盘石头水库泄洪洞、导流洞进出口 高边坡稳定性分析

第21卷第3期岩石力学与工程学报21(3)：353～3592002年3月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMarch，20022000年8月21日收到初稿，2000年10月9日收到修改稿。作者祁生文简介：男，1975年生，1996年毕业于原西安地质学院水工系，现为中国科学院地质与地球物理研究所地质工程专业博士研究生，主要从事岩土力学及数值模拟方面的研究工作。盘石头水库泄洪洞、导流洞进出口高边坡稳定性分析祁生文伍法权兰恒星(中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学开放实验室北京100029)摘要首先分析了边坡工程地质条件，对边坡岩体进行了工程地质岩组划分，对岩体参数进行分析，提出该区边坡破坏模式，然后利用定性定量多种方法对边坡在各种工况条件下的稳定性进行了评价。关键词盘石头水库，高边坡，破坏模式，稳定性分类号TU457文献标识码A文章编号1000-6915(2002)03-0353-071引言盘石头水库坝址位于河南省鹤壁市西南15km的卫河支流淇河中游盘石头村附近。水库控制流域面积为1915km2，2000a一遇校核洪水水位为275.0m，相应库容为6.08×39m10，正常蓄水水位254m，相应库容为3.05×39m10。拦石坝选用混凝土面板堆石坝方案，坝顶高程为275.7m，坝顶长度为606m，最大坝高为102.2m。该水库以防洪、工业及生活供水为主，兼顾农田灌溉发电，是一座综合利用的大型水利枢纽工程[1]。该水库的泄洪洞、导流洞布置在右岸单薄的鸡冠山山体下(见图1)。两洞进口高程均为215m，出口高程有所不同，导流洞出口高程为178.68m，泄洪洞出口高程为206.7m。洞室开挖采用城门洞形，成洞断面为9.46m×7.0m。两洞进口处边墙位于中厚层灰岩131∈处，拱顶部分涉及页岩141∈，两洞出口分别位于页岩、页岩夹灰岩121∈和中厚层灰岩131∈处。鸡冠山山体上部为中寒武系近直立的灰岩陡壁，下部为下寒武系页岩，形成上软下硬的地层结构。因此，对于这样的水利枢纽工程，其泄洪洞、导流洞的进出口高边坡稳定性问题尤为突出。本文首先分析了边坡工程地质条件，对边坡岩体进行了工程地质岩组的划分，提出了边坡的破坏模式，然后利用定性定量多种方法对边坡在各种工况条件下的稳定性进行了评价，这对今后的设计、施工具有重要意义。2工程地质条件水库位于太行山中高山与华北平原的过渡带，大地构造单元属于中朝准地台山西台隆的太行山拱断束。拱断束内构造线近南北向，整体为一宽缓的大型复式背斜。根据鹤壁市地震局提供的地震资料，本区的地震基本烈度为Ⅶ度，属于区域稳定性较好的地段。水库坝址位于马鞍山背斜东翼。区内构造类型以断裂为主，一般为NE向高角度正断层，发育间距最密处5～10m/条。断层常以近平行的组合形态出现，走向一般为NE20°～50°，横切河谷，倾向NW或SE，倾角50°～90°，个别近东西向。断裂规模一般不大，垂直断距除F7大于100m外，一般为0.3～10m。破碎带宽度最宽为20m，其余宽为0.05～6m，大多数为0.3～2.0m。断层影响范围内节理、裂隙较发育，风化较严重。对于鸡冠山泄洪洞、导流洞进出口边坡及两洞本身来说，由于断层走向与边坡走向及两洞轴线均成大角度相交，因此，断层对边坡及两洞本身影响不大。坝址区属低山侵蚀地形，地势起伏较大，地貌条件复杂。坝址左岸山体宽厚，山顶高程319～325m，•354•岩石力学与工程学报2002年与河床相对高差为140m左右，山顶较平坦。高程在270～280m以上为寒武系中统鲕状灰岩和豹皮灰岩，形成高达30～50m的陡壁；以下为寒武系下统灰、页岩互层，形成缓坡，坡角30°～35°，沟谷不甚发育。右岸鸡冠山山体单薄，三面临河，呈西北向展布，底宽360～520m，山顶高程431～482m，高出现代河床250～300m。高程约300m以上由寒武系中统灰岩构成高达90～160m的悬崖峭壁(见图1)。