高陡岩质边坡稳定性分析

高陡岩质边坡稳定性分析

1边坡地质构造及裂缝成因分析西河水库水库位于四川省甘孜藏族自治省河上游金汤河口以下4.7公里处，4台机组，年处理费用2600万元。这是近年来中国发展的大型节水项目之一。大坝为砾石土直心墙堆石坝,最大坝高240m,坝顶高程1697m,水库总库容11.4×108m3。与锦屏一级水电站左岸边坡和大岗山水电站右岸边坡的地质结构特点不同,长河坝右坝肩边坡的深部卸荷裂隙并不发育,但是受多期构造作用影响,长大结构面特别发育,对施工期边坡岩体的变形与稳定起着控制作用。右坝肩边坡2008年5月开始开挖,2010年10月开始其上部先后出现了16条裂缝,对后续开挖施工安全有较大影响,因此裂缝成因分析对边坡稳定性复核非常重要。本文将结合工程地质调查和监测资料,分析裂缝区岩体变形特征和边坡潜在失稳模式,以期更深入理解裂缝的成因,为同类工程提供参考。2边坡地质特征长河坝水电站位于川滇SN向构造带北端,与NE向龙门山断褶带、NW向鲜水河断褶带和金汤弧形构造带的交接复合部位。地貌特征为横断山系北段的高山曲流深切峡谷,现代河床深切达数百米,河谷呈V型嶂谷形态,谷坡陡峻。边坡岩性为晋宁期~澄江期侵入岩体,以花岗岩(uf0672(4))及石英闪长岩(uf06402(3))为主,岩体间呈焊结接触。坝区边坡总体为SN走向,坡体地应力较高,最大主应力值达30MPa。受多期构造活动及卸荷的影响,坝址区岩体发育有大量的次级断层、挤压破碎带和节理裂隙。图1为右岸坝肩边坡平面图及剖面图,边坡开挖面走向为N8°E,最大开挖高度约300m,开挖坡度48°~84°,属A类I级高陡岩质边坡。边坡岩体卸荷较强烈,勘探揭示强卸荷下限水平埋深30m,弱卸荷深度57m。岩体弱风化、强卸荷,裂隙发育,裂面多微张~张开,发育有数条断层及挤压破碎带,其中以贯通性长大结构面最为典型,部分延伸达200~300m,且结构面分组分层发育明显。坡体发育的主要结构面特征见表1和图1,2,对边坡稳定性影响较大的是顺坡向的结构面J1,J2,陡倾角结构面J4和次级断层F0。3第1裂缝:1#10#坝肩边坡所处位置为一个三面临空的单薄山脊,山脊延伸方向NE50°,岩体总体卸荷强烈,前缘为基岩陡壁,坡度60°~70°,山脊上游侧为笔架沟,下游顺河向侧坡为坝肩边坡,其中坝肩边坡心墙部位开挖面走向NE8°~25°,坡度63°~73°。坝肩边坡开挖始于2008年5月5日。2010年10月,坝肩边坡自上而下开挖到1640m高程,在1694m高程以上出现1#~10#裂缝;2011年5月,开挖至1610m高程,在1640~1694m高程先后出现11#~16#裂缝,表2为各裂缝的基本特征值,裂缝分布平面如图3所示,图中桩号“(坝)0–53m”代表距坝轴线上游侧53m位置。16条裂缝在空间上构成一个裂缝群,靠山脊部位分布比较集中,大部分裂缝表现为张性开裂,最长延展达25.4m,最宽达100mm。坡体后缘1690m高程以上分布有1#~10#裂缝,经工程地质调查,推断2#,6#裂缝上游段和9#裂缝走向近一致,大致朝山脊方向呈弧状延伸,构成一组较连续破裂条带,如图3中虚线所示,其成因与J4组结构面变形有关。同理,7#裂缝下游段、3#和6#裂缝下游段亦构成一组较连续破裂条带。