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锦屏一级水电站左岸边坡大规模开挖的地质—力学响应研究

刘明  
【摘要】:五百米级、数百万方的大规模岩石高边坡开挖及其变形响应是大型水电工程建设面临的重大工程问题。本文通过开挖期的施工地质编录、原位试验等最新工作,详细复核了锦屏一级工程左岸边坡岩体结构特征、岩体质量及参数特征。基于边坡各类结构面的控制作用,分析了边坡变形及稳定的控制性边界条件。全面调查了边坡开挖变形迹象;结合开挖过程和边坡结构,深入分析了不同深度及重点部位的监测数据;总结了本例岩石高边坡研究对象在大规模开挖条件下,其开挖变形的地质-力学响应机制及规律。针对变形主体部位,进行了系统的SIGMA/W开挖模拟分析,探讨了边坡开挖变形基本背景、控制作用及过程,变形性质及稳定性态势。论文取得了以下主要研究成果: (1)工程区所在的断块区域稳定性相对较好,现今构造应力场总体为NW向,属于低围压、低应变能的能量累计状态;而与之相邻的大型活断裂—安宁河断裂—活动性水平较高,其正趋成熟的“地震空区”NW边缘即在坝址区一带,因此应重视其活动性变化将带来的影响。 (2)根据结构面与坡面的交切关系,诠释了结构面迹线侧伏规律,并应用于地质编录,资料校核之中,保障了岩体结构调查的可靠性。通过调查表明:边坡主体部分(坝头及以上)岩体结构条件及质量存在上部偏差、下部相对更好的特征;与前期勘探认识总体一致,但f42-9断层沿线呈现断层密集发育的软弱岩带显然弱化了其主控性作用。 (3)通过开挖期岩体原位试验、波数检测等手段获得的最新成果表明:左岸边坡各级岩体变形及强度参数的初步建议值是合理可信的;为后续的数值模拟分析的参数选取提供了指导性原则。 (4)所揭示的开挖变形响应可归纳为四种性质,即卸荷回弹、差异回弹、倾倒-张裂、深部滑移-张裂等变形破裂现象,以浅表卸荷回弹松弛为主。这些直观的变形迹象主要发育在坡体内部、而坡表不发育,显示变形性质尚属边坡自适应调整态势,并无局部恶化状况。 (5)边坡开挖主体的变形受坡体宏观结构的控制作用明显:多点位移计孔口变形明显者、硐室结构裂纹集中者,都主要集中在坝头拉裂部位;锚索测力计显示的锚固力增加部位,往往也在煌斑岩脉(X)、f42-9断层等主控带的露头附近。 (6)系统监测分析表明,开口线部位的位移矢量大致平行地表、量级100mm左右;开挖区坡体的变形,以水平横河向位移为主导分量,垂向上多以沉降为主,但量值很小,表现出不均匀压缩特征;坡体深部变形主要集中在煌斑岩脉X以内的深裂部位,获得的侧向位移40mm,模拟结果显示垂向上为沉降位变形。总体上,边坡开挖变形动态对开挖过程、进度响应密切,趋面性、波动性、阶段性、节奏性同步特征明显;开挖对上方坡体变形的影响,在100m高差以内强烈,在200-300m以内影响逐渐减弱,以后(尤其挖完后)便趋于稳定。 (7)根据变形现象认识、监测数据反馈和支护工况分析,边坡开挖整体变形的概念模式可总结为一种“岩锚墙底部压缩、上部倾倒鼓胀—深部滑移张裂”的复合模式,进一步的数值模拟分析表明,该模式能够很好地衔接各部位变形现象。 (8)综上可得,锦屏一级左岸岩石高边坡的开挖变形系“大开挖+强支护”条件下受f42-9断层等坝头特定地质结构控制的一种变形自适应调整响应;而导致其深部变形的基本背景在于坡体结构条件和应力调整作用,即f42-9断层本身规模大、控制的范围深,再者就是大规模开挖后应力的强烈分异。三层抗剪洞及系统锚索形成的岩锚墙则是控制开挖变形及稳定的基本作用,实际数据证实,这存在一个“抗剪洞起效→垂向压缩-侧向膨胀→深部扩展”的调和过程。 (9)据上述判断,从控制施工期边坡变形及稳定角度看,实施的支护量是足够的、边坡保持稳定。


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