喀麦隆曼维莱水电站厂房后边坡稳定性分析

2017-11-13王进城徐建闽张学东

水利水电工程设计 2017年3期

王进城徐建闽胡宁张学东

喀麦隆曼维莱水电站厂房后边坡稳定性分析

王进城徐建闽胡宁张学东

曼维莱水电站厂房压力管道由上镇墩段、斜管段、下镇墩段组成，采用明铺回填方案。基坑开挖后，在上下镇墩之间形成高达52.5 m的高边坡。边坡岩体以片麻岩为主，岩质坚硬，工程性质良好；边坡未发现有断层发育，岩体裂隙中等发育—不发育，以Ⅳ、Ⅴ结构面为主，边坡岩体稳定性主要取决于结构面发育特征及其与开挖坡面的组合关系。

开挖边坡结构面不利组合稳定性挂网喷锚变形监测

曼维莱(MEMVE’ELE)水电站工程，位于喀麦隆南部地区NYABESSAN镇附近的恩特姆河主干流上，电站总装机容量201 MW，引用流量450 m3/s，设计水头52.3 m，主体建筑物主要由拦河坝、溢洪道及引水发电系统等构成。

曼维莱水电站引水发电系统包括渠道进水口、输水明渠、天然前池、电站进水口及压力管道、发电厂房等建筑物。电站压力管道总体上沿斜坡布设，由上镇墩段、斜管段、下镇墩段组成，采用明铺回填方案，管道沿线地面高程383～393 m。管道上镇墩水平段布设底高程为375 m，下镇墩水平段布设底高程为322.5 m，在362 m高程设置一级马道，基坑开挖后，斜管段形成高达52.5 m的高边坡，最大单级坡高约40m，其稳定性直接影响电站运行安全。

1 基本地质条件

曼维莱水电站工程厂房位于恩特姆峡谷左岸，采用地面式，场地由原来的河谷岸坡开挖而成。

边坡岩体以片麻岩为主，浅表层强风化-弱风化岩体厚2～5 m，其下呈微新状。片麻岩，浅灰-青灰色，呈变晶中细晶或中粗晶结构、块状构造，片麻理发育，矿物成分以长石、石英以及角闪石、辉石、云母为主。试验成果表明，微新状片麻岩天然密度2.671～2.792 g/cm3，岩块单轴饱和抗压强度68.2～94.8 MPa、单轴干抗压强度78.6～111.1 MPa、软化系数0.75～0.92、变形模量35.0～48.0 GPa、弹性模量42.3～54.0 GPa、泊松比0.23～0.27；岩块饱和抗剪试验，C′=1.67～1.95 MPa、f′=2.33～2.59；属坚硬岩，工程性质良好。

据厂房区ZKC4、ZKC5和ZKC8孔资料，基岩表层即为弱风化岩体，厚度小于2～5 m，其下为微风化-新鲜岩体；由于恩特姆断裂距厂房基坑的直线距离不小于120 m，受其影响，边坡岩体节理裂隙发育。厂房区3个钻孔均揭露有3～4条节理密集带，但未发现断层破碎带，节理密集带铅直厚度1～5 m不等，其间岩芯破碎，RQD指标多在25%以下。

地面物探(包括地震折射、高密度电测深方法)及声波测井成果表明，在ZKC4、ZKC8和ZKC5钻孔之间未见有明显的构造异常，3个钻孔声波速度多在5 000～6 000 m/s之间，即便是弱风化带或节理密集带，声波速度也可达3 370～3 960 m/s，表明天然岩体处于挤密状态，完整性较好。

根据基坑开挖揭示，岩体片麻理产状：走向NE20°～35°倾NW∠70°。电站厂房后边坡与压力管道部位未发育有断层，岩体裂隙中等发育-不发育，以Ⅴ级结构面为主，延伸长度多在10 m左右；少量为Ⅳ级结构面，延伸长度可达10～30 m。陡倾节理主要发育两组(见图1)，以走向NE30°～50°倾NW∠50°～70°一组较为发育，其走向与片麻理近平行或小角度相交；另有一组NW290°～310°倾NE或SW∠50°～70°少量发育。中缓倾角节理同样发育两组，一组NE70°～80°倾NW∠30°～35°，另一组则为NW300°～320°倾SW∠20°～40°。总体而言，缓倾角节理发育频度与规模均低于陡倾节理。

