大岗山水电站右岸边坡安全监测设计

2012-12-19王界雄董瑜斐

水电站设计 2012年4期

王界雄，董瑜斐

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前言

随着我国大规模能源开发及其它大型工程的兴建,高陡边坡稳定性安全监测已经普遍开展,并形成具有当今特色的主要安全监测课题之一。在我国西南、西北地区水能资源开发中遇到的高陡边坡,大多分布在南北向地震构造带及其以西地区。岩体结构复杂,谷坡深部地应力较高,构成了这一地区高陡边坡复杂的岩体力学环境条件。在这样的条件下修建高坝大库,高陡斜坡稳定性安全监测问题不仅将对工程修建的可行性决策起到重要作用,而且对高陡边坡的稳定性研究、设计、施工及运行期的安全等都是必不可少的。

大岗山水电站是大渡河干流近期开发的大型水电工程之一,它位于四川省西部大渡河中游。电站拟采用混凝土双曲拱坝,总装机260万kW。右岸坝顶边坡物质组成及结构特征复杂,且坡体深部有长大裂隙带发育,其稳定性直接影响着大坝的安全。

为了进行电站坝区高边坡安全监测设计,对位于右岸坝肩边坡的稳定性进行了深入细致研究。电站右岸坝顶边坡谷坡高陡,开挖高度150～200 m,而且坡体深部发育有中缓倾坡外的XL316和XL9-15两个长大裂隙密集带,坝顶以下有与之相接的f231底滑面剪出，加之该区域为高地震烈度区,一旦发生地震,将严重威胁坝顶边坡的稳定性,对电站的建设及运行产生重大影响,不但会延误工期,而且将会造成巨大的经济损失和严重的社会影响。因此,边坡的安全监测设计对验证边坡的开挖支护措施,研究坡体深部长大裂隙变化情况和边坡的稳定性,指导工程的进一步优化设计与合理施工,保证边坡工程在施工和运行期的安全,电站的建设和正常运行等具有十分重要的工程实践意义。

2 基本地质资料

2.1 地形地貌

坝址区两岸山体雄厚，谷坡陡峻，基岩裸露，自然坡度一般40°～65°，相对高差一般在600m以上。左岸海流沟、右岸铜槽沟为较大的支沟，海流沟口以上大渡河河谷呈“V”形峡谷，向下游河谷相对宽缓。

2.2 地层岩性

2.3 地质构造

无区域断裂切割，构造型式以沿脉岩发育的挤压破碎带、断层和节理裂隙为特征。

(1)断层。右岸拱肩槽上游边坡除前期勘探揭示的f231、f220等断层外，还新揭示了f218、fj605等断层。

(2)节理裂隙。右岸拱肩槽上游边坡主要发育5组节理裂隙。

2.4 风化卸荷

根据招标阶段的风化卸荷划分标准，并结合边坡开挖后对岩体风化卸荷的详细复核资料，右岸拱肩槽上游边坡主要为弱风化上段—微新岩体，其中弱风化上段主要分布于开口线附近，弱风化下段主要分布于1 120m高程以上，微新分布于1 120m高程以下。

右岸岩体卸荷在垂直空间上，卸荷深度有总体随高程的降低而明显减弱的趋势，且受微地形、岩性及构造等影响具一定程度的不均一性特点。强卸荷主要分布于开口线附近，弱卸荷主要分布于1 120m高程以上。共揭露XL316-1、XL9-15两条中等倾角卸荷裂隙集中发育带。

2.5 水文地质条件

枢纽区地下水类型按赋存条件可分为基岩裂隙水和第四系松散堆积层孔隙潜水二种类型。基岩裂隙水按其埋藏条件可进一步分为基岩裂隙潜水和基岩裂隙承压水。

据调查，右岸边坡地下水以基岩裂隙水为主，地下水位水平深度一般20～100m。右岸边坡多处存在脉状或囊状水。

2.6 岩体地应力特征

可研阶段共作了7组孔径法空间地应力和6孔水压劈裂法平面应力测试。地应力测试资料表明，枢纽区内区域构造应力场作用方向表现为NWW～SEE向挤压。枢纽区应力场是构造应力和自重应力叠加的应力场，而构造应力是枢纽区特别是左岸应力场的主要组成部分。

2.7 岩石(体)物理力学参数

坝区基本岩体质量是取决于多种因素的综合，在充分研究坝区岩体结构类型及完整性、紧密程度、风化卸荷、裂隙发育程度和地下水状况的基础上，结合GB50287-2006《水力发电工程地质勘察规范》，针对大岗山坝区的地质特点，将坝区工程岩体质量分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ四类。其中Ⅲ类岩体进一步划分为Ⅲ1和Ⅲ2两个亚类，Ⅴ类岩体进一步划分为Ⅴ1和Ⅴ2两个亚类。

坝区结构面主要为断层和节理裂隙，其力学特性主要取决于结构面的充填情况及充填物的性状，按其性状和充填物情况划分为刚性结构面和软弱结构面两类。刚性结构面按隙壁接触紧密程度与蚀变特征细分为胶结结构面、蚀变结构面和张开结构面三类；软弱结构面按其成因类型、充填物厚度、物质组成等细分为三类。

f231断层为右岸边坡主要控制底滑面，主要揭露点有PD308平洞、PD314平洞、6号公路隧洞、AGR5灌浆平洞、1 090～1 130m右岸坝基、1 070～1 130m右岸上、下游边坡等，N0°～6°W /NE∠39°～47°，起伏，在1 075m高程与β62交汇一带有一高约2～5m的陡坎，局部倾角达70°，带宽7～30cm，由碎裂岩、角砾岩、碎粉岩组成。现场调查与破碎带物理力学试验成果表明，属B1岩块岩屑型—B2岩屑夹泥型，建议抗剪断强度参数采用f′=0.42，c′=0.07，饱和折减系数取0.87。

