杨房沟水电站左岸缆机开挖边坡岩体结构及稳定性研究

摘要

雅砻江杨房沟水电站位于四川西昌市木里县境内，其总库容为5.1248亿m3，装机容量为1500MW，该电站现已进入施工阶段，预计2022年竣工。杨房沟水电站坝址区为典型高山峡谷地貌特征，工程主体位于燕山期花岗闪长岩(γδ52)岩层内，坝址区内无较大规模断裂穿过，同时区内岩体风化卸荷程度整体发育不甚强烈。经现场调查发现，坝址区内小断层及断续延伸节理十分发育且组成较为复杂的构造系统，极易构成边坡局部甚至整体稳定性的控制性边界条件。而缆机开挖边坡作为坝肩开挖边坡的最上一级，其稳定性直接关系到拱肩槽边坡、大坝等后续主体工程施工期、运行期的安全，因此对缆机开挖边坡进行系统研究是十分重要的。
　　本文以杨房沟水电站左岸缆机开挖边坡作为主要研究对象，以边坡稳定性作为主要研究目标，通过对开挖边坡岩体结构以及结构面发育、成因特征进行研究，结合边坡出现变形破坏模式进行分析，从而对开挖边坡整体和局部稳定性进行评价。通过本文研究成果，指出缆机开挖边坡可能存在的稳定性问题，为工程的施工运行提供安全保障，同时也为后续坝肩开挖边坡的研究提供参考价值。
　　在本文研究过程中，主要通过长期驻扎现场参与施工地质工作，收集每级边坡开挖后的第一手地质资料并在室内进行整理。以“开挖边坡岩体结构和变形破坏特征研究作为基础，开挖边坡稳定性研究为目标”作为总体路线和方法进行研究:
　　(1)通过现场调查，结合前期可研阶段华东院相关研究成果，对研究区所处的地质环境背景进行分析。
　　(2)按照水利发电工程地质勘察规范，对开挖边坡岩体结构进行分类。在每级边坡开挖完成后通过现场绘制编录的地质素描图作为基础资料，并通过三维数码照相技术制作边坡三维模型对结构面产状、迹长等基本特征进行校核，按规范对结构面进行分级并研究其发育特征。
　　(3)采用不同的方法分别对开挖边坡揭露的成组优势节理按成因进行分类并研究其分布特征。其中原生节理主要通过对左岸地下洞室群中揭露岩性接触面和花岗闪长岩原生结构面进行统计从而进行归纳，构造节理主要通过统计地下洞室群中先于花岗闪长岩形成的变质粉砂岩岩层中的构造优势节理并进行筛选，而表生节理则主要通过与自然边坡中揭露表生节理进行对比，同时结合工程边坡风化卸荷程度进行分类。
　　(4)调查每级边坡开挖过程中及后续出现的变形破坏迹象，并对边坡变形破坏模式进行分类，调查每种破坏模式的规模、数量以及控制性结构面。同时分析变形破坏的主要控制因素。
　　(5)在上述研究基础上，对左岸缆机开挖边坡整体和局部稳定性进行分析，将现场对控制性结构面的调查与前期华东院通过试验所得相关岩体、结构面数据进行结合，选择合适的计算参数，科学的确定边界条件并建立模型，通过极限平衡方法对不同工况下边坡稳定性进行计算。运用FLAC3D数值模拟软件对自然边坡、开挖边坡应力应变位移等主要数据进行分析，同时还利用现有的监测数据对不同位置边坡变形位移情况进行分析。
　　本次论文可得出以下几项主要研究成果:
　　(1)根据每级边坡开挖后现场调查，左岸缆机开挖边坡范围内岩体以次块状为主，局部镶嵌～块裂结构。通过现场素描，结合三维数码边坡模型分析，开挖边坡一般性小断层十分发育，以NNE、NWW向居多，其中上游段边坡发育断层f14、f16、f107等多条延伸较长倾坡外中倾角结构面，对开挖边坡稳定性影响较大，另外在边坡内见2处局部范围5～6条小断层复杂交汇，局部完整性较差。区内优势节理以NWW向倾坡外中倾角节理最为发育，同时还发育NNE、NEE向等多组切坡向中陡倾角节理。通过三维数码模型中对结构面数据提取，可见其与现场素描成果基本一致，走向、倾角差值范围一般在5°以内。
　　(2)根据开挖边坡揭露结合左岸地下洞室群中变质粉砂岩、花岗闪长岩结构面及岩性接触面特征进行对比分析，可知边坡揭露NWW向等主要优势节理均为构造改造节理，发育程度和范围最大。原生结构面受花岗岩侵入冷凝环境影响发育较少，部分揭露的以垂直于流线方向的陡倾角横节理为主。而表生结构面多为在构造节理的基础上在原自然边坡地形地貌条件下所形成的。
　　(3)受结构面发育影响，与边坡斜交的NWW向等多组倾坡外中陡倾角优势节理与断层易组合形成半确定性、随机楔形块体，故开挖边坡主要局部变形破坏模式为楔形滑动模式，其数量最多，但规模相对较小，多分布于每级边坡顶部以下数米。其次为滑塌模式和倾倒变形失稳模式，其数量相对较少，受结构面控制规模大小不一。受边坡坡向和结构影响，上游段岩体发生变形破坏程度和数量明显大于下游段。
　　(4)根据稳定性计算成果，开挖边坡整体在天然和地震工况下均满足安全标准，但在暴雨工况下，由f14、 f16、f63作为潜在底滑面的滑面组合处于极限平衡状态，存在安全风险，同时f14、 f16、f107还易于在边坡表层作为局部确定性块体的底滑边界出现失稳风险，因此需进行针对性加强支护。开挖边坡范围内还发育多处半确定性块体和随机块体，其中半确定块体整体稳定性均较好，仅前缘局部小块体可能出现塌落，而随机块体多方量较小，现场多直接采取清除处理。
　　(5)通过FLAC3D软件建模分析，开挖后左岸缆机边坡最大、最小主应力均表现为压应力，其最大值位于边坡内部，范围在0～6MPa，最小值位于边坡后缘及缆机平台前缘，范围在0～1MPa，同时在马道和缆机平台局部生成拉应力，范围值在0～0.3MPa。边坡各方向上位移最大值范围在14～26mm，位移变化主要集中在缆机平台前缘，可见边坡前缘有局部剪出趋势，易形成局部变形破坏，同时根据现有高高程点监测数据，可见永久监测点位移量多小于0.3mm，临时监测点位移量多在5mm以内。综合分析边坡整体较为稳定，局部可能出现变形破坏。
　　根据上述主要研究成果分析总结，可以得出边坡整体在天然及地震工况下均处于稳定状态，但在暴雨工况下由断层f14、f16、f63作为控制性条件的组合滑面处于极限状态，可能出现失稳，同时由f14、f16、f107分别参与组合形成的局部确定性块体同样存在安全隐患，将直接影响到后续工程的进展。该结论与华东院现场地质工程师所得结论一致，现场在上述揭露断层所在坡段开挖完成后均暂停后续施工开挖作业，并针对上述断层采取相应加强支护措施。
　　现阶段受施工进度影响，在开挖边坡范围内仅安装了少部分监测装置，因此对开挖后边坡变形破坏的发展趋势研究还缺少相关数据，在今后实验装置到位后还需进行跟进研究。目前杨房沟水电站仅左岸完成缆机边坡的开挖，在后续两岸大规模坝肩边坡开挖过程中，受开挖深度、规模增大，开挖形态复杂化的影响，工程边坡的稳定性研究将更加重要。由导师所带领的课题组将继续通过长期驻扎现场参与施工期地质调查，对后续主体坝肩开挖边坡进行系统的调查研究。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 边坡岩体结构特征