图1 厂房后边坡节理裂隙玫瑰花图及极点图

电站厂房后边坡岩体节理间距一般0.3～0.5 m，浅部岩体节理微张、下部多闭合无充填，节理面平直、光滑，总体属硬性结构面，两侧岩体较完整。局部可见延伸较长的宽张夹泥裂隙(Ⅳ级结构面)，节理面稍粗糙，全风化状含泥碎屑宽度1～3 cm，沿宽张裂隙两侧多有节理密集带发育，其宽度一般0.4～0.8 m，带内岩体破碎、节理密集发育，总体强度较弱。经开挖实测，厂房后边坡岩体发育有两条Ⅳ级结构面，其性状特征参见表1，位置示意见图2。

表1 厂房后边坡Ⅳ级结构面性状特征

厂房后边坡坡面大部分干燥，局部潮湿，有少量渗水点，地下水涌水量总体不大。地下水出露点主要集中在全风化与强风化片麻岩交界处，以及局部裂隙发育部位。

按照边坡岩体质量分类系统(CMSR)划分，压力管道边坡岩体质量类别以Ⅲ类为主，节理发育稀疏部位为Ⅱ类岩体，节理密集带则为Ⅳ类。

2 厂房后边坡稳定性分析

综合前述厂房后边坡基本地质条件，在边坡岩体岩性较为单一、不发育贯穿性强的软弱夹层、地下水活动微弱的条件下，边坡稳定性主要受控于岩体结构面的发育程度、性状特征以及与开挖坡面的空间组合方式等。

前已述及，厂房后边坡岩体断层不发育，裂隙中等发育-不发育，以Ⅴ级结构面为主，延伸长度多在10 m左右；发育有两条规模较大的宽张夹泥裂隙，属Ⅳ级结构面，二者近平行展布，其走向NE73°～74°倾NW∠60°左右，延伸长度可达20～30 m，因此，边坡岩体未见由Ⅳ级以上定位结构面组合而成的变形滑移模式，压力管道边坡稳定性主要受控于Ⅳ、Ⅴ级结构面发育程度、性状特征以及与开挖坡面的空间组合方式等。

现根据厂房后边坡岩体节理裂隙发育规律，结合开挖边坡坡面产状(走向NW345°倾SW∠63°)，对由Ⅳ、Ⅴ级结构面随机组合而成的小规模失稳块体，依据赤平投影分析如下(见图3)。

(1)PS13和PS12两条宽张夹泥裂隙，延伸长度较大且工程性状不良，其两侧尚有宽度0.4～0.8m的节理密集带发育，是边坡岩体发育规模相对较大的结构面。但是，二者均呈近EW向(走向NE73°～74°)展布，与开挖坡面(走向NW345°倾SW∠63°)近直交，且为陡倾结构面，主要表现为侧裂面，对边坡稳定不起控制作用。

图2 Ⅳ级结构面位置示意图

边坡产状：走向NW345°倾SW∠63°

片麻理产状：走向NE20°～35°倾NW∠70°

陡倾节理产状：①走向NE30°～50°倾 NW∠50°～70° ②NW290°～310°倾NE或SW∠50°～70°

缓倾角节理产状：①NE70°～80°倾NW∠30°～35° ②NW300°～320°倾SW∠20°～40°

PS13 产状： NE73° NW 58°～62°

图3压力管道边坡结构面赤平投影图

(2)分析边坡岩体Ⅴ级随机结构面发育特点，NE70°～80°缓倾节理与坡面近直交，不会构成滑移块体的底滑面；NW300°～320°中缓倾节理与开挖坡面小角度相交且倾向坡外，是潜在的小规模失稳块体的底滑面；此外，两组缓倾节理的交线与开挖坡面大角度相交且倾向坡外，可能形成组合式潜在底滑面。两组陡倾节理与开挖坡面交角均在40°左右，倾向坡外，在边坡浅表层可能构成斜向后缘拉裂面。

(3)综合以上分析，厂房后边坡的结构面不利组合有两种情况：一是NW300°～320°中缓倾节理与两组陡倾节理的不利组合，二是两组中缓倾节理面共同与陡倾节理构成不利组合。以上两种Ⅳ、Ⅴ级硬性结构面的“陡-缓”组合，虽不致影响边坡的整体稳定性，但均可能在边坡浅表层的局部地段构成小规模的不稳定楔形块体，这也是边坡治理的重点部位。

(4)边坡岩体虽有片麻理发育，但岩石后期重结晶作用明显，矿物虽有定向排列，但并未形成宏观的软弱结构面，相比节理裂隙，片麻理对边坡稳定的影响可以忽略不计。