大岗山水电站卸荷裂隙密集带对高陡边坡稳定性的影响与分析

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(中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

1 研究背景

目前我国水电工程天然高边坡最大高度已超过1 000 m(如雅砻江锦屏水电站高边坡)，人工高边坡最大已经达到700 m(如小湾水电站高边坡)，而且西南地区的高边坡具有地应力高、地质结构特殊等有别于一般工程边坡的特点[1-2]。

为保证高边坡施工期以及长期运行的安全需要，在结合工程实际的基础上，建立适应于西南高边坡特殊地质特点的边坡监测布置已迫在眉睫。随着监测技术的不断发展和实践[3]，结合新技术的监测方式逐步发展起来，如GPS在小湾水电站边坡的应用[4]、微震监测在深部矿山中的应用[5]等。

本文结合大岗山水电站右岸边坡工程，针对西南水电站高边坡的特点，建立边坡表面、浅部、深部和微震监测相结合的新型边坡监测布置方案。结合地质条件和边坡失稳模式，分析边坡卸荷裂隙密集带的施工开挖响应关系，总结其变形特征，并分析其对边坡安全稳定的影响。最后，结合数值模拟方法“RFPA”成果[6]进一步验证右岸边坡卸荷裂隙密集带对高陡边坡稳定性的影响。通过上述的分析和探讨，可为其他边坡工程监测布置设计和稳定性评价提供借鉴。

2 工程概述

大岗山水电站位于四川省大渡河中游石棉县境内，是大渡河干流近期开发的大型水电工程之一。电站正常蓄水位1 130 m，死水位1 120 m，正常蓄水位以下库容约7.42 亿 m3，电站总装机容量2 600 MW(4×650 MW)。

坝址区两岸山体雄厚，谷坡陡峻，基岩裸露，地应力较高，岩体卸荷及风化强烈，自然坡度一般40°～65°，相对高差一般在600m以上。右岸边坡基岩岩性为灰白色、微红色中粒黑云二长花岗岩(γ24-1)，局部出露辉绿岩脉(β)、花岗细晶岩脉(γL)等。右岸发育78条辉绿岩脉，8条花岗细晶岩脉；主要发育有β4，β97(f93)，β146，β168(f154)，β202(f191)，β203(f194)等岩脉破碎带，岩脉破碎带呈块裂—碎裂结构。

右岸边坡从坡面到坡里卸荷深度大，且在高高程坡体以里90 ～110 m处发育有2条卸荷裂隙密集带XL316-1，XL09-15，中低高程发育2条中倾坡外的断层f231，f208，构成控制边坡稳定的底滑面；同时坡体里发育有一系列反倾岩脉，加之中倾角裂隙发育，与底滑面共同构成边坡潜在不稳定块体。其中，f231断层向上与卸荷裂隙密集带XL316-1相接，向下在边坡1 092 m高程附近出露。

右岸边坡天然情况下整体稳定，由于施工开挖，将表层岩体挖出，形成了沿上、下游100～200 m范围内，高度约200～300 m，方量约200～500 万 m3的整体可能失稳块体及从几万到几十万m3的一系列的局部可能失稳块体。开挖过程中在块体底部剪出口附近受开挖卸荷、应力条件等因素控制，出现了沿边界结构面的多次变形错动，最终边坡形成了边坡锚索+防排水措施+深部抗剪洞(6层抗剪洞、2层锚固洞及3层斜井)的综合支护措施。

整个边坡施工开挖历时3年4个月。2007年7月20日开始进行边坡开挖，2008年12月10日，坝顶1 135 m高程以上边坡开挖完成；拱肩槽上游侧坡7月23日开挖至1 070 m高程；2009年8月初，因边坡局部变形暂停施工；2010年6月，低高程3层抗剪洞开挖和一期混凝土回填完成后恢复开挖，至2011年6月开挖至917 m大坝建基面高程；2011年11月完成6层抗剪洞的开挖和回填混凝土施工。

3 边坡监测布置

随着边坡地质条件的逐步揭示，尤其是对边坡卸荷裂隙密集带认识的不断深化，最终形成包括边坡表面、浅部、深部、微震监测技术相结合的边坡安全监测方案，监测布置平面图如图1所示，监测方案见表1。

