三峡工程临时船闸及升船机高边坡施工期安全监测成果及分析

`三峡工程临时船闸及升船机高边坡施工期安全监测成果及分析

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    摘要 安全监测成果表明，三峡工程临时船闸及升船机高边坡施工期变形一般不大；锚杆应力都在正常范围之内；两岸山坡裂隙渗水位逐年有所降低，左岸山体排水洞及两岸边坡上的排水管有效地降低了裂隙渗水位；岩体松弛范围不深；爆破振动所产生的边坡质点振速基本上都控制在允许范围之内。说明高边坡设计及加固措施是合理适当的，施工质量是好的。

    关键词 高边坡 安全监测 成果

1 工程概况及安全监测布置

    长江二峡水利枢纽临时船闸及升船机位于长江左岸。升船机为垂直升船机，它是二峡水利枢纽建成后的船舶快速过坝通道。位于升船机右侧的临时船闸为单线一级船闸，它主要承担施工期间汛期航运任务。当永久船闸投入运行后临时船闸改建为2孔冲沙闸。

    临时船闸及升船机在深开挖的花岗斑岩山体中修建。修建临时船闸及升船机时的深开挖形成了高达140m的边坡，为了维持和改善边坡的整体及局部稳定性，确保边坡施工和运行期间的安全，对边坡岩体采取了喷锚加固措施，对影响边坡稳定的因素还进行了有效控制。

    施工期间为了解边坡的稳定状态，及时发现不稳定情况以便尽早进行工程处理；同时为了掌握边坡变形规律、地下水分布状态、锚杆应力状态、边坡松弛范围和爆破振动影响等，对边坡进行了安全监测。

    三峡工程临时船闸及升船机高边坡监测主要突出4个重要断面，1个位于临时船闸上闸首南坡44断面，桩号5+084，另3个位于升船机北坡10-10、1l-11和7-7断面，桩号分别为5+086、5+135和5+220。边坡表面变形用大地几何测量方法监测；边坡深层水平和垂直变形分别用钻孔测斜仪和杆式多点位移计监测：监测马道上出露的断层或裂隙变化用钢丝位移计或位错计监测；边坡裂隙潜水位或地下水位用渗压计和地下水位观测孔监测：锚杆应力用锚杆应力计监测；边坡松弛范围用钻孔声波法和地震法测试确定。在仪器监测的同时，还经常进行人工巡视检查，以弥补仪器监测的不足。

    现场开挖时爆破振动对高边坡稳定产生的影响采取跟踪监测的方式，在边坡不同位置布置监测点来测定质点的振速及加速度，以此来判断爆破对边坡振动的影响。

2 临时船闸及升船机高边坡安全监测成果综述

2.1 边坡岩体变形

2.1.1 边坡岩体变形空间分布

    (1)岩体沿Y方向(垂直船闸中心线方向)水平变形在Y方向由几何三角测量测得的边坡表面累计水平变形和由钻孔测斜仪测得的边坡深层累计水平变形一般指向临空面(临时船闸中心线方向)。

    同一断面上的岩体沿高程分布一般是位置较高者累积水平变形较大。表2-1给出了不同高程上测点所反映的岩体表面最大累计变形分布情况。

     边坡岩体累计水平变形与岩坡坡度有关，一般岩坡较陡，坡顶表面累计水平变形较大。表2-1中所示的Y方向边坡表面最大累计水平变形以129m为界，在该高程以下边坡表面变形随着高程的增加而增大，在该高程以上边坡表面变形却随着高程的增加而减小，后一种情况主要与129m以上岩坡趋缓有关。 

边坡水平变形初期速率较大，后期较小。实际测得的边坡表面及深层水平变形随时间的变化过程皆显示了上述规律。边坡岩体累计水平变形大小与边坡内部结构及岩体性质有关。	表2-1 Y方向边坡表面累计水平变形沿高程分布情况表
高程/m	79	84	95	99	105	110
水平变形	1.74～	2.92～	13.59～	3.18～	16.63	2.88～
/mm	5.0	7.61	17.41	13.25		32.
高程/m	114	129	130	144	159	200
水平变形	5.19	17.21	2.15	2.25	16.54	10.47
/mm	～36.95	～43.22	～21.55	～24.92	～16.82

