紫坪铺水电站2#泄洪洞进水口边坡变形特征及其机理研究

第24卷 第12期

岩石力学与工程学报 Vol.24 No.12

2005年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June，2005

#

紫坪铺水电站2泄洪洞进水口边坡

变形特征及其机理研究

。

杨绪波1，黄润秋1，沈军辉1，曹运江12

(1. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室，四川 成都 610059；2. 湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

摘要：四川省紫坪铺水电站2#泄洪洞进水口高边坡地质条件复杂，坡脚和中部的L9，L10软弱岩带上盘均出现明显倾倒变形迹象，并发生过几次垮塌。通过对该边坡的物质组成、结构特征、以及边坡开挖等因素的分析研究，阐述了其变形机理说明这类由下软上硬岩性组成的反倾边坡，其变形破坏模式为压缩–倾倒和滑移复合型。变形首先以层间软弱岩的不均匀压缩变形为先导，进而引起上部岩体倾倒，沿顺坡向结构面拉裂。采用二维有限元数值模拟，分析了这类边坡在开挖过程中的应力和变形的特征及其变化规律，进一步验证了上述的机理模型。 关键词：岩石力学；高边坡；变形机理；压缩–倾倒；滑移；有限元

中图分类号：TU 457 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)12–2035–06

CHARACTERISTICS AND MECHANISM OF SLOPE DEFORMATION AT

INTAKE OF FLOOD-DISCHARGE TUNNEL NO.2 OF ZIPINPU

HYDROPOWER STATION

，

YANG Xu-bo1，HUANG Run-qiu1，SHEN Jun-hui1，CAO Yun-jiang12

(1. National Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2. School of Civil Engineering，Hunan University Science and Technology，Xiangtan 411201，China)

Abstract：The geological condition of high rock slope at the intake of flood-discharge tunnel No.2 at Zipinpu hydropower station in Sichuan is very complex. There appears evidently the toppling deformation above the soft rock strata (L9，L10) in the lower part of slope，and collapses took place many times. Through studying lots of factors，such as different substantial components of slope，character of geological structure，excavation etc.，this paper illuminates mechanism of deformation at the intake of flood-discharge tunnel No.2. Meanwhile，the mode of deformation and destruction of this kind of anti-inclined slope，which is composed of a series of soft rock layers in its lower part and hard rock layers in its upper part，is the compressed-toppling going with sliding. It is demonstrated that the deformation of this slope is always initiated by the non-uniform compression of the soft rock layer，leading to toppling of the upper hard rock layer；finally，the tensile fracture of sliding appears along discontinuities paralleling with slope. Besides，two-dimensional finite element calculation is used to analyze the regularities of stress field and displacement during the excavation and to demonstrate the mechanism of this deformation.

Key words：rock mechanics；high rock slope；mechanism of deformation；compressed-toppling；sliding；finite element

收稿日期：2004–05–13；修回日期：2004–07–08

基金项目：国家自然科学基金重大研究计划资助项目(90102002)

作者简介：杨绪波(1979–)，男，现为硕士研究生，主要从事地质灾害与地质工程方面的研究工作。E-mail：[email protected]。

・2036・ 岩石力学与工程学报 2005年

1 引 言

MPa；粉砂岩湿抗压强度为30～40 MPa，属中等强度岩石；煤质页岩性软弱，易碎，往往与不同规模的层间剪切破碎带(L9，L10)对应，抗压强度较低，流变性能较强，是整个坡体内最薄弱部位。

从边坡的结构上来看，该边坡岩层的产出状态属于典型的反倾边坡，并发育有不同规模等级的结构面。

III级结构面主要为顺层发育。该类结构面变形较为剧烈，以不同规模的层间破碎带方式发育。以L9，L10为代表。其中，L9宽6～13 m，位于边坡下部；L10宽5～9 m，位于边坡中部。它们由纯度较好的煤层及薄层状炭质页岩在褶皱变形过程中受挤压剪切错动而成，层内揉皱发育。这类结构面往蠕变–倾倒变形起重大影响。

IV级结构面类型主要为层面、层面方向的长大裂隙(层面裂隙)及少数近垂直层面的反倾向的长大裂隙。该类结构面对边坡的局部稳定性有重大影响，也可与III级结构面组合形成较大规模的边坡不稳定块体。

