恶滩水电站围堰及4_机高边坡变形机制及加固措施研究

及加固措施研究

杨　健1

,秦　娟1

,刘风秋2

,黄麟芬

2

(11中国水利水电科学研究院,北京　100044;21广西电力工业勘察设计研究院,南宁　530023)

摘要:恶滩水电站4#机基础开挖形成40m 左右的高边坡,开挖过程中,边坡上部的纵向混凝土围堰不断出现横向和纵向裂缝,监测资料表明其有明显的水平和垂直位移。本文采用弹塑性有限差分数值模拟方法,对基坑开挖过程中混凝土围堰和4#机高边坡内的应力应变状态进行分析,同时结合地质资料和现场变形观测资料分析,多角度分析了边坡的变形机制。结果表明,河水位升降变化、高边坡施工开挖、F 711断层揭露以及复杂的地质条件等是变形的主要影响因素,同时采用二维塑性力学上限解方法对该高边坡的稳定性进行分析,并提出采用以预应力锚索为主的边坡加固方案。监测结果表明,加固后边坡处于稳定状态。

关键词:F LAC -2D ;高边坡;变形机制;变形监测

中图分类号:P212;T U457　　　　文献标识码:A 　　　　文章编号:100023665(2005)0120016206

收稿日期:2004205231;修订日期:2004206226

作者简介:杨健(19702),男,博士后,高级工程师,从事水利水

电岩土工程和地质工程科研工作。

E 2mail :yangj @iwhr 1com

　　恶滩水电站位于红水河中游,忻城县红渡镇上游

3km ,是红水河综合利用规划中的第八个梯级电站。恶滩水电站主要建筑物有混凝土重力式溢流坝、左岸河床式厂房、左右岸接头重力坝等。电站设计一期导流工程碾压混凝土围堰位于左岸滩地,是为发电厂房、12#溢流坝等工程项目常年施工而设的施工围堰。其中,纵向围堰堰顶长179107m ,宽5m ,最大堰高27118m 。紧临纵向围堰11#坝段部分的4#机组基坑开挖于2002年7月16日开始,至2003年1月8日开挖至设计建基面高程,局部进行了深挖。开挖形成了40m 左右的岩质高边坡,并揭露多条断层和规模较大的结构面。据纵向围堰变形观测资料反映,边坡开挖过程中围堰沉降变形和水平变形持续增大,且未收敛。11月21日在12#坝中墩混凝土表面发现顺河向的裂缝,裂缝宽011～017mm ,长200～400mm ,深50～100mm ,断续分布,间距为500～1000mm 。11月23日在廊道内0+112处发现顺流水方向的裂缝。11月25日在下游围堰f0+040附近混凝土表面发现与围堰轴线近垂直的连续裂缝,目测裂缝深度5～6m 。2003年1月8日在下0+058附近高边坡后缘围堰脚的基础岩体内发现顺河向的J 14张裂缝。至2003年1月纵

向围堰共发现规模较大的裂缝近20条(图1)。种种迹象表明,4#机基坑右侧高边坡在施工期的稳定性问题令人担忧,边坡一旦失稳将对工程建设造成巨大损失。因此,及时分析纵向围堰和4#机高边坡的变形破坏机制,对边坡的稳定性进行分析研究,提出并采取边坡加固方案是非常重要的

。

图1　纵向混凝土围堰裂缝发育位置示意图

Fig 11　Sketch m ap of cracks in the longitudinal

concrete cofferd am

1　工程地质概况

纵向围堰包括11#坝段,位于左漫滩上,其与4#机右侧高边坡均出露二叠系栖霞组的泥质灰岩地层,岩层产状近直立。纵向围堰基础岩体内小溶洞、溶蚀裂隙夹泥发育,沿溶洞及溶蚀裂隙有漏水、渗水现象。岩溶发育很不均一,同一裂隙产状变化很大,夹泥厚度也不均一,裂隙面波浪起伏。岩体内发育的几条缓倾坡外的结构面(如深部的F 711和浅部的F 328)与岩层层面裂隙组合对围堰基础高边坡的稳定极为不利

