岩滩扩建工程进水口边坡多点位移计监测资料分析

刘甲奇 万 磊 肖小玲 包腾飞 邓元倩

(1.河海大学 水利水电学院,南京 210098;2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京210098;3.河海大学 水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心,南京 210098;4.福建省金湖电力有限责任公司,福建 南平 353300;5.河海大学 水文水资源学院,南京 210098)

在水利工程的建造过程中,会遇到许多边坡的工程变形问题,水库大坝一般都建造在山谷地区,山谷地区多为高边坡、地质条件复杂地区.边坡稳定的影响因素很多,单靠理论分析很难掌握边坡的实际变形规律[1-3].位移量是反映边坡稳定的物理量[4],因此,水利工程往往会在边坡上布置多点位移计,用以监测边坡的内部变形,通过分析这些多点位移计的变形资料,来判定边坡的稳定状况,从而保证大坝的安全运营[5-8].

多点位移计已在水利工程边坡监测中得到了广泛的应用,其监测的资料可以表现出边坡的变形特征,有利于判断边坡在施工、运行过程中的稳定性[3].本文以广西岩滩水电扩建工程的进水口边坡为例,根据多点位移计监测结果反应出的信息,对该工程的进水口边坡变形情况进行分析,从各个角度综合边坡的变形特征,并结合地质资料分析了边坡变形的主要影响因素.

1 边坡地质情况与监测布置

1.1 岩滩水电站进水口边坡工程地质情况

大坝地处相对稳定地段,地震的基本烈度是6度.进水口边坡岩石为辉绿岩和大理岩,岩石分土层、强风化、弱风化和微风化辉绿岩石.其中,引水发电隧洞进水口的边坡在开挖之前山坡坡度较缓,其右侧山坡的坡角为25～28°,坡比为1∶2.14～1∶1.88.右岸进水口边坡高程为314.25 m,分五级台阶开挖,坡比为1∶1.25,高差约80.85 m.边坡最低开挖高程为191.2 m,最高开挖高程约为310 m,边坡开挖后均采用锚喷支护,在土质边坡段除锚喷外还布设钢筋混凝土护面.

岩滩扩建工程进水口边坡主要不利地质因素有:坡顶含石英脉岩块的覆盖层与强风化层较厚,且有地下水渗流,在雨季或受地表水影响,岩土体的抗剪强度低,容易产生塌滑;石英脉岩内及其上下强蚀变岩中有少量松软蚀变岩分布,对局部坡段不利.

1.2 进水边坡变形的监测布置

岩滩水电站扩建工程采用北京基康的BGK4500-100 mm多点位移计,为振弦式多点位移计,安装在该边坡的位移计均为三点式位移计.位移计的观测深度24.5 m,测点间距按照4.5 m,8 m,12 m来进行布设安装.

在该边坡系统上布设了3个位移监测断面:1-1断面、2-2断面、3-3断面,共7套三点式位移计,M3-1和M3-2安装在1-1断面上,其布置方式垂直于边坡临空面,为水平向布置,1-1断面位于5～6号引水洞轴线之间;M3-3和M3-4安装在2-2断面上,2-2断面位于进Y0-044.53处;M3-5、M3-6和M3-7安装在3-3断面上,3-3断面位于Y0-096.75处.M3-3～M3-7布置方式均为竖直向布置.岩滩水电站扩建工程进水口边坡的变形监测平面布置如图1所示,图2分别为1-1断面、2-2断面、3-3断面监测仪器安装布置图,监测仪器的具体安装统计见表1.

图1 岩滩水电站扩建工程进水口边坡的变形监测平面布置图

图2 各个监测断面监测仪器安装布置图

表1 进水口边坡监测仪器安装埋设统计表

利用2015年12月31日之前的数据进行分析.其中,M3-6-1测不出数据,初步推测可能已经损坏,但是在对其2015年12月31日之前的过程线评价时,其过程线平稳,未出现较大浮动,故可用来分析边坡变形规律;M3-7三点式位移计测值在2015年1月22日出现测值突跳,跳动的最大降幅为3.50 mm,随后的测值一直保持突跳后的数值稳定小幅波动,2016年最新的监测资料发现自2016年6月份开始,该处位移计的测值一直处于不稳定的波动状态,初步怀疑此处的多点位移计可能已经损坏,但其损坏之前的测值,可供分析进水口边坡的位移变形特征;其它三点式位移计,现场测试结果良好,过程线较稳定,符合岩土体的一般变形规律,可供分析.

