锦屏一级水电站右岸高位危岩体成因机制与防治对策研究

李小波, 杨静熙

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都 610072)

1 引 言

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内,坝型为混凝土双曲拱坝,坝高 305 m,为世界之最,坝顶高程 1 885 m,水库总库容 77.6亿 m3,装机容量 3 600 MW,年发电量约 170亿 kW◦ h。

坝区两岸山体雄厚,谷坡陡峻,基岩裸露,相对高差千余米,为典型的深切“V”型谷。在长期风化、卸荷的影响之下,高位边坡(坝区主体水工建筑物边坡“开口线”以上部分的自然坡体,高程1 950～2 400 m)浅表层的危岩体受自然因素(如降雨、渐进性风化、地震等)导致局部的“危岩体”失稳,形成高位崩塌,将给施工安全带来严重威胁,运行期还可能给枢纽区建(构)筑物带来重大破坏,甚至灾难性后果。因此,对锦屏一级水电站坝区的高位边坡进行“危岩体”调查、详细的险情排查、成因机制分析并提出边坡安全防护和处理对策及措施具有非常重要的现实意义。

2 成因机制分析

锦屏一级水电站右岸岩性单一,危岩主要分布在缓坡上部的陡壁段,高程集中在 2 100～2 300 m,体积为 100～2 000 m3。

2.1 地形地貌

坝址两岸岸坡高陡,相对高差达 1 000余 m,为典型的深切“V”型谷。右岸为顺向坡,地貌上呈陡、缓相间的台阶状。天然状态下地应力较高,谷坡形成后在长期应力释放及重力卸荷等综合因素作用下,谷坡岩体向临空方向卸荷回弹变形明显,卸荷裂隙较发育。另外,雨水等对大理岩有溶蚀作用,溶蚀裂隙较发育。多组结构面的存在为强度较高的大理岩进入时效变形破坏创造了条件,受风化、渗水及人类工程活动等因素作用,陡倾裂隙带进一步拉裂扩张形成危岩体。

2.2 地层岩性因素

右岸调查区1 950～2 450 m高程的岩层主要由厚层状大理岩、杂色角砾状大理岩夹绿片岩透镜体组成。大理岩结构致密、岩质坚硬。绿片岩片理发育,呈性软、较疏松、易风化等特征。

右岸表部因表生改造作用相对强烈,层面裂隙的发育程度较高,边坡“顺倾层状结构”特征得到强化。大部分危岩体均发育在两层面之间,层面裂隙是危岩体发育的控制性因素。

岩体风化程度受岩性影响明显,大理岩自身抗风化能力较强,风化作用主要沿裂隙和构造破碎带发生,具典型的裂隙式和夹层式风化特征,而绿片岩自身抗风化能力较差,因此,地层岩性是形成右岸高位危岩体的重要因素之一。

2.3 地质构造作用

坝区内无区域性大断层通过,但中陡倾角小断层和层间挤压带比较发育,右岸与工程关系密切的有 f13、f14两条规模相对较大的断层。

坝址区节理裂隙按成因可归为原生和构造两类。原生结构面主要为薄 ～中厚层大理岩中的层面以及绿片岩中的片理面。构造型节理裂隙以陡倾角为主,其发育程度与岩性、层厚和构造部位密切相关。大理岩中节理裂隙较发育,相互切割,在相生改造等自然营力作用下,对右岸高位危岩体的形成创造了有利的条件。

2.4 风化卸荷作用

坝区边坡因受岩性、构造和地下水等因素的影响,风化卸荷带分布规律不明显。仅就表层而言,风化带的厚度及其变化特征总体来说,坝区边坡岩体风化程度及分带性具有以下特征:(1)断层带附近因岩体破碎、地下水活动强烈而风化较严重且分布范围较广;(2)边坡岩体风化程度明显受边坡卸荷程度和深度的影响,强卸荷带或卸荷范围大的部位因地下水活动较强烈,岩体风化较严重,分布范围较广;(3)边坡岩体风化受地形影响,地表相对平坦部位地下水能直接下渗,风化物不易剥蚀,岩体风化厚度较大。受上述因素影响,边坡内各类风化带的厚度及分布除具上述基本特征外,边坡岩体不存在一般的由表及里的分带性,而是弱风化、微风化和新鲜岩带交替反复出现,这是该坝区边坡岩体风化的显著特征。