[1]

。

纵向围堰基础及4#机右侧高边坡内地下水类型

属于溶蚀裂隙水,地下水位较高,分布高程一般为54141～67151m ,高地下水位对4#机右侧高边坡的稳定也极为不利。典型地质剖面见图2

。

图2　纵向围堰下0+060地质剖面

Fig 12　G eologic profile 0+060dow n of the

longitudinal concrete cofferd am

2　纵向围堰及4#机高边坡变形机制分析

211　计算模型及条件

采用弹塑性有限差分程序F LAC 22D ,为更好地与监测成果进行对比,计算针对4#机右侧高边坡的重点部位下0+060剖面进行。计算中约定坐标系X 方向往围堰内为正,Y 方向竖直向上为正。计算范围是以围堰和开挖边坡为中心,X 向取160m 的范围,Y 向由围堰顶11115m 高程向下取至高程0m 处。计算网格数为17000个。计算模型左右边界均采用法向约束,底边界采用双向约束。

计算荷载包括初始应力场、开挖释放荷载和水位上升荷载和水位下降荷载等。加载过程见表1。

表1　计算荷载步骤

T able 1　Process of load calculation

步骤

荷载

工　况　描　述

1初始地应力位移归零自重地应力,初始水位10016m (围堰已建成,基坑尚未开挖,外水位为10016m )。将自重地应力及初始水位

产生的位移消掉,位移归零

2边坡开挖由地面开挖至56m 高程,外水位保持10016m 不变3水位上升水位由10016m 高程上升至10916m 高程4

边坡开挖

由56m 高程开挖至基坑底部设计高程4913m ,水位保持10916m

212　计算参数及工况

计算采用的纵向混凝土围堰、基础岩体及主要结构面的物理力学参数见表2。

表2　计算参数表

T able 2　C alculation p arameters table

岩性及结构面容重(kg Πm 3)

变形模量

(MPa )泊松比

抗剪强度

f ′

C ′(MPa )岩体(P 1q )

2168

4000013501770155陡倾角断层F 332、F 102、

F 103、F 120等2155

1000013801450110缓倾角断层及裂隙F 328、

F 710、F 711、F 712、J 1等

2153

500014001350101C10混凝土(围堰)

214

17500

01167

-

-

　　数值模拟计算的原则是结合实际工况条件,并作适当简化,以尽量模拟整个施工过程中纵向围堰及4#机右侧高边坡岩体内的应力应变状态。具体计算工况分为以下几个步骤:

(1)计算初始天然地应力场的分布(围堰已建成,基坑尚未开挖,外水位为10016m )。

(2)边坡开挖后的应力及变形(基坑开挖至56m 高程,外水位保持10016m 不变)。

(3)边坡在水位上升时的应力及变形(水位由10016m 上升至10916m )。

(4)边坡继续开挖后的应力及变形(基坑由56m 高程开挖至设计基坑底部高程4913m ,水位保持10916m )。

(5)边坡在水位下降时的应力及变形(水位由10916m 高程下降至98111m 高程)。

(6)模拟边坡岩体加固(锚索)的应力及变形。

(7)计算电站厂房浇注到高程7710m 后围堰边坡

岩体的应力及变形。213　计算结果及分析

各工况条件下的计算结果绘制成最小主应力(单位为MPa )等值域图及位移(单位为m )等值域图,其中第4步模拟工况的计算结果如图3。

(1)应力分布状态

计算结果表明,河水位升降变化对岩体内的应力状态并没有明显的影响,而4#机基坑开挖后,围堰顶部、中部,围堰内侧脚下与基岩接触部位出现拉应力区;边坡内部沿F 711出现小范围拉应力集中区,表明边坡开挖使F 711上盘岩体处于临空状态,围堰及基础岩体的整体稳定性变差。随着基坑的进一步开挖,拉应力区范围和量值均有所增大,但上述拉应力区并没有贯通。在拉应力的作用下,围堰内侧脚部岩体将会沿陡倾角的层面裂隙拉开,出现拉裂缝,这点已被实际发生在桩号为下0+053的裂缝J 14所证实。施加锚索后围堰顶部和开挖边坡岩体内部的拉应力区范围有所减