2 边坡变形的监测成果分析

从1-1、2-1、3-3三个监测断面中,各选取一套典型的三点式位移计的监测数据进行分析研究,选取的监测仪器分别为M3-3、M3-1、M3-6.

2.1 进水口边坡各典型监测部位位移变化规律分析

1)三点位移计M3-1监测成果分析

由图2(a)可知,多点位移计M3-1布置的形式为水平方向布置,布置在1-1断面上,其监测的位移为边坡向临空面方向发生变形的位移.从该多点位移计各个深度下不同测点的过程线图3可以得到,各个埋设深度监测点的总体变形趋势大体上保持一致,变形为正值,变形量的大小从外到内逐步减小,其中,表面测点的变形量最大.3个测点的监测数据曲线基本保持水平,表明该部位的岩土体的变形情况基本保持稳定;3个测点的埋设深度依次递增,多点位移计的变形量逐渐减小;从位移计的空间分布情况来看,边坡变形主要集中发生在边坡岩土体的表面位置,这是由于边坡的上部位移与边坡岩土体的风化程度、建设施工、爆破振动和降雨等外部因素有关[6],同时由于人工开挖卸荷而引起的松弛变形对地表岩石也会有一定的影响.

图3 M 3-1多点位移计位移过程线

从监测结果的统计值方面进行分析,在边坡的开挖工作完成以前,多点位移计的监测变形主要是回弹变形和自身的蠕动变形,2013年12月前该测点处变形速度最大,其最大变形速率约为2.4 mm/年,在此之后测值基本稳定,此时边坡的开挖与支护工作已完成,变形速度逐渐减小,位移计的各测点的年最大变幅值为0.18 mm,测点的变形量较小,各个测点的监测值已趋于稳定.由此可知,开挖卸荷回弹产生的变形随着开挖的进行而产生,其增加速度先快后慢,最后速率随开挖的停止和支护工作的完成而逐渐减小.

该监测部位的变形主要的发生时间为2012年7月～2013年12月,在此期间最大的测点的位移量约为2.5 mm,分析其变形的主要原因是由于坡体的爆破开挖,以及开挖所造成的岩土体回弹变形和边坡自身的蠕动变形,但由于其进水口边坡采用了锚喷支护,故边坡的变形量不大,目前该测点处的变形已趋于稳定,而且各个监测点的变形保持同步,变形速率几乎为零,表明此处边坡变形已经稳定,没有不利的变形趋势.

该多点位移计经历了陡增,蠕动变形,稳定这3个边坡变形的阶段,其变形特征曲线如图4所示.在变形陡增阶段,即在2013年10月28日之前,此时边坡的开挖支护工作正在进行,边坡的开挖坡比为1∶0.3,开挖坡比较陡,岩土体的应力释放及卸荷回弹作用较强,边坡的最大变形速率为21.9 mm/年;在蠕动变形阶段,这个阶段,由于边坡支护工作已经完成,主要是岩土体内部自身应力的重新分布,这一阶段边坡的变形速率明显减缓,最大变形速率为3.2 mm/年,随着时间的推移,坡体逐步发展到稳定阶段,在这一阶段,边坡的变形速率基本为零,这部分边坡已经稳定.

图4 M3-1多点位移计变形特征曲线

2)三点位移计M3-3监测成果分析

由图2(b)可以看出,三点位移计M3-3的布置形式为竖直向布置埋设,布置在2-2断面上,其监测位移为边坡竖直向的沉降变形位移.从测点过程线图5可知,各个深度测点的变形规律基本一致,变形量为正值,各测点的变形有小幅波动增长的趋势;测点1和测点2的变形曲线基本保持一致,说明测点1和测点2的深度范围内,变形保持一致,从测点2的位置到测点3的变形增大,表明测点2到测点3的的位置出现控制变形发生的的软弱结构面,其深度在12.5～24.5 m的深度段,结合前期的地质资料进行查证,也表明此深度范围内存在含碎石粘性土的弱风化软弱夹层,两次的分析结果一致.