坡体前缘1690m高程以下分布有11#~16#裂缝,其中11#,13#和15#裂缝的走向均与边坡走向小角度相交,3条裂缝揭示了坡腰部位的变形规律,对稳定性影响较大,将重点研究其成因;其中11#裂缝沿F0断层发育,呈鼓胀变形特征,13#,15#裂缝分别在开挖面上1673,1685m高程出露,且均表现出剪切位错特征。4裂缝原因分析4.1地表监测墩tp2c和tp---滑角在右坝肩不同高程布置了系列变形、应力监测测点,共51台(套),其中大部分测点的监测结果正常。2010年12月~2011年3月,对于裂缝较密集、变形较大的区域进行防护网和系统锚索(杆)支护,坡体大部分区域变形得到控制。但监测资料显示,2011年3月继续开挖后,仍有部分区域有持续变形,该区域范围从坝轴线至山脊,高程为1660~1730m,涵盖了大部分裂缝,故将其作为主要研究区域。该区域监测测点布置剖面如图4所示,其中TP代表地表监测墩,PR代表锚索测力计,M4代表四点式多点位移计。限于篇幅,对锚索测力计和量级小于15mm的位移测点不作探讨,重点分析变形量较大的位移测点,分别为多点位移计M412(高程1720m、桩号坝0–017.5m、安装时间2010年12月4日)和M413(高程1705m、桩号坝0–025m、安装时间2010年12月3日);地表监测墩TP02(高程1730m)和TP04(高程1705m)。(1)多点位移计监测成果多点位移计M412的位移–时间的关系曲线如图5所示,各测点变形均为指向坡外的正变形(变形约定以向坡外为正,坡内为负),变形量由内向外逐渐增大,距离地表0m的测点的最大位移达43mm。距地表5和15m的两测点变形不同步,表明深度为5~15m的坡体存在变形或裂隙。4#裂缝的形成和扩展是这2个测点出现差异性变形的主要原因。多点位移计M413的位移–时间关系曲线如图6所示,各测点变形均为指向坡外的正变形,其中表层0和5m两测点的位移基本重合,且增加较快,最大位移达45mm,深部15和25m两测点的位移增加缓慢,距表面5和15m的两测点变形不同步。如图7所示,3#裂缝和4#裂缝分别从浅层和深层切割岩体,其中3#在1705m高程分布深度约14m,4#裂缝约23m,这2条裂缝是表面5,15m两测点和深部15,25m两测点变形不同步的主要原因。(2)地表监测墩监测成果地表监测墩主要反映1700m高程以上山脊表面的变形,记录2个正交方向位移,X指向正东方向,Y指向正北方向。地表监测墩TP02和TP04的位移–时间曲线如图8所示。TP04的Y向累积位移达76mm,其余方向最大位移均小于15mm。由于地表监测墩TP04位于单薄山脊的头部,北面与东面均临空,且周围岩体卸荷较强烈,出现较大变形比较突兀,与周围测墩变形不同步,故不应将TP04的变形方向作为坡体主滑方向。经矢量合成后地表监测墩TP02的变形方向为NE60°,与3#和4#裂缝的走向近于垂直,并与缓倾角J1组结构面的倾向呈小角度相交;同时,TP02的变形方向与大部分裂缝的扩展方向、13#和15#裂缝的剪切位错方向基本一致,故将TP02的变形方向NE60°作为坡体的主滑方向(见图9)。由于开挖面上已进行系统锚索(杆)加固,加固力方向约NW75°,致使J1组结构面的顺坡优势倾向受到抑制,故坡体变形不按结构面J1的真倾角(SE35°)顺坡滑动,而是沿山脊方向按J1的伪倾角(NE60°)滑动,这样更能合理解释边坡目前观测到的主要变形特征。4.2变形断裂模式监测资料显示,13#和15#裂缝均有错动迹象,裂缝上部岩体外错10~20mm,如图7所示。