    同一高程上边坡表面水平变形并不完全一致，这种差别主要是边坡内部结构不同及岩性差异而引起的。

    (2)岩体沿X方向(平行船闸中心线方向)水平变形

    在X方向岩体表面累计水平变形较小。其绝对值一般小于5mm。

    边坡在X方向的水平变形量值和指向与临近的临空面有关，距临空面较近的测点累计水平变形较大。个别测点指向上游的表面水平累计变形最大为13.92mm，指向下游的表面水平累计变形最大为8.09mm。

    (3)边坡岩体垂直变形(H方向)

    边坡岩体垂直变形一般为上拾回弹变形，变形量值较小，一般在1.58～7.45mm之间。个别测点存在下沉变形，下沉变形量在7.66～16.19mm之间。

    M01GP03多点位移计测得升船机北侧直立岩坡深层垂直变形一般为压缩变形，其下游侧附近TP14GP04测

点测得的边坡表面也垂直下沉，两者情况相符。假定埋设最深的测点为不动点，则相对该点的压缩变形随

高程的增高而加大。表2-2反映了M01GP03多点位移计埋没部位岩坡深处各高程相对压缩变形情况。

2.1.2 边坡岩体变形影响因素分析 

    影响边坡岩体变形的因素主要是边坡开挖卸荷引起的岩体应力重分布、气温以及岩石蠕变等。

边坡临空面一侧及顶部因山体开挖卸荷而压力减小，这引起岩体内部应力调整，调整的结果使岩坡在相应的卸荷部位反弹。	表2-2 边坡不同高程岩体压缩变形情况表
	45.8	45.8	45.8	45.8	45.8
高程/m	～54.84	～67.07	～78.11	～88.98	～99.0
压缩变形	1.20	1.92	2.15	2.	3.60
量/mm

三峡工程临时船闸及升船机高边坡因开挖卸荷引起的反弹主要表现在水平方向边坡朝临空面变形(垂直临时船闸中心线方向)。在铅直方向边坡表面一般为上抬。当岩体较新鲜，在水平向朝临空面一侧变形量较大时，受其影响岩坡表面铅直方向的变形往往表现为下沉，这就是M01GP03多点位移计下游附近TPl4GP04测点所反映的情况。在同一开挖深度下，边坡开挖卸荷所引起的变形表现为初期较大。随着时间的推移而渐趋稳定。在边坡不断深挖的情况下，变形则随着开挖深度的增加而增大。

    外界气温的变化导致岩体内部温度的变化，从而使得边坡岩体产生温度变形。温度升高使岩体膨胀，温度降低则使岩体收缩。边坡水平及垂直变形变化一般都存在一个与气温变化相一致的年周期，但在时间上有滞后。

    岩石蠕变主要使边坡产生趋势性时效变形，这种蠕变与岩石的类型、边坡坡度及卸荷速度有关。它与

边坡开挖的速度相关性较大。

    根据边坡变形观测资料，以每月开挖深度、气温和时间为影响因素建立回归模型进行分析，分析结果表明，影响边坡变形的主要因素是边坡开挖速度，其次是时效，再次是气温影响。开挖对边坡变形的影响主要发生在边坡开挖朗，随着开挖的结束，开挖引起的边坡变形也随之趋于稳定。由于岩石蠕变等复杂原因引起的边坡时效变形呈对数曲线变化，其变形速率在初期较大。后期有所减小。温度变形分量具有明显的年周期。

2.1.3 升船机北坡5+083桩号99m马道直立坡变形

    根据IN05GP03测斜仪观测，从1996年9月开始，升船机北坡5+083桩号99m马道直立坡内岩体深层水平变形呈趋势性增大，在孔内73m附近相对变形显著，孔口累计水平变形指向边坡临空面，量值大于20mm。由该部位地质条件较复杂，它的变形情况一度引起有关单位重视。经加密监测，仔细分析变形沿孔深的分布以及随时间的变化发现，该部位73m以上岩体因开挖较早，变形已基本稳定，相对变形很小；而73m以下岩体是新近开挖的，相对变形较大，孔口累计水平变形较大主要是受这部分岩体变形影响。分析表明，该部位岩体变形符合变形规律。是正常的。

