短小，呈近水平状，向坡内延伸多为10m左右，少 数大于10m。坡面附近裂隙张开510cm，向内紧闭而逐步尖灭，充填有贝 壳状或光滑断口状的石英颗粒，溶蚀较弱。值得注意的是金沙两岸河床以上的水平卸荷由于地应力释放完成，进 一步发展的可能性较小，但根据目前我国高边坡高应力区均发生在谷底即 坡脚部位的规律，坝基开挖后坡脚高应力区的这类水平卸荷裂隙随着开挖 临空面形成，两岸卸荷引起应力集中即差异回弹，裂隙将进一步扩大和发 展，从而对坝基边坡稳定性造成威胁。根据目前在工区所测的多个应力点 资料反演，坡底和谷底下

9、部存在高应力区，可以初步确定其产生的最大主 应力。N30Mpa.3.2垂直卸荷裂隙垂直卸荷裂隙即平行岸坡的陡倾角卸荷裂隙（见上图2）。 其在金沙江两岸的陡峭边坡上均较发育，但水平方向贯入岸坡 深度较浅，一般小于10m，目前对边坡稳定影响较大的主要为 贯入深度26m的垂直卸荷裂隙。从成因上垂直卸荷裂隙可以 分为两种：一种是沿边坡构造结构面张拉形成的，这种裂隙与 水平卸荷裂隙组合切割的岩块稳定性主要受水平裂隙和缓倾角构造结构面控制。若裂隙面倾向外倒，且具有较软弱夹层则极易形成崩塌破坏（见照片1），反之岩块较为 稳定。在左岸岸坡610m高程主厂房通风平洞进口段顶拱部位发育的一条缓倾角错动带，上盘完整

10、，下盘破 碎带厚度达2m之多；况且在边坡位 照片1垂直卸荷造成危岩体 置发育一条平行岸坡的垂直卸荷裂隙，这样在断错结构面和垂 直结构面的不良组合下，经爆破震动力的影响最终发生崩塌破坏。照片2垂直卸荷形成岩板另一种是垂直卸荷节理面呈弧形，中段光滑，两端粗糙，从 裂隙的扩展方式分析，生成机制为上段倾倒拉张，中段碾剪弯曲 （斜），根部未脱母岩受中、上段倾倒带动开裂，即近于平行岸边 倾倒构造裂隙临空卸荷的作用下发生弧形破裂，它们将岩层分割 成数十平米的岩板，一旦贯通到一定程度，极易发生坠落崩塌（见 照片2）。3.3缓倾角断裂卸荷回弹错动受周边构造格局影响，坝址区内出现频次约1条/10m的贯通 性层内错

11、动带。这些错动带在两岸出露后均表现出明显的卸荷回 弹错动改造，回弹错动具有下述典型特征；（1）错动带外宽内窄。在金沙江左岸岸坡部位的进风平洞洞口顶拱部位，错动带上盘岩石完整，下盘 破碎、软弱物质达23m向洞内逐渐变薄，延伸到洞内后软弱物质厚度仅35cm,表明靠近坡面回弹错动 较为强烈。（2）错动面上有明显的石英颗粒析出并伴有阳起石化和绿泥石化。在卸荷回弹时，溶蚀程度较高的 石英又被碾压破碎，并形成新的擦痕。错动面上局部产生高温重融物，表现在洞内缓倾角结构面上有串珠 状的石英熔体，岩石熔融并分离出石英熔体的现象是岩体沿结构面发生强烈卸荷回弹时受结构面上局部凸 起体的阻力强烈摩擦升温而引起的。由于

12、缓倾角断裂带的回弹错动，在洞内开挖临空面形成后，局部地段 在结构面下方由于应力瞬时释放形成轻微岩爆现象并发生局部坍塌；而河谷两岸岸坡构造应力释放巳经完 成，岩体应力场转为自重应力场为主。3.4板裂化结构这类改造发生在左岸泄洪洞出口。巳经开挖的断面中上部近于平行岸坡的垂直卸荷裂隙将整体块状岩 体切割成板状，厚度达2030cm，裂隙的形成机制是坡面浅表层在卸荷所诱发的残余应力作用下形成的。岩体卸荷回弹所诱发工程地质问题的处理原则4 .1 洞室围岩卸荷岩石洞室开挖后，围岩应力将重新分布，而在临空面形成 一倍洞径后应力重新分布基本完成，由于前期构造应力作用下 形成的大量层间、层内错动带使得洞室开挖后在

