李家峡水电站边坡稳定性分析

李家峡水电站边坡稳定性分析

1坡体、层间挤压破碎带和顺河断裂李家峡水库为双曲拱桥，水库高度为155m，总安装功率为5.40m。河床水库后的两座混凝土车间。坝址位于近EW走向、长约5km峡谷的中段,两岸坡高180m以上。坡体主要为前震旦系中厚层～薄层状黑云更长质混和岩,片理产状:N300°～330°W/SW38°～55°。断层主要有三组:层间挤压破碎带,顺河向高倾角断层和产状为N15°～45°E/NW55°～75°的斜河向中～高倾角断层。与顺河向高倾角断层产状相近的节理在河谷边坡区较发育。2地层走向与河流向夹角坝区边坡为层状结构岩体,呈中倾角的单斜构造,倾向上游偏右岸,岩层走向与河流向夹角30°～60°。由于工程开挖,在拱坝坝基、厂房及泄水道形成新的临空面,与岩层走向组合形成了顺向坡、横向坡和逆向坡等不同的边坡类型,并表现出不同的破坏机理及模式。2.1层间摩擦角对稳定性边坡稳定性的影响开挖方向与岩层层理走向夹角小于30°,层理面倾向临空面,称为顺向坡。工程区顺层开挖坡度一般为64°～76°,远大于层理面的倾角38°～55°,如图1所示,层间软弱面成为边坡稳定性的主要控制因素。而边坡区层间挤压破碎带普遍夹泥,并受开挖卸荷及爆破振动影响,内摩擦角一般小于28°。因此,顺向坡开挖极易造成岩体产生整体平面滑动失稳,且破坏时间短、规模大,危害性极大。2.2滑动边坡开挖方向与岩层层理走向夹角在30°～90°之间,称为横向坡。由岩层层理倾向与边坡走向间的组合关系不同,可分为顺横向坡和逆横向坡。顺横向坡岩层倾向开挖临空面,大坝左岸泄水道及厂房边坡属此类型。边坡的基本结构特点是底滑面既倾向临空面又倾向上游边界,受上游滑动边界的约束,这类边坡的变形破坏多表现为下游滑速较上游快的旋转性蠕滑变形。加之河谷边坡区NEE顺河向陡倾结构面发育,变形破坏过程中裂缝往往由下游向上游扩展,产生分块性的由浅入深的塌滑。在泄流冲刷区左岸就发生过这种边坡类型的破坏,该滑坡平面形态如图2所示,坡脚开挖后,滑体沿层间软弱面f172和f174滑动并受到上游滑动边界断层F156约束(见图3、4)。滑体的解体破坏过程中,下游区的滑动速度比上游区快,滑体表现出明显的旋转性滑动的特点。逆横向坡岩层向坡内倾斜,大坝右岸泄水道及厂房边坡开挖即属此类型,其稳定性优于前者。边坡变形破坏模式主要表现为沿NEE顺河向陡倾结构面的倾倒拉裂,产生小楔体坍塌。2.3坡向、坡向开挖方向与岩层走向夹角小于30°,岩层倾向与坡向相反。大坝齿槽的上游坡开挖属此类型,该类型稳定性好,仅局部在强风化、断层、裂隙密集交汇处有倾倒性卸荷坍塌、掉块。3边坡开挖和锚定措施3.1锚杆加固后边坡稳定性分析顺向自然边坡地形一般较平缓,自然坡度与岩层层理面倾角近似,层间弱面不出露地表,边坡处于稳定状态。坡脚开挖后,边坡坡度大于层理面倾角,使层间弱面出露地表是引起塌滑的主要原因,故应对坡体预先进行锚固,锚固的目的是控制坡体沿层间弱面的单滑面滑动。理论上最优锚固方位应垂直于弱面的走向,最优锚固角(δ)则与弱面内摩擦角(ϕ)及层间弱面倾角(β)有关,为方便施工,大多数锚杆实施10°～15°下伏角。如图5所示的单滑面滑体,经锚杆加固后,边坡的稳定性计算公式为:Fs=CL+[Wcosβ-U1-U2sinβ+Tsin(β+δ)]/[Wsinβ+U2cosβ-Tcos(β+δ)](1)式中,Fs为边坡的安全系数;C为滑面的粘聚力;L为滑面长度;β为滑面倾角;U1为滑面的孔隙水压力;U2为张裂缝的孔隙水压力;δ为锚杆倾角;T为锚固力。