2.2 边坡表面裂隙及断层水平变形

    钢丝位移计所测得的表面裂隙相对水平变形绝大多数都小于1.5mm，半数小于1mm。位于升船机北坡10-10断面129m马道 ID2GP03测点变形量曾在一时期内呈趋势性增大，后经边坡加固，该测点变形趋于稳定。

    位错计埋设在临时船闸南侧，以监测南坡NNW和NE向裂隙所组成的楔形体稳定性。位错计实际测得的相对变形最大变幅仅为0.5～0.6mm，说明相应楔形体是稳定的。

2.3 边坡地下水状态

    临时船闸及升船机高边坡地下水为岩石裂隙潜水，它的分布情况与岩体上裂隙网络相对应。在空间上，两岸地下水存在由高处流向低处的态势。即地下水沿着相应的裂隙面流向边坡临空面；在时间上随着时间的推移，由于边坡不断下挖或山体排水洞的形成使相应的地下水疏排条件发生了有利的改变，边坡裂隙潜水位呈下降趋势。

    升船机北坡各断面测点裂隙潜水位及变化幅度相差很大。最高裂隙潜水位约148.5 m，最低裂隙潜水位约58.4m；裂隙潜水位变幅最大约20.7m，最小约0.7m。临时船闸南坡44断面裂隙潜水位因受F23断层破碎带孔隙串通影响而相互接近。

    裂隙水由地表降水及工程用水、生活用水补给，其裂隙潜水位变化主要受大气降水影响。也与温度变

化引起的裂隙张合有关，还受山体开挖及疏排水措施的影响。

2.4 边坡锚杆应力状态

    临时船闸及升船机高边坡锚固采用系统锚杆或加固锚杆，这些锚杆均非拉伸锚杆。实际测得的锚杆应

力一般为压应力或较小拉应力，最大拉应力为55.3MPa。

    锚杆应力与钢筋计处的受力状况及温度状况变化有关。应力测值中包含了岩体变形所引起的锚杆应力及

温度应力两个部分。总的来说温度应力占主要地位，变形应力数值不大，这说明锚杆处的岩体未出现大的变形。

    个别锚杆压应力绝对值较大，最大为152.3MPa，这与它的具体情况有关。就一文具体的钢筋计所反映

的由岩体变形所引起的锚杆应力而言，它与锚杆的实际长度、钢筋计在锚杆上的位置、岩体结构面的类、

岩体变形形式以及锚杆与岩体胶结砂浆的强度等综合因素有关。分析表明，当锚杆穿过主要变形结构面时，结构面上的岩体向临空面变形一定引起锚杆受拉；但岩体沿反倾结构面剪切变形或钢筋计后侧岩体裂隙的闭合变形可使锚杆产生压应力。

2.5 边坡松弛范围

    钻孔声波测试测得岩体内纵波速度最高7100m/s、最低900m/s，大多数在5000m/s至6000m/s之间。所推

算的边坡松弛深度0.3m～10.2m，大多数在4m之内。

    地震波测试测得岩体内纵波速度最高5200m/s、最低980m/s，微新岩体约为3000～5000m/s弱风化岩体

约为2000～3000m/s，强风化岩体则在2000m/s以下。地震波测试所推算的边坡松弛层厚度为0.4m至3.4m之

间。 

    临时船闸南坡4-4断面的3个CT孔内波速多为4500～5500m/s，但在F23断层附近波速较低，约为3500～4000m/s。从CT成果所反演出的声波分布等值线图可以分辨出F23断层影响带在剖面上的分布位置及其它个别低速区的位置。

    导致边坡岩体松弛的主要因素是爆破振动和岩体应力调整。前者的影响普遍存在但深度较小，一般不超过0.5m。后者包括开挖卸荷应力重分布引起的变形和结构面的流变所导致的松弛，其厚度较大，可达数米至几十米左右。