平硐地质调查结果表明:卸荷作用主要表现为结构面拉张松弛,使坡体内走向与岸坡方向基本一致的节理裂隙多松弛张开,卸荷裂隙优势产状为 N0°～30°E,SE∠60°～ 80°及 N50°～70°E,SE∠50°～70°;其次表现为卸荷差异回弹,使岩体内缓倾软弱结构面之间的陡倾裂隙拉张。同时,由于岩性、坡体结构不同,卸荷作用表现形式、卸荷岩体深度等也有较大差异。从卸荷裂隙发育状况看,在大理岩中多表现为空缝状,张开宽度为 1～20 cm,少量充填岩块、岩屑及次生泥,卸荷裂隙之间的岩块相对完整,使得卸荷带岩体在宏观上呈结构极不均一的块裂状。在深切河谷、高陡边坡条件下,风化卸荷作用较强烈,为右岸高位危岩体形成的又一重要因素。

2.5 工程环境因素

水电工程建设对危岩的形成和稳定的影响主要表现在开挖造成的卸荷回弹、爆破振动及运行期的雾化作用。右岸高位边坡危岩体距工程开挖部位较远,开挖临空不会影响危岩体;工程爆破时产生的振动波对危岩体的稳定可能有一定影响,但现场调查表明,这种影响很小,尚未发现高位边坡危岩体因爆破而失稳;运行期的泄洪雾化作用对右岸高位危岩体的影响较大。

3 防治对策

在建立危岩体档案的基础上,对危岩体稳定性进行了分析,将危岩体按规模、稳定性、危害程度分为三类:Ⅰ类危岩体规模大(V＞100 m3),稳定性差,危害性大;Ⅱ类危岩体有一定规模(50＜V＜100 m3),稳定性较差,危害性较大;Ⅲ类危岩体规模较小(V＜50 m3),稳定性一般,危害性小。按此分类,共有Ⅰ类危岩 10块(片)、Ⅱ类危岩 11块(片 )、Ⅲ类危岩 13块(片 )。

右岸高位危岩体发育部位地形陡峭,依据上述成因分析,危岩体的主要破坏模式为整体滑塌破坏和小块体错落破坏。Ⅰ类危岩体需采用整体加固或清除等工程措施;Ⅱ类危岩体需采用局部加固或部分清除并辅以被动拦挡等工程措施;Ⅲ类危岩体可采用被动拦挡或不采用工程措施。

危岩体的主要破坏方式为表面破碎岩块逐层崩落,崩落的岩块比较小。因此,在对重点危岩体进行有针对性的处理的基础上设置被动防护措施进行防治是必要的、合理的。同时,陡崖下的“大缓坡”为危岩体的被动防护提供了平台。

陡崖从顶部到底部的高差最大为 200 m左右,因崩落的岩块较小,其质量一般在 400 kg以下,可以认为岩块崩落后以自由落体的方式落入陡崖底部,因此,被动防护措施所需承受的冲击能量最大为 800 kJ。事实上,崩落的岩体不可能以自由落体的方式落入陡崖底部,而是以跳跃的方式落入陡崖底部,因此,最大的冲击能量应小于800 k J,故取最大冲击能量为 800 kJ是有一定安全储备的。

被动防护可采用的方式主要有两种:一种是柔性被动防护网,另一种是采用修建挡渣墙拦挡崩落的危岩体落入枢纽区的措施。

柔性被动防护网的主体部分平行于陡崖布置,距陡崖底部的距离为 30 m,柔性防护网高 8 m。在高程每相差 50 m处再布置垂直于主体部分的柔性防护网,其位置从主体防护网延伸至陡崖底部,该做法的目的是防止危岩体失稳坠落被拦阻后沿柔性防护网继续运动破坏防护网或落入下部公路。对于被拦阻的岩块应及时清除,防护网需定期检修。

4 结论及建议

笔者在现场地质调查的基础上,分析了锦屏一级水电站右岸高位危岩体的成因机制,将危岩体分为三类,并提出了相应的防治对策,建议对Ⅰ类危岩体的防治方案进行具体的分析研究;部分Ⅱ类危岩体危险性较大,规模较大,亦应进行具体的分析研究;而对于部分危险性稍小的Ⅱ类危岩体和Ⅲ类危岩体,则应采用整体被动防护网进行整体防护。

[1] 王士天,黄润秋,李渝生,等.雅砻江锦屏水电站重大工程地质问题研究[M].成都:成都科技大学出版社,1998.

[2] 张倬元,王士天,王兰生.工程地质分析原理[M].北京:地质出版社,1994.