V级结构面在边坡岩体中普遍发育。该类结构面的发育明显受岩性及不同构造部位的控制。其中，顺坡向结构面产状N5～30°E/NW∠10～30°，属于与层面近直交的缓倾角结构面，在砂岩中发育较为密集，且延伸长度较大，一般延伸为5～10 m，连通率近65%～85%，是形成滑移拉裂变形的潜在底滑面，对边坡局部稳定性有影响。

根据该边坡岩性、岩体坚硬程度、完整程度、结构面特征，按“水力水电工程地质勘查规范”(GB50287–99)坝基岩体质量分类标准，岩体质量主

四川省紫坪铺水电站2#泄洪洞进水口位于右岸条形山脊上游，沙金坝向斜的北西翼。山体总体走向与构造线基本一致，属构造剥蚀地形，由于地质构造及岩性的影响，岷江在沙金坝河段形成一个近180°的河曲，使右岸形成三面被河曲包围的条形山脊。开挖前山脊坡度较缓，为20°～25°，地表有残积及冰水堆积而形成的粘土、块碎石土，靠河有河漫滩及I级阶地分布。2#泄洪洞进水口原进口748.5～752.0 m，改造成“龙抬头”隧道进口780～800 m高程，隧道断面为直墙圆拱，衬砌断面为8×(宽×高)，开挖断面达14～14.5 m2。泄洪洞横穿条形山脊，与岩层走向大角度相交(图1)。

随着开挖进行，在边坡坡脚和中部的L9，L10软弱岩带上盘上均出现明显的变形迹象，并发生过几次小规模垮塌。针对这一问题，本文通过现场调查，研究了该边坡的变形机理，应用有限元数值模拟，揭示了此类边坡在分期开挖状态下岩体变形发生规律及变形破坏模式，为边坡稳定性评价和支护工程设计提供基础资料和参考依据。

12 m，14 m×14 m，7.32 m×12 m及10 m×10 m 往构成边坡失稳破坏的控制性结构，对边坡的压缩

2 边坡岩体结构特征

从岩性上来看，该边坡具有上下粗细交替的明显韵律性。中、细砂岩占总厚的49.2%，粉砂岩占37%，煤质页岩和泥质页岩占13.8%。中细砂岩呈厚层和巨厚层状，坚硬完整，湿抗压强度为60～80

注：高程以m计

＃

图1 2泄洪洞进水口边坡工程地质纵剖面图

Fig.1 Engineering geological sketch of the intake of flood-discharge tunnel No.2

第24卷 第12期 杨绪波等. 紫坪铺水电站2#泄洪洞进水口边坡变形特征及其机理研究 • 2037 •

要为III，IV级岩体，越向坡外，由于强烈卸荷，裂隙多张开，充填次生夹泥，岩体变形模量值0.59～0.81GPa，强度显著降低，岩体属碎裂结构，具较大的压缩变形性。因此，这种岩体质量的差异性，也是决定了边坡软以弱层(L9，L10)的压缩变形为先

导，并且其变形是不均匀的[1，

2]。

3 边坡变形破裂现象及机制分析

3.1 边坡变形破裂现象

本段边坡在开挖前就已表现出变形迹象，边坡前缘同组岩层上部的倾角明显要小于下部岩层倾角，即上部岩体已发生明显的弯曲变形迹象。且越接近坡面，弯曲变形越大，分割岩体的一系列层面出现错动现象。

在开挖过程中也出现了明显的变形迹象，首先是一系列的沿层面发育的裂缝，该裂缝宽度2～4 cm，有岩块、泥、岩屑等充填，延伸较长，但受产状为NW55°～60°/SW∠85°～90°的一组陡倾角裂隙所控制，间距1～2 m，主要集中在层间剪切带上覆的中粒砂岩、粉砂岩中；另外，浅表部局部还表现出沿缓倾坡外结构面发育的变形错动迹象，该变形迹象也主要集中在层间剪切带、煤质页岩带上部的中粒砂岩层中(图2)。