从监测结果的统计值方面可知,该位移计3个测点的实测变形的最大值为1.79 mm,目前仪器各测点的年度最大变幅为0.75 mm,各个测点的测值曲线可以看出,测点的数值正处于小幅增长阶段,变形量不大,增长的最大速率约为1.2 mm/年,同样可以看出,距离表面近的测点3的测值较其他两个测点的测值大,而且测点3的位移量逐渐增大,变化速率也在继续增加,可能是与该处岩土体的软弱夹层有关,造成该处的位移量变大,需加强监测.该位移计的测量的变形大小从外到内逐渐减小,符合岩土体的实际变形规律.

图5 M 3-3多点位移计位移过程线

3)三点位移计M3-6监测成果分析

由图2(c)可以看出,三点位移计M3-6的布置形式为竖直向布置埋设,布置在3-3断面上与M3-3埋设在同一高程上,且两者的布置形式也一致,其变形规律也基本保持一致,从图1可以看出两者都布置在同一个边坡面上,其呈现出来的规律,也具有一致性.从图6可以看出,距离表面最近的测点3的测值较其他两个测点的测值大,变形大小由表及里逐渐减小,符合岩土体的实际变形规律;测点1和测点2的变形大小相差不大,但是测点1、2与测点3的差值比较大,表明测点2到测点3之间,存在控制岩土体变形的软弱结构面,但测点2与3的变形最大只相差1.2 mm左右,表明此处的软弱结构面对整个边坡的影响不大,这与三点位移计M3-3的分析结果一致.

图6 M 3-6多点位移计位移过程线

从统计值可以看出,该三点式位移计3个监测点的实测变形的最大值为1.11 mm,到目前为止,位移计各测点的年最大变幅为0.25 mm,从图6可以看出,测点1与测点2的数值曲线已经趋于水平,表明此处变形已经趋于稳定,测点3的测值在一定的范围内进行波动变化,目前有继续增长的趋势,且最大测值为1.11 mm,需加强对此处的监测.

2.2 进水口边坡位移变化整体特征分析

2.2.1 各断面的变形特征分析

1-1断面:M3-1的变形量整体上较M3-2的变形量稍大(即各深度测点测得的位移均比M3-2相应测点的大),该断面的变形特征是上部边坡的变形大于下部,且变形为正值,即边坡的变形量随着高度的增加而逐渐增大,这对于边坡的变形是不利的,建议对此处进行监测,必要时需设置预应力锚索对此处的上部的边坡进行加固.

2-2断面:M3-3和M3-4位移计为竖直向布置,监测的为边坡的竖直向位移,即监测边坡的沉降量,由监测资料可以看出,边坡的沉降量很少,最大沉降量发生在M3-4位移计上,最大值为1.32 mm,说明此处边坡的岩性较好,该处的微风化结构带对沉降变形的影响不大,这对边坡稳定是非常重要的;从两个多点位移计的相对位置来看,M3-3位移计的位置高程比M3-4的位置高程高,其沉降量也比M3-4位移计的沉降量小,符合坡体的沉降变形特征.但坡体的总体变形量较1-1断面的大,结合前期的地质勘测资料进行分析其成因为:此处为存在软岩夹层的微风化结构带,由于边坡重力作用与人工开挖卸荷的影响,边坡沿着岩层面方向发生向开挖临空面的滑动变形.此处的变形情况揭示了存在软岩夹层情况下坡体变形的一定特征,软弱夹层是影响边坡位移的主要因素之一.

3-3断面:与2-2断面相类似,M3-5～M3-7位移计也为竖直向布置,监测边坡的竖直向位移,但是3-3断面的平均开挖坡度比2-2断面的平均坡度小,边坡长度长,该处边坡沉降量最大位于M3-7位移计附近,最大沉降量达3.59 mm.结合地质资料来看,该位移计处位于强风化地质岩层端,风化较严重,其他两套位移计穿过弱风化地质结构段,风化程度轻,沉降量不大,最大沉降量为1.93 mm.