图1 右岸边坡基本地质条件及监测布置

3.1 边坡浅表部变形监测

(1)表面变形监测：边坡表面监测设立36个外部观测墩，同时测量水平位移和垂直位移，基本覆盖整个边坡并控制主要结构面f231在地表出露边界两侧的变形。开挖边坡以外布设4个测点，1 255m高程以上边坡布设11个测点，1 135～1 255 m高程边坡设14个测点，1 135 m高程以下拱肩槽边坡设7个测点。

(2)边坡浅部监测：边坡浅部监测包括开挖及其影响区域，边坡坡面以里80 m的范围。其中，缆机平台基础及以上边坡布设2套四点式多点位移计，15台锚索测力计、21套锚杆应力计，12个测斜孔；缆机平台以下至坝顶边坡布设8套四点式多点位移计、13套锚杆应力计、4套锚索测力计和4个测斜孔；坝顶以下边坡布设7套四点式多点位移计、7套锚杆应力计、7套锚索计和3个测斜孔。

3.2 深部变形监测

(1)勘探平洞的利用：在地质演化过程中，西南高边坡具有一些明显的特征[1-2]，这势必在边坡岩体内会产生一些深度较深的主要软弱结构面[7]。现场充分利用右岸边坡现有的地质勘探平洞，布置测缝计和石墨杆收敛计监测卸荷裂隙密集带的错动变形。边坡1 107 m高程卸荷裂隙密集带监测布置见图2。

图2 右岸边坡1 107 m高程沿不同深度变形监测布置

(2)加固抗剪置换洞监测：6层抗剪洞(高程1 060，1 120，1 150，1 180，1 210，1 240 m)共布置18个监测断面，三点式位移计29套、锚杆应力计55支、位错计36套、钢筋计40支、渗压计2支，以监测抗剪洞工作性态。具体的监测布置见表1所示。

表1 右岸边坡监测布置方案

3.3 边坡微震监测

大岗山右岸边坡微震监测布置由主机控制中心、监测数据采集中心和接收传感器阵列3大部分组成。系统开通28个通道，28个传感器阵列监测的边坡覆盖范围达600 m×400 m×600 m(分别为沿河流方向以坝肩为中心上、下游各300 m范围，高程800～1 400 m之间600 m范围以及由边坡表面向深部岩体400 m范围)，可进行全天候实时监测，对震源的定位误差不大于10 m。具体的监测布置见表1所示。

4 卸荷裂隙密集带对边坡影响分析

4.1 卸荷裂隙密集带变形特征概述

PD314勘探平洞内监测断层f231的测缝计开合度为9.5～11.9 mm，其他测值均小于1 mm，其错动变形明显(图3)；布置在PD316(1 300.46 m高程)、PD09(1 225.00 m高程)、PD314(1 107.00 m高程)内的石墨杆收敛计孔口位移分别为6.1，27.6，23.1 mm(图3)。三者变形值沿边坡高程方向上分布呈现“中间大、两头小”的特征，这与各探洞内卸荷裂隙密集带对施工开挖的不同响应关系有关。

图3 石墨杆收敛计孔口位移及测缝计开合度过程线

4.2 施工开挖响应分析

岩体的变形行为与连续介质存在较大差异，结构面变形与施工开挖响应关系对边坡稳定影响分析有重要意义[8]。下面就卸荷裂隙密集带的错动变形对施工开挖的响应进行分析。

4.2.1 XL316-1

XL316-1穿过石墨杆收敛计SL-PD316深度100.1～120.3 m的范围，其错动变形为2.6 mm，占总变形值的42.6 %，变形主要发生在边坡开挖完成几个月内；XL316-1穿过石墨杆收敛计SL-PD09深度62.0～83.0 m的范围，其错动变形为14.4 mm，占总变形值的52.2 %，变形主要发生在边坡1 055～985 m高程开挖期间，在开挖完成后的半年内，随着支护的完成，变形逐步收敛。该部位卸荷裂隙密集带XL316-1错动变形较PD316大的主要原因是由于监测仪器离开挖影响范围较近。石墨杆收敛计SL-PD314各测点过程线如图4所示。