1．2．2 边坡变形破坏模式

1．2．3 边坡稳定性研究

1．2．4 杨房沟水电站坝址区研究现状

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法及技术路线

第2章 研究区地质环境背景

2．1 区域地质背景

2．1．1 区域构造及地震

2．1．2 地应力

2．2 研究区工程地质条件

2．2．1 地形地貌

2．2．2 地层岩性

2．2．3 地质构造

2．2．4 风化卸荷

2．2．5 岩土体物理力学特征

2．2．6 水文地质条件

第3章 左岸缆机开挖边坡岩体结构特征研究

3．1 结构面调查统计

3．1．1 地质素描编录

3．1．2 三维数码照相成果

3．2 结构面发育特征

3．2．1 Ⅰ、Ⅱ级结构面特征

3．2．2 Ⅲ级结构面特征

3．2．3 Ⅳ级结构面特征

3．2．4 Ⅴ级结构面特征

3．3 结构面成因分类及分布特征

3．3．1 结构面成因分类方法

3．3．2 原生建造结构面及分布特征

3．3．3 构造改造结构面及分布特征

3．3．4 表生结构面及分布特征

3．4 岩体结构类型及基本特征

3．4．1 块状、次块状结构

3．4．2 镶嵌结构

3．4．3 块裂结构

第4章 左岸缆机开挖边坡变形破坏特征研究

4．1 边坡变形破坏迹象

4．2 边坡变形破坏的主要控制因素

4．2．1 边坡岩体结构与变形破坏关系

4．2．2 地质构造对变形破坏的控制作用

4．2．3 次生风化卸荷影响

4．2．4 触发性动力因素影响

4．3 边坡变形破坏模式分析

4．3．1 滑塌模式

4．3．2 倾倒变形失稳模式

4．3．3 楔形滑动模式

第5章 左岸缆机开挖边坡稳定性研究

5．1 宏观地质分析

5．2 开挖边坡现场监测数据分析

5．3 计算模型及参数分析

5．3．1 计算模型建立

5．3．2 计算参数选取、评价

5．3．3 计算工况及安全标准选取

5．4 整体稳定性计算成果与分析

5．5 局部稳定性分析

5．5．1 确定性块体

5．5．2 半确定性块体

5．5．3 随机块体

5．6 开挖边坡应力应变数值模拟分析

5．6．1 模型建立

5．6．2 参数选取

5．6．3 开挖前后边坡应力应变分析

5．7 稳定性综合评价

结论

致谢

参考文献