2.2.2 各断面的变形特征对比分析

计算各个多点位移计测点的监测数据均值见表2.对比边坡1-1断面和2-2、3-3断面的位移均值,可以看出,1-1断面的变形量明显大于2-2和3-3断面的变形量,仅从变形量的角度分析,1-1断面与2-2、3-3断面可能不在同一边坡上或者布置形式不同,结合仪器布置图,可以看出分析结果与实际情况相符,这同时也反映出边坡向临空面(水平方向)的变形大于竖直方向的变形;2-2断面和3-3断面在同一边坡上,对比监测仪器的均值,可以看出2-2断面的M3-3和M3-4与3-3断面的M3-5和M3-6的变形量基本上呈现出从下到上依次减小的规律,观察其地质情况,这4套位移计均穿过同一弱风化或微风化地带,而3-3断面的M3-7多点位移计监测到的沉降量明显比其它测点的沉降量大,推测其可能穿过软弱夹层或者强风化结构带,从图2(c)中可以看出,M3-7多点位移计同时穿过了强风化带、弱风化带和微风化带,故其沉降量也相应比其它部位的沉降量大.

表2 进水口边坡多点位移计各测点位移均值统计表

3 结 论

对进水口边坡的多点位移计进行了综合分析,并结合地质资料和现场检查结果分析了监测成果,而且与测斜孔的监测数据进行对比的关联分析,分析得到了坡体的变形规律特征与影响边坡变形的因素,可以得出如下结论:

1)各监测部位的位移均由表及里逐渐减小,符合边坡岩土体的实际变形规律,表明多点位移计的测值可靠,并结合附近布设的测斜孔的监测数据进行关联验证分析,得出了同样的结论.

2)1-1断面断面的变形特点是上部的变形大于下部,这对边坡稳定不利,分析其原因,是由于存在软岩夹层的微风化结构带,在边坡自身重力的作用以及边坡的开挖卸荷的作用下,进水口边坡沿着岩层面的方向向临空面发生滑动变形,但是边坡表面采用了锚喷支护,其位移量不大,但仍需加强该监测断面的监测,发现情况要及时处理.

3)在多点位移计安装之后,边坡的变形除了1-1断面的M3-1位移计经历了位移的陡增,蠕动变形,逐步稳定这3个阶段,其它多点位移计并未呈现出岩土体变形的一般规律,这主要是因为边坡的地质情况较好,周围岩体较完整,再加上边坡表面的混凝土锚喷支护,进一步限制了边坡的变形.

4)将各部位变形量值的差异进行讨论,推断出边坡各部位变形量值的差异与地质边界和仪器的埋设布置形式相关.总体来讲,在进水口边坡利用多点位移计对岩体深部位移进行监测,可以获得边坡的位移分布及其变化过程.岩滩水电站扩建工程的进水口边坡的位移量不大,边坡变形已经趋于稳定.

[1] 龚 静,袁有仓,董瑜斐.基于多点位移计和外部变形观测墩监测成果的高边坡开挖期变形深度分析[J].四川水力发电,2013,32(3):164-168.

[2] 刘文庆,赵 飞,董建辉,等.多点位移计在高速公路高边坡稳定性监测中的应用[J].地质灾害与环境保护,2010,21(4):104-107.

[3] 陈 强,邹正明,汪家林.山区高速公路边坡监测与动态化设计施工实例分析[J].防灾减灾工程学报,2006,26(3):332-336.

[4] 沈军辉,孙宝俊,勒晓光,等.位移监测在滑坡评价预测中的应用[J].东南大学学报:自然科学版,2002,32(5):813-817.

[5] 黄秋香,汪家林,邓建辉.基于多点位移计监测成果的坡体变形特征分析[J].岩石力学与工程学报,2009,28(S1):2667-2673.

[6] 朱全平,徐 波,张德香.三峡工程船闸高边坡多点位移计形变分析[J].中国三峡建设,2004(6):36-38.

[7] 戴 峰,李 彪,徐奴文,等.猴子岩水电站深埋地下厂房开挖损伤区特征分析[J].岩石力学与工程学报,2015,34(4):735-746.

[8] 王少伟,包腾飞,徐 波.裂缝影响下碾压混凝土拱坝整体安全度评价[J].中南大学学报:自然科学版,2013,44(4):1479-1486.