Fig13　The4th step:isoline m ap of X displacement

(a)and minim al prim ary stress(b)

小,拉应力量值有所降低,表明采用预应力锚索加固边

坡对于改善岩体内的应力状态、提高边坡的整体稳定性是十分有利的。由上述可见,4#机基坑开挖及滞后的边坡加固措施是导致裂缝J

14产生的主要原因。

(2)位移分布状态

计算结果表明,河水位升降变化对围堰变形有一定的影响,水位由10016m上升到10916m时围堰顶部朝向基坑的位移值可达1125mm。水位由10916m高程下降到98111m高程时,围堰会向河床方向产生一定的回弹变形,量值可达-110mm左右。同时,4#机基坑

开挖揭露了F

711并形成临空面,

岩体卸荷导致F711上盘岩体向基坑方向发生较大变形,随着基坑的进一步深挖,变形逐步增大,最大水平位移出现在开挖边坡中部F711断层出露部位,量值可达6mm。施加锚索后边坡岩体承受向围堰外的预应力荷载作用,由此使围堰及其基础岩体向围堰外方向发生变形,可见适当的边坡加固措施对于约束边坡向临空方向变形、提高围堰和边坡的整体稳定性是十分有效的。可见,基坑开挖是导致围堰及4

#机右侧高边坡变形、发生裂缝的主要影响因素。214　变形监测结果及分析

(1)监测仪器布置

纵向围堰基础及4#机右侧高边坡出现大量裂缝的潜在影响因素很多,如复杂的地质条件、河水位反复升降变化、外界气温变化及高边坡开挖等。哪些是主要影响因素,纵向围堰和4#机高边坡的变形机制如何,这是对纵向围堰和4#机右侧高边坡的稳定性进行判定首先要解决的问题。

围堰建成后,在堰顶共布置了20个变形观测点[2] (图4)。从2002年6月中旬开始进行观测,共经历了1个丰水期和1个枯水期。

图4　各变形观测点平面布置图

Fig14　P lane layout of the deform ation monitoring points

(2)监测结果及分析

纵向围堰及其附近的JD7～JD12变形观测曲线,以及时间与河水位和气温的变化关系曲线见图5～图7。

图5　气温变化过程曲线

Fig15　Curve of w eather ch ange

图6　河水位变化过程曲线

Fig16　Curve of the river w ater level ch ange

图7　JD7～JD12

观测点水平位移和垂直位移过程曲线

Fig

17　Curves of the horizontal and vertical displacement

of the monitoring point JD7～JD12

由观测结果可见,JD7～JD12各测点的水平和垂直变形规律呈现良好的一致性,且与气温变化无关,而在4#机基坑开挖前各测点的变形受河水位变化的影响较大,呈现一定的相关性。选择下0+060剖面附近的JD12测点的观测成果(图8)与数值分析所得围堰顶部A 点各工况阶段的变形计算结果(图9)进行对比分析。

图8　JD12观测点位移过程线

Fig 18　Curve of the displacement of the

monitoring point JD12

图9　围堰顶部A 点位移过程线(m)

Fig 19　Curve of the displacement of point A on

the top of the cofferd am (m)

由图8可见,由于洪水期水位上升和基坑开挖,JD12观测点的水平位移朝向基坑,最大值为10mm 左

右。随着水位降低,水平位移有所回弹,朝河床方向变化。由于基坑的进一步深挖,朝向基坑的水平位移又有所增大,并在2003年1月下旬后趋于稳定,其后由于预应力锚索施工,水平位移又有所变化。JD12观测点的沉降值随着时间的推移逐渐加大,并于2003年1月下旬逐渐趋于稳定,最大值为5mm 左右,其后由于预应力锚索的外部荷载作用,沉降位移有所回弹。