3 右岸边坡监测布置原则

右岸坝肩边坡物质组成及结构特征复杂,且坡体深部有长大裂隙带发育,其稳定性直接影响着大坝的安全。结合电站右岸坝肩边坡的稳定情况、地质条件和处理支护措施，遵循以下原则进行设计：

(1)安全监测项目、监测断面和测点布置目的明确、重点突出、宏观监测和局部监测相互兼顾。监测项目统筹安排，在不同时期可反映出不同的重点，并可为施工期和运行期边坡的安全分析评价提供可靠的监测数据依据。

(2)所选择的监测设备经济合理，可靠稳定，并充分考虑施工和观测方便。在后期能较为方便地纳入工程安全监测系统中，并实现自动化监测。

4 右岸边坡监测布置体系

右岸坝肩边坡安全监测的内容和项目主要包括表面变形、岩体内部的变形、支护应力等，以期较为全面地掌握边坡的稳定情况。

4.1 右岸边坡表面变形监测设计

右岸边坡表面监测设立36个外部观测墩。开挖边坡上部的自然边坡设3个测点，缆机平台基础及其以上开挖边坡设10个测点，缆机平台以下～1 040.00m高程以下开挖边坡设23个测点，组成4个纵向观测断面。表面测点全面控制了f231在地表出露边界两侧的变形，利用外部变形监测水平位移及垂直位移基准网，采用大地测量方法，同时监测水平位移和垂直位移。

4.2 右岸边坡浅表监测

边坡浅部主要指开挖及其影响区域范围。

根据大岗山边坡的地质特点，监测仪器按开挖高程分三个区域布设：

(1)缆机平台基础及以上边坡布设2套多点位移计、15台锚索测力计、21套锚杆应力计、12个测斜孔和1个地下水监测点。其中部分仪器穿过XL9-15。

(2)缆机平台以下至坝顶高程边坡布设8套多点位移计、13套锚杆应力计、4套锚索计和4个测斜孔。其中部分测斜孔和多点位移计测点安装深度穿过断层f231、f166，卸荷裂隙XL9-15、β85岩脉及β219岩脉，主要测点穿过主要断层上、下盘，能有效监测断层之间块体变形情况。

(3)右岸坝顶以下高程共布设7套多点位移计、7套锚杆应力计、7套锚索计和3个测斜孔。其中部分测斜孔和多点位移计测点安装深度穿过断层f231、β85岩脉及β62岩脉，主要测点穿过主要断层或岩脉上、下盘，能有效监测断层之间的块体变形。

4.3 右岸边坡深部变形监测

深部变形监测主要是了解深部卸荷密集带在开挖过程和蓄水初期运行中的变形情况，进一步检验边坡整体稳定性和安全裕度。

根据工程地质情况及安全监测需要，利用右岸边坡现有的地质勘探平洞，对其深部变形情况进行监测。监测仪器有石墨收敛计、裂缝计和浆砌条带，具体布置见表1。

表1 右岸开挖边坡地勘平洞监测仪器布设统计

右岸坝肩边坡用于深部监测的勘探平洞及灌浆平洞共有11个。在PD321(EL1301.80)、PD322(EL1267.05)、PD323(EL1220.34)平洞与XL09-15卸荷裂隙带相交处各布设2支测缝计，监测其高程方向上下错动和水平变形情况。在PD321-1(EL1 305.10)、PD316(EL1 300.46)、PD322-1(EL1 269.57)、PD322(EL1267.05)平洞与XL316-1相交处各布设2支测缝计监测其高程方向上下错动和水平变形情况。在PD323-2(EL1 220.34)、PD323(EL1 220.34)平洞与f208断层相交处各布置2支测缝计监测其高程方向上下错动和水平变形情况。在PD308(EL1 137.55)、PD314(EL1 107.00)平洞右岸AGR5(EL1 135.00)灌浆洞与f231断层相交处各布置2支测缝计监测其高程方向上下错动和水平变形情况。

分别在PD316(EL1 300.46)、PD09(EL1 225.00)、PD09(EL1107.00)平洞内设置石墨杆式收敛计；在PD321、PD316、PD322、PD308、PD314平洞内设置砂浆条带。

4.4 右岸边坡加固处理措施监测

右岸深部卸荷密集带加固措施包括：边坡锚索、防排水措施、6层抗剪洞、2层锚固洞及3层斜井等。

根据右岸卸荷密集带处理的结构布置特点及其施工措施，布置锚索测力计对边坡锚索锚固力进行监测；在各高程锚固洞、抗剪洞及斜井内各选择1～2个典型监测断面，分别在每个监测断面的围岩及一期混凝土衬砌内部布置2套三点式多点位移计和相应锚杆应力计、钢筋计，监测相应围岩(XL316-1、f231等)的稳定及其受力情况。同时在其置换后的大体积二期混凝土内的最大应力部位布设压应力计和五向应变计组，并在附近位置同时埋设无应力计。另外，适当布置错位计，了解加固处理后卸荷带相对变形情况。在1 120m高程的抗剪洞监测断面上布置渗压计，了解地下水渗透压力变化情况。在部分锚固洞的端头布置单向测缝计，抗剪洞与周围围岩间布置错位计，了解回填混凝土与端墙之间的缝隙开合相对变形情况。