根据顺向坡变形破坏的特点,边坡开挖的指导思想为先锚后挖,并使边坡最终的稳定性系数达到工程的安全要求。施工程序为:(1)坡面清坡处理,但不作切脚开挖。清除表部坡积层和强风化破碎岩,直至可见呈层状的岩体。(2)进行清坡面的锚固。为了尽量减少锚固与开挖的干扰,一期锚固采用系统锚杆、锚索或锚筋桩,深度需超过预计滑动面2～3m,并预留位置作二期锚固处理;二期锚固一般是对永久性边坡进行锚固,在施工后期实施,采用100～300t级的预应力锚索或抗剪锚拉洞。(3)分台阶切脚开挖,每级台阶20～30m,并留设马道。每开挖爆破段高差为4～8m,清渣后再作锚固,交叉进行。二期锚固可在开挖至一定深度后的上部马道上实施。3.2开挖与锚固方案的确定横向坡开挖的破坏机理是由各不同结构面组合形成的,其模式属楔体蠕变直至破坏,经历时间相对较长,而且边坡的变形破坏多表现为旋转性蠕滑,沿层间弱面滑动并追踪NE-NEE向裂隙拉裂。由于层间弱面倾向上游,楔体临空条件的形成是从下游到上游、由浅到深逐步发展的。根据边坡变形破坏模式和特点,确定开挖与锚固的总体思路是:边挖边锚,由浅入深,分层实施。开挖与锚固深度的确定则从施工实际出发,要及时实施系统锚杆,其入岩深度3.5～4m,锚定小楔体,并限制坡面NE～NEE向陡倾结构面的卸荷开裂。开挖一个梯段或高差达8～16m后,实施入岩深度12～15m的锚桩。楔体空间组合的最大深度是由层间弱面可能构成的滑移深度决定的。在对自然边坡破坏现象调查分析的基础上,通过结构面调查和网络模拟分析,认为顺横向坡可能构成的滑移深度一般不超过20m,对局部规模较大的层间破碎带与其他结构面的组合,控制楔体最大深度为20～25m,按锚杆入岩至楔体块度1/3深度的原则确定最大锚固深度为30～35m。开挖与锚固程序:开挖一层、实施一层的系统锚杆,开挖三层留设一施工马道,锚桩配合系统锚杆实施;对永久性边坡加固,实旋100～300t级预应力锚索,深度30～35m,为减少施工干扰,锚索一般安排在开挖后期进行,必要时在马道上预留锚索位置。3.3开挖与锚固的正截面右岸泄水道及厂房逆横向坡开挖主要是防止NEE向陡倾结构面在坡缘或马道平台上产生倾倒拉裂破坏。在高程2060m以下,由于潜伏有平行河流向的F27断层,控制右拱基的稳定变形。因此,确定开挖与锚固按以下程序及要求进行。边坡开挖和锚固的顺序为边挖边锚,一次爆破下卧高差8～10m。开挖边坡及时实施入岩4m左右的系统锚杆,以防止局部小型楔体的倾倒坍塌;继后实施8～15m的锚桩,以解决浅层的倾倒拉裂变形。考虑到右岸泄水道及厂房边坡存在有少量的缓倾结构面,个别锚桩延伸锚固长度至15～30m,锚固的倾角定在25°～30°,以嵌制边坡卸荷倾倒过程中依附于缓倾结构面而产生的侧向蠕变。高程2060m以下边坡,主要是防止边坡整体沿F27断层产生变形,采用预应力锚索穿过F27断层,以限制F27外侧边坡的整体变形。3.4岩体稳定性分析大坝基坑齿槽上游坡的开挖,均属逆向坡开挖。一般开挖坡比1∶0.3～1∶0.5,稳定性均较好,但个别坡段,由于受断层、裂隙的切割,岩体破碎,潜在局部坍塌可能性。根据其破碎程度、影响范围实施随机锚杆或必要的挂网喷锚措施,均取得较好的效果。4地质调查分析在边坡加固设计中的应用层状岩体边坡的开挖,其破坏模式与边坡方向密切相关,详细调查研究结构面的组合和变形破坏机制,是确定加固措施的关键。李家峡电站枢纽建筑物区高陡边坡的开挖和加固的施工实