由图9可见,A 点的水平位移计算值最大为3mm 左右,JD12的水平位移观测值最大为10mm ,两者较为接近。A 点的垂直位移最大值量较小,约为1mm 左右,而JD12测点的实测最大值为5mm ,两者相差不大。总之,根据地质提供的参数进行分析计算,计算结果能够较好地反映出围堰及其基础岩体的实际变形规律。215　纵向围堰及4#机高边坡变形机制

通过观测资料和数值计算结果的对比分析,可以对纵向围堰和4#机右侧高边坡的变形机制得到如下认识:(1)外界气温变化对围堰和边坡变形影响不大;(2)河水位升降变化对围堰本身的水平和垂直变形影

地质缺陷,以及地下水的复杂运移状态对围堰和边坡变形有较大的影响;(4)4#机基坑开挖形成较大的临空面并揭露了缓倾基坑内的断层F

711

,为F711上盘岩体和围堰向基坑方向变形创造了条件,同时边坡加固措施有所滞后,这些是围堰和边坡变形最主要的影响因素。

3　边坡稳定性分析

311　边坡稳定极限平衡分析

(1)边坡稳定分析的Sarma法

Sarma法对滑坡体进行斜分条以模拟断层节理等不连续面,并假定沿条块侧面也达到了极限平衡。这样,通过静力平衡条件即可唯一地确定边坡的安全系数或加载系数。该方法通过差分法求解静力平衡方程,其求解公式繁琐。Donald和陈祖煜(1997)[3]将静力平衡方程化为微分方程,并通过求解该微分方程的闭合解得到安全系数,该求解过程更为简捷严密。同时,开发了一个功能比较齐全的,具备应用最优化方法自动寻找最小安全系数和临界滑裂面、临界斜分条模式能力的稳定分析程序E M U22D。本次计算采用该程序进行。

(2)计算工况及参数

计算选取具代表性的下0+060剖面进行。根据实际地质条件判定4#机右侧高边坡可能的失稳模式

为:1)F

711上盘岩体沿后缘(围堰趾部)的拉裂缝和底部F711滑动;2)围堰及其基础岩体整体沿F711发生深层整体滑动。计算主要针对这两种工况进行,同时考虑围堰外水位为设计洪水位11110m,坡内水位按50%水头折减。

(3)计算结果及分析

各工况计算结果见表3。

表3　纵向围堰及4#机右侧高边坡典型剖面计算结果T able3　C alculation result of typical section

of longitudinal cofferd am and the right high

slope of the unit N o14

工　　况安全系数沿拉裂缝和F710断层组合滑动01566

围堰和F710断层上盘岩体联滑动01936

　　计算结果表明,在外水压力作用下,边坡沿后缘围

堰趾部的拉裂缝和深部的F

711滑动时,其稳定安全系

数为01566,围堰及基础整体沿F

711滑动的稳定安全系数为01936。可见,这两种滑动模式尤其是第1种工况围堰和边坡的整体稳定程度不高,基坑开挖后边坡已经处于临界平衡状态,完全靠侧向岩体的阻滑作用来维持边坡的暂时稳定,围堰混凝土及边坡岩体内出现的众多裂缝也说明了这一点。

312　边坡稳定应力应变分析

4#机基坑开挖至设计高程后,围堰顶部和趾部出现拉应力区,但范围不大,拉应力量值也相对较小,但在边坡岩体内的断层F

711

附近则出现大范围的拉应力

区,且量值较大。4#机基坑开挖揭露了F

711

并形成临

空面,为F

711上盘岩体向基坑方向发生较大变形提供

了空间,最大水平位移出现在开挖边坡中部F

711的出露部位,量值可达6mm。表明基坑开挖后岩体内的应力应变状态对围堰和边坡的整体稳定性十分不利。4　边坡加固措施研究

前述分析可知,4#机基坑开挖后形成的高边坡稳定性较差,施工期的安全难以保证,必须采取有效的加固措施。

经综合分析提出边坡加固方案如下:在不同高程布置5排240t的预应力锚索,锚索间距为3m,锚索长

度以穿过F

711断层3m为准,锚固角为下伏15°。

采用极限平衡法和有限差分数值计算方法分别对该锚索加固方案的加固效果进行分析。加固后两种工况条件下的边坡抗滑稳定安全系数见表4。锚索加固后边坡岩体内的应力应变状态见图10。