图4 石墨杆收敛计SL-PD314各测点位移过程线

f231穿过石墨杆收敛计SL-PD314深度33.3～53.1 m范围，其错动变形15.3 mm，占总变形值的66.2 %，变形主要发生在边坡1 070～1 010 m高程开挖期间，后期支护完成后，变形收敛。

4.2.2 XL09-15

XL09-15穿过石墨杆收敛计SL-PD09深度12.0～30.0 m的范围，其错动变形为3.3 mm，占总变形值的27.6 %。根据与施工响应关系的分析，XL09-15变形与施工开挖响应的关系不明显，且测值较小。

综上所述，XL316-1(f231)地质结构面受边坡卸荷开挖影响明显，在边坡开挖期间，错动变形最大为14.4 mm，随着施工开挖高程的逐步下卧，变形逐步收敛，在边坡开挖结束后，大概经历2～4个月，变形收敛。主要卸荷裂隙密集带监测变形特征表见表2。

表2 主要卸荷裂隙密集带监测变形特征

4.3 坡表裂缝成因分析

在边坡开挖过程中，共出现3次坡表裂缝，基本特征见表3。2009年5月3日，在已挂网喷混凝土封闭范围上出现裂缝，裂缝呈断续延伸，展布和裂缝所在部位地质剖面见图5。结合地质条件分析，裂缝形成的主要原因为f231断层与βj601辉绿岩脉组合形成块体，破坏形式以βj601辉绿岩脉为后缘切割面，f231断层为底滑面的平面滑动破坏。

表3 裂缝分布特征

在裂缝展布区域埋设的多点位移计M45的监测成果也验证了裂缝产生的成因(图5(b)和图6)。随着边坡1 123～1 100 m高程的开挖，各测点位移增长加速，2个月内位移达到10 mm，且不同深度测点位移出现明显的分异现象，13～25m深度范围的相对位移为10.2 mm，占总位移的70.8 %，说明该部位岩体向临空面的错动主要是由于在开挖影响下，块体底滑面f231的错动变形造成的。边坡3次裂缝均是由于f231断层在开挖卸荷条件下的错动变形造成的。

图5 第一次裂缝现场展布和所在部位地质剖面

图6 1 135 m高程多点位移计M45过程线

4.4 微震监测成果分析

监测微震事件主要集中在1 135～1 240 m高程的抗剪洞和大坝拱肩槽附近，这与现场施工活动影响范围吻合；同时，微震事件密集区域与卸荷裂隙密集带f231，XL316-1，XL09-15的位置吻合，说明由于施工扰动诱发右岸深部岩石微破裂，卸荷裂隙密集带为右岸边坡主要损伤区域。结合数值模拟成果，岩石微破裂事件主要沿卸荷裂隙密集带XL316-1和断层f231下盘萌生、演化和扩展，XL316-1损伤效应明显，前期推断的XL316-1处岩石微破裂聚集区域通过三维数值模拟结果得到很好的验证。边坡微震事件与RFPA3D计算潜在滑裂面空间对比见图7。

图7 边坡微震事件与RFPA3D计算潜在滑裂面空间对比

5 结 语

(1)通过长期的工程实践和总结，建立包括边坡表面、浅部、深部和微震监测相结合的新型边坡监测布置方案。监测布置成功应用于大岗山右岸边坡，并取得丰富的监测成果，为边坡的安全稳定评价奠定了坚实的基础，可供其他工程借鉴使用。

(2)通过对边坡卸荷裂隙密集带变形特征、施工响应关系分析，总结主要地质结构面(卸荷裂隙密集带)对边坡稳定的影响，对边坡安全稳定进行评价。经分析，XL316-1(f231)卸荷裂隙密集带对边坡安全稳定影响明显，在开挖期间其错动变形为14.4 mm，随着边坡加固处理后，2～4个月时间内变形收敛。监测成果和微震数值模拟都相互验证了卸荷裂隙密集带XL316-1(f231)对边坡的影响。

(3)本文对西南地区高陡边坡裂隙岩体和特殊地质构造的在开挖卸荷条件下的错动变形特征进行了探讨和分析，在接下来的工程实践中可以进一步的升华和完善。

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