图2 变形破裂示意图 Fig.2 Sketch map of deformation

3.2边坡变形机理分析

如果把边坡看作一个系统的话，那么边坡这个复杂系统存在着与周围环境能量和物质的不断交换，可视为一个复杂的开放的非线性动力学系统，在其发展演化过程中存在着自组织行为和不连续的跳跃。其演变过程也是从一个低级次的平衡系统逐步向较高级次的平衡系统的演化过程[3

，4]

。边坡变

形受自身的物质组成、结构条件等决定，同时，也受外部环境变化影响。

该边坡开挖垂直高180 m，开挖过程中，首先是应力调整，产生二次应力场。由于应力分异的结果，坡脚附近最大主应力将显著增高，最小主应力则明显降低，甚至转为拉应力。因此，坡脚附近是斜坡压应力和剪应力增高带部位，这一部位通常也是边坡中最容易发生变形和破坏的部位[5

～10]

。由于

L9，L10等具有较大厚度的软弱层带正好位于这一部位，从而导致L9，L10发生垂直软弱层带的不均匀压缩和向临空方向的挤出。显然，下部的这种不均匀压缩变形为其上部坚硬岩体的变形提供了有利的空间，从而使上覆岩体产生自重式倾倒，其变形程度显然也是由坡面向坡内逐渐递减的，表现为岩层宏观的“弯曲”。由于坡体内顺坡向断续结构面的存在，因此，当变形较小时，这组结构面将产生拉裂；而当变形发展到一定程度时，该组结构面将产生顺坡向的错动。随着变形的进一步加剧，最终有可能沿顺坡向结构面形成贯通性的滑移面，导致边坡的失稳破坏。

可见，这种变形破坏模式在一定程度上是一种复合变形模式，即压缩–倾倒变形与滑移变形的复合。由于顺坡向结构面的存在，使其变形程度明显强于一般的弯曲倾倒变形，边坡更易发生倾倒–拉裂和滑移破坏。地表调查资料也显示，在煤质页岩或层间剪切破碎带及断层带上盘的岩体往往倾倒变形明显。

4 边坡变形的数值模拟

在分析了该边坡变形破坏机理基础上，采用有限元法对其演化过程进行模拟研究，进一步阐明了这类压缩蠕变－倾倒变形模式的发育特征。 4.1 有限元模型的建立

模型考虑了各个不同岩层及层间剪切带(L9，L10)的影响，并对地质纵剖面图加以适当的概化。同时，左右边界及底部边界为固定约束边界，由于该边坡所处地区被河三面包围而形成的孤立条形山脊，其地应力基本释放完毕，地应力测试结果也表明比较小，因此，不将地应力考虑在内。计算选用理想弹–塑性本构关系，模型采用八节点四边形单元以及六节点三角形单元进行有限元剖分(图3)，节点总数为2 697个，单元总数为1 188个。根据实际的开挖情况，按先后顺序共设置了6次人工开挖。

・2038・ 岩石力学与工程学报 2005年

图3 二维有限元计算模型

Fig.3 Two-dimensional finite element calculation model

各岩层和层间错动带的物理力学参数取值，既考虑了现场岩体力学试验结果资料，也结合了结构面类型、物质成分、风化状况等工程地质特性的调查研究。综合评价的各类岩体参数值如表1所列。

表1 岩体和层间剪切破碎带的物理力学参数 Table 1 Physico-mechanical parameters of rock masses

岩体类别 弹性模量 密度 粘聚力 内摩擦角/GPa 泊松比 /(g・cm－

3)

/MPa /(°) 强卸荷带岩体 0.780 0.30 2.50 0.30 26.0 弱卸荷带岩体

6.250

0.25

2.55

0.50

45.0

新鲜岩体 13.200 0.20 2.67 1.10 51.0

覆盖层 0.390 0.40 2.03 0.30 24.5

煤条 0.219 0.35 2.03 0.37 20.0 层间剪切带

0.140

0.40

2.03

0.40

18.0

4.2 开挖边坡位移特征分析

边坡开挖后，其不同高程的位移随时间(开挖步骤)的变化关系见图4，其中开挖步骤7表示开挖结束后的情况；位移与水平深度变化关系见图5。其变形特征分析如下：

由图4可知：位移变化随着边坡开挖，在中、上部(845～900 m高程)经历3个阶段，即开挖初期初始加速变形阶段、中期匀速变形阶段、开挖后期缓慢变形阶段；而下部(800～845 m高程)则经历了4个阶段，即开挖初期初始加速变形阶段、中期匀速变形阶段、开挖后期加速变形阶段以及开挖结束后的缓慢变形阶段。其变形速率与边坡开挖量有关。最后一步开挖量最大，其变形速率也最大。