13、结构面附近发 生应力集中现象并沿临空面发生应力回弹，致使洞室顶部的危 岩体沿结构面发生坠落，对施工安全造成威胁。 TOC o 1-5 h z 处理方法：沿开挖揭露的结构面实施锁口支护，（见图3）-即开挖缓倾角结构面暴露以后，先用反铲敲顶，让能够坠落的危岩体尽量坠落，不能够坠落的结构体沿露头线内0.51米处实施临时锁口支护，一般设23排锚杆， 间距1.52.0米，第一排锚杆长度3米;第二排视结构面处危岩体厚度而定，一般为3米，对于近水平结构面（倾角为1020 ）则采用锚杆长度4.56技：.，米；第三排锚杆长度为6米，对裸露结构面上的碎裂物质清撬冲洗干净后立-即采取挂网喷砼，防止发生进一步的坍塌。

14、.I4.2边坡卸荷二顼对于左岸进出水口、泄洪洞边坡的处理（见图4），必须根据风化层的厚-度和卸荷宽度设定开挖边坡线，清除平行河谷发生的明显卸荷结构岩体，并隔1520米设23米宽的马 道。开挖后为防止卸荷进一步发展，沿结构面布置法向锚杆或者锚索，并在马道上布置纵向锚筋桩以锁定 水平卸荷结构面及引生的危岩体。建议4.1坝址区应力场条件我国北方某水库在构造应力作用下硬质岩体中也存在类似溪洛渡的层间错动带，水库坝基齿槽开挖将由于该区在前期地质勘察中两岸地下厂房地应力的最大主应力。1 = 1820Mpa。根据相关工程经验， 金沙江河床底部和下部是地应力较大的部位，推测溪洛渡坝址下主应力可以达到30 Mp

15、a。（见图5）图5最大主应力应力等值线示意图1层间错动带切断形成侧向临空面，在地应力作用下岩体沿顺层 开裂面向应力释放方向产生位移最大达7cm，而且具有结构面 性状越差，距开挖面越近，错距越大的规律。岩体错位波及的 范围达6700m2,占建基面79%，且发生在开挖面以下35米以 内，岩体发生位移极大地提高了工程造价。溪洛渡属于高边坡硬质玄武岩结构体，同样存在错动结构 面。坝基以上边坡应力释放巳经完成，但建基面开挖后不排除 岩体发生位移的可能，因此建议在建基面开挖以前应对坝基下 部地应力大小和方向进一步测定，可用小口径金刚石钻进取芯， 看是否有饼片岩芯片集段出现，可初步认定河床开挖面下地应力高低

16、，并论证是否有发生沿基坑临空面发生位移的可能，防止 因地应力释放造成坝基岩体向临空面释放对工程造成的不利影 响。4.2地下厂房边墙卸荷回弹地下厂房的开挖过程中，巳经暴露了大量的层内缓倾角结 构面，特别是在左岸主厂房桩号0+1600+220段发生倾角约 35的断层，断层结构面上盘光滑，下盘由于上盘逆冲作用， 产生挠曲现象而且岩石非常破碎（见照片3）造成不良地质超 挖量较大。不仅如此，厂房发生的缓倾角结构面频次较高，并 与陡倾角结构面组合形成不良结构体，洞室开挖临空面形成以 后，围岩应力重新分布，在卸荷回弹松动圈形成的过程中发生 局部坍塌的情况经常发生。溪洛渡地下厂房三大洞室开挖必须针对巳经开挖露

17、头的地质结构面进行认真细致的调查、研究和分析。 关键是分析不同结构面的组合方式与临空面的关系，以及推测其稳定状态，特别是研究高边墙中下部存在 的不稳定楔形体的分布特点和形式，以及采取的锚索支护形式和长度。通过常规的地质编录和对所有构造 形迹进行综合分析，提出岩体可能失稳的部位，是三大洞室施工地质工作研究的重点。结语溪洛渡坝址区及地下洞室都处于坚硬的玄武岩岩体中，地应力和构造应力相互作用形成的缓倾角 层间、层内错动带较发育，而这些不连续地结构面在地下洞室开挖后形成临空面，使其应力释放，将产生 不利于围岩稳定的卸荷回弹，从而对洞室安全施工和运行造成威胁。对于这类结构面采取的支护措施就是 及时实施锁口支护、挂网喷砼等;而对于因垂直卸荷和水平卸荷回弹作用引起大量危岩体的高边坡部位，比 如电站进出水口边坡开挖段，应予清理危岩后采取纵向锚筋桩和法向锚索、长锚杆等进行联合支护，以防 止岩体卸荷回弹作用的进一步发展。两岸地下厂房