J1组结构面是由多条近平行的结构面构成,产状均为SE75°∠35°,比较有代表性的是J1–1和J1–2结构面。2010年10月,坡体开挖导致J1组结构面前缘临空,破坏了坡体原有的平衡,其上岩体沿顺坡向结构面J1–1和J1–2发生剪切滑移,在坡体前缘形成13#和15#裂缝;同时,坡体后缘发育有近陡倾的J4组结构面,J1组结构面剪切变形牵引J4组结构面张开产生裂隙,由J4组结构面切割的岩体形成板状倾倒趋势,进一步将J4组结构面拉裂为长大裂缝,即产生走向近一致的1#,2#,3#,4#,8#,9#和10#裂缝。与此同时,在以上裂缝扩展的过程中,山脊部位岩体卸荷变形,5#,6#,7#等裂缝也随即形成。裂缝演化过程可归纳为:开挖导致J1临空–其上岩体滑移–上部岩体沿J4拉裂张开–后缘岩体倾倒变形。由此可将边坡岩体变形破裂模式总结为:滑移–拉裂–倾倒,这是岩质边坡的一种复合型变形破坏模式。同时1705m高程以上的部分岩体发生沿笔架沟方向的倾倒、崩塌破坏。4.3坡体表面位移规律从2010年10月观测到裂缝后,暂停开挖并进行锚索加强支护后,裂缝和坡体变形均得到了控制。继续下挖始于2011年3月初,变形在4月底开始加速,此后陆续有新裂缝形成与旧裂缝扩展现象,坡体不同测点的位移也持续增大。图10为主要变形区的表面点位移–时间的关系曲线,由图中可以看出变形与开挖是密切相关的。有2个时间特征点的位移发生了阶跃,并伴随着出现新的裂缝。第一个特征点出现在2011年3月29日,坡体开挖高程为1640~1635m。多点位移计M42表面位移出现阶跃增长,从2.28mm陡增到6.03mm,随后缓慢平稳增加;同时观测到在多点位移计M42附近的8#裂缝下端出现新的垂直缝,沿J4结构面延伸,长15m,宽约20mm。该特征点阶跃增长主要是由8#裂缝扩展拉裂产生16#裂缝所致。第二个特征点出现在2011年5月24日,正在进行1615~1610m高程开挖,多点位移计M41,M412,M413的表面点位移均出现阶跃式增长,此时F0断层带内出现11#裂缝,表现为受挤压的鼓胀变形(见图11),F0断层上盘岩体相对于下盘外倾约10mm。坡体表面点位移的突然增大是由于F0断层上盘岩体发生了倾坡外的下沉变形所致。2个特征点出现在F0断层下盘不同高程岩体的开挖,随即出现上盘岩体外倾,断层带内压密变形等特征,导致上盘岩体下沉挤压断层带,发生上拉下压式的变形。2010年10月~2011年12月期间,针对坡体裂缝区域,在原设计锚固的基础上,分期分区进行了加强锚索支护,锚索预应力1000或1500kN,长50或55m。图10反映了坡体表面点位移变化规律,曲线由阶跃状变为平缓状,说明加强支护后变形速率明显降低,裂缝和坡体变形得到控制。由于坡体开挖是分层分步进行(见图10),爆破作用是瞬时完成的。坡体表面位移规律表明,由爆破振动引起的变形大致呈不规则台阶状增加,说明开挖爆破对裂缝的形成与发展也起了推动作用。故应当特别重视爆破规模与炸药用量的控制。另一方面,虽然在开挖裸露岩体表面进行了挂网喷混凝土等防护措施,并布置了排水管网,但对裂隙密集区域,特别是1700m高程以上,不能忽视降雨下渗对坡体变形破坏的影响。5拉裂—结论(1)结合工程地质条件、岩体结构特征与监测成果,分析得出裂缝成因:开挖使J1组结构面临空,导致边坡下部岩体沿J1组结构面产生剪切滑移变形,上部岩体沿J4组结构面产生拉裂,坡顶板