综合图4，5，位移变形在空间上明显有不均匀性及分带性。在竖直方向，变形主要集中在下部软

图4 不同高程x方向位移–时间关系图 Fig.4 Relationship between horizontal displacement of

different points in elevation and time

图5 不同高程x方向位移–水平深度关系图 Fig.5 Relationship between horizontal displacement of different points in elevation and horizontal depth

层(L9)和中部软层(L10)。底部软层(L9)变形速率最大，而其上覆岩体变形相对较小；在水平方向，变形随着向坡内水平深度逐步减小，总体向坡内15 m后变形趋于稳定，即边坡开挖的变形影响深度为0～15 m。值得注意的是，坡脚软层L9在水平深度0～7 m范围内有变形显著增高区域。这说明该边坡变形以底部L9软层不均匀压缩蠕变为先导，进而导致上部岩体倾倒变形。 4.3 开挖边坡应力特征分析

边坡开挖后，其不同高程最大主应力、最小主应力、最大剪应力与时间(开挖步骤)、水平深度关系见图6～11。其应力分布特征如下：

(1) 边坡开挖结束后表层部位最大主应力500～1 000 kPa，最小主应力－250～500 kPa；最大剪应力250～500 kPa。

(2) 由图6，8，10可知：边坡表层处应力(最大主应力、最小主应力)随着开挖的进行而逐步释放；其上部(875～900 m高程)岩体应力稳定时间较快， 而中、下部岩体(800～875m高程)应力稳定时间随着开挖一直进行，开挖结束后仍有缓慢变化。并且，在开挖初期下部软层(L9)和中部软层(L10)应力变化速率较大。

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图6 不同高程最大主应力–时间关系图 Fig.6 Relationship between maximum principal stress of

different points in elevation and time

图7 不同高程最大主应力–水平深度关系图 Fig.7 Relationship between maximum principal stress of

different points in elevation and time

图8 不同高程最小主应力–时间关系图 Fig.8 Relationship between minimum principal stress of

different points in elevation and time

图9 不同高程最小主应力–水平深度关系图

Fig.9 Relationship between minor principal stress of different

points in elevation and time

(3) 由图7，9，11可知，开挖结束后，在坡脚(800 m高程)水平深度0～5 m范围内有应力增高

图10 不同高程最大剪应力–时间关系图 Fig.10 Relationship between maximum shear stress of

different points in elevation and time

图11 不同高程最大剪应力–水平深度关系图 Fig.11 Relationship between maximum shear stress of

different points in elevation and time

区，因此，坡脚软层(L9)发生压缩变形是可以理解的。它为上覆岩体提供变形空间，由于顺坡向断续结构面存在，连通率近65%～85%，随着压缩－倾倒变形进行，发生顺坡向的滑移拉裂。

5 结 论

(1) 研究表明，2#泄洪洞进水口开挖边坡的变形破坏属于压缩–倾倒和滑移的复合型变形破坏模式，下软上硬的岩性组合和地质结构是其发生的基础。

(2) 有限元数值模拟结果进一步揭示了这种压缩–倾倒变形在开挖下的应力、变形特征及其变化规律。层间剪切带(L9，L10)随着边坡二次应力场的形成，首先发生不均匀压缩蠕变，导致上覆岩体倾倒，进一步沿顺坡向断续结构面拉裂、滑移。

(3) 边坡的变形与其开挖规模、开挖速率有关，由于开挖导致的变形其影响深度为0～15 m，坡脚应力增高区深度为0～5 m。

(4) 这种压缩–倾倒破坏和滑移的复合模式不同于一般的弯曲–倾倒变形，作为一种复合变形模

・2040・ 岩石力学与工程学报 2005年

式，其变形程度、变形深度范围等均强于单纯的弯曲–倾倒变形。因此，这类边坡治理时，要重点对下部软岩进行治理，以减少对上部岩体的变形影响。

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