2.6 爆破振动对边坡稳定的影响

    爆破振动测试成果说明，采用爆心距为10～15m时允许质点峰值振速为10～15cm/s的控制指标，边坡上测点的实测峰值振速基本上都在允许范围内。在爆源的近区或中区竖直向的振速常比水平径向振速为大，而在爆源远区则无此规律，两者差值较小，取竖向的振速作为主要控制参量是较合理的。质点振速随爆心距和高程的加大而衰减，但在一定高程范围内还存在振速沿高程放大的效应，因而振速随高程距离加大的衰减比随水平距离加大的衰减要慢些。

    监测结果还表明，降低开挖爆破引起的振动量需严格控制单响最大药量并采取合理的起爆网络。应力求跳段选配毫秒雷管，并将深孔梯段爆破的单响最大药量控制在300kg以下，预裂爆破的单响最大药量控制在100kg以下。这样才易满足振速控制要求。

2.7 现场人工巡视检查

    人工巡视未发现临时船闸及升船机高边坡整体稳定有问题，但边坡局部在施工升挖期间存在有危岩体，边坡马道上局部地方还发现有裂缝，对于边坡潜在危岩体则根据其具体情况及时采取挖出或加固措施。对于边坡裂缝则通过现场观察分析它的成因。设点量测比较，并结合相应的监测资料分析了解它的发展，由此再决定如何处理。

    巡视检查还对边坡地下水露头、变化以及影响因素进行了记录描述，在现场对整个边坡地下水情况作充分的宏观调查，从而把握了边坡地下水总体分布情况。

    巡视检查从更全面、更直观的角度对边坡稳定作了监视、判断。为边坡处理、加固提供了重要资料。

3 结论

    监测成果表明，三峡工程临时船闸及升船机高边坡表面及深层变形数值均不大，在马道出露的断层及裂隙相对变形也很小，锚杆应力都在正常范围之内，两岸山坡内裂隙潜水位逐年有所降低，岩体松弛范围一般都不深，因此可以说，边坡在施工期间整体稳定情况良好。

    通过仪器监测及人工巡视检杏，也发现了高边坡一些局部问题，如 IN05GP03测斜孔在一个时期内孔口累计水平变形和孔内73m附近相对变形数值较大，ID2GP03钢丝位移计在1996年8月以后相对变形有明显增加，少数声波孔部位岩石松弛范围较深已达10m左右，有的部位节理裂隙产状组合不利构成了可能不稳定楔形体等，这些问题发现后经向有关部门反映均得到了及时处理。

    在施工期高边坡保持了整体稳定，边坡锚杆长度一般都超过了松弛深度，仪器监测显示，爆破振动所产生的边坡质点振速基本上都控制在允许范围内，左岸山体排水洞及两岸边坡上的排水管有效地降低了裂隙潜水位，这说明高边坡的剖面设计及加固措施是合理适当的，施工质量是好的。

边坡应布置深部位移监测孔（测斜孔）和地下水位监测孔的土建工作及自动化仪器设施埋设安装工作；

（3) 厂区边坡新增加2套倒垂孔的造孔土建工作、垂线的安装、初始值的建立以及进入自动化设施安装工作；

（4）厂区枢纽边坡新增加的14个外部变形监测标点和3个工作基点的埋设安装工作；

其中有测锚索（杆）受力的锚索测力计、锚杆应力计，测山体变形的多点位移计、钻孔测斜仪，测地下水位的地下水位观测孔等构成的安全监测系统。

应用块体理论优化边坡监测，实施了“三线一面，立体交叉”监测方案，建立了边坡监测分析系统，及时反馈监测信息指导施工

在路堑边坡工程施工期间，施工单位应采用地表简易观测法（含尺寸观测桩和经纬仪观测点）对坡体变形进行定期和不定期的监测，尤其是雨后对高边坡和不良地质边坡的变形监测；对重要的、地质特别复杂的边坡工程，应委托专业部门采用专门仪器进行监测。具体监测方案由设计、监理及业主根据实际情况确定。监测结果应及时整理分析，及时反馈给监理、设计代表、业主，以便采取措施。

    要加强边坡防护的动态设计。对边坡开挖后实际地层情况与防护（加固）工程设计、排水工程设计不符时，应及时通知监理、设计和业代以及动态设计组进行现场核查，确认是否调整或变更设计。