表4　采用锚索加固后的计算结果

T able4　C alculation result after anchor reinforcement

工　　况安全系数沿拉裂缝和F711断层组合滑动11616

围堰和F711断层上盘岩体联滑动11343

　　由计算结果可见,采用预应力锚索加固边坡后,边坡的抗滑稳定安全系数有较大的提高,可以保证边坡施工期的稳定安全。应力应变分析结果也表明,采用锚索加固边坡可以有效地约束边坡岩体向临空面方向的位移变形,围堰混凝土内的拉应力区消失,边坡岩体内的拉应力区范围明显缩小,拉应力量值也明显减小,表明采用预应力锚索加固边坡可有效改善岩体内的应力状态,对提高边坡的整体稳定是十分有利的。

预应力锚索加固前在边坡上部布置5个测斜管,

以观测边坡的变形情况。测斜管深度以穿过F

711、孔图10　最小主应力等值域图(MP a)和水平

向位移等值域图(m)

Fig110　Isoline m ap of the minim al prim ary stress

(a)and the horizontal displacement(b)底深入到稳定基岩内为准。测斜监测成果表明采用预应力锚索加固后边坡处于稳定状态[4]。

5　结论

(1)4#机基坑开挖形成大范围的临空面并揭露缓倾坡内的F

711是影响边坡及围堰整体稳定的主要因

素,边坡以沿F

711发生深层滑动为主要的失稳模式。

(2)基坑开挖后,边坡处于临界平衡状态,岩体侧向阻滑作用对维持边坡的暂时稳定起到重要作用。

(3)采用以预应力锚索为主的加固措施可有效地提高围堰和边坡的整体抗滑稳定性,对保持施工期围堰和边坡的稳定发挥了重要作用。

参考文献:

[1]　广西电力工业勘察设计研究院.恶滩水电站扩建工

程一期导流碾压混凝土围堰施工地质报告[R].

2002.

[2]　广西电力工业勘察设计研究院.恶滩水电站碾压混

凝土围堰变形监测报告[R].2003.

[3]　D onald I,Chen Z Y.S lope stability analysis by the upper

bound approach:fundamentals and methods[J].Canadian

G eotechnical Journal,1997,34:853-862.

[4]　中国水利水电科学研究院.恶滩水电站4#机组高边

坡水平位移观测总结报告[R].2003.

On the deform ation mechanism and the reinforcement

measures of cofferdam and high slope of the unit N o.4

in E’tan hydropow er station

Y ANGJian1,QI N Juan1,LI U Feng2qiu2,H UANGLin2fen2

(1.China Institute o f Water Resources and Hydropower Research,Beijing　100044,China;

2.Guangxi Electric Power Industry Investigation Design and Research Institute,Nanning　530023)

Abstract:A lot of transverse and longitudinal cracks appear in the concrete cofferdam in course of the excava2 tion of the basis of the unit No.4in E’tan hydropower station.In this paper,the authors analyze the stress and strain situation in the cofferdam and high slope during the excavation by the elastic2plastic finite difference method,and discuss the deformation mechanism of the cofferdam and the high slope according to the geological and observational data.The result shows that the main in fluence factors of the deformation are the water level change of river,the excavation,the com plex geological condition,and s o on.At the meanwhile,the authors analysis the stability of the high slope by the upper bound result of plastic mechanics method,and put forward a rein forcement design plan.Observation data shows that the rein forced slope is stable.

K ey w ords:F LAC22D;high slope;deformation mechanism;deformation m onitoring