山脊部分局部仅为宽1～2m的狭窄石梁，两侧危岩耸立，摇摇欲坠。区内出露寒武系中、下统及第三系地层。岩层产状平缓，受构造等因素影响，各处相应有起伏变化，其中右岸鸡冠山北坡岩层走向为50°～70°，倾向SE，倾角2°～6°；左岸近坝轴线附近岩层走向为320°～340°，倾向NE，倾角4°～9°。右岸岩体强风化带垂直深度为3～20m，弱风化带深度为7～40m，强风化带水平深度为1～12m。另据右岸导流试验洞观察，洞深47m以外属弱风化岩体，且岩体的卸荷松动变形对页岩的风化具有明显影响。区内地下水类型主要有基岩岩溶裂隙潜水、基岩层间岩溶裂隙潜水、基岩层间岩溶承压水和第四纪孔隙潜水。其中基岩层间岩溶裂隙承压含水层顶板高程为103.32～120.92m。坝址区的灰岩、泥质灰岩和泥灰岩均不同程度地发育有溶洞、溶缝、溶孔。发育程度、规模与层厚、部位及构造有关。总的来讲，该区岩溶问题不是很突出。3边坡工程地质岩组的划分泄洪洞、导流洞进出口边坡岩体主要由下寒武统及上覆中寒武统地层组成，根据岩体工程地质性质把其归并为5个工程地质岩组。各岩组的工程地质性质见表1。4边坡岩体力学参数的选取野外岩体力学原位试验是在弱风化和微风化岩体中进行，因此，对于弱风化和微风化岩体力学参数的取值以野外岩体力学的原位试验参数取值为依据。对于强风化岩体利用精测线法进行节理裂隙1—全新世冲洪积地层2—寒武系下统灰岩夹页岩3—寒武系下统灰岩4—寒武系下统页岩5—寒武系下统页岩夹灰岩6—寒武系下统灰岩夹页岩7—寒武系下统泥质灰岩夹页岩8—寒武系中统灰岩9—等高线及高程10—正断层及编号11—河流流向12—计算剖面及编号13—水工建筑物开挖轮廓图1盘石头水库坝区工程地质图Fig.1EngineeringgeologicalmapofPanshitouReservoir，Henanprovince第21卷第3期祁生文等.盘石头水库泄洪洞、导流洞进出口高边坡稳定性分析•355•表1边坡工程地质岩组划分一览表Table1Classificationofengineeringgeologicalrockgroupsofslope工程地质岩组名称工程地质岩组性质页岩、页岩夹灰岩岩组该岩组所涉及地层主要包括101∈，111∈，121∈，厚约17m，底部为紫红色页岩，上部为灰岩夹页岩，岩性较为坚硬。多呈层状结构或层状碎裂结构。顶板出露高程在两洞进口处约195m。中厚层灰岩岩组该岩组由131∈组成，灰红色、中厚层状，致密坚硬，厚约10～15m。多呈块状结构。其底板出露高程在进口边坡处195m，在出口边坡处190m。页岩岩组该岩组由141∈组成，紫红色、暗紫红色，局部灰绿色，页理发育，易风化剥落成碎片，局部风化成泥状。由于卸荷和风化作用，次生裂隙发育，成为块状碎裂结构，在强～弱卸荷和风化带内为碎裂结构。在进口边坡其底板出露高程为225m，在出口边坡底板其高程为200m左右。页岩、灰岩互层岩组该岩组由151∈，161∈，171∈组成，页岩多为紫红色、灰绿色，灰岩为中厚层状，少量为薄层状，岩性较软弱。多呈层状结构或层状碎裂结构。在两洞进口边坡底板出露高程为260m左右，在出口边坡底板出露高程为230m。厚层灰岩岩组该岩组所涉及的地层由2∈组成，岩性为中厚层状鲕状灰岩和豹皮灰岩。岩石坚硬，在地貌上形成直立的陡壁，相对高差可达130～180m。多呈块状结构。由于周边的卸荷作用，在陡壁周围形成许多危岩体。该岩组在进口边坡处出露高程为305m，在出口边坡底板出露高程为300m。表2边坡稳定性评价所采用的岩体力学参数值Table2Rockmassmechanicsparametersforslopestabilityevaluation页岩、页岩夹灰岩岩组中厚层灰岩岩组页岩岩组页岩、灰岩互层岩组厚层灰岩岩组岩体参数弱风化微风化弱风化微风化强风化弱风化微风化强风化弱风化微风化弱风化微风化粘聚力/MPa0.40.551.21.50.150.30.450.200.40.551.21.5内摩擦角/(°)36.938.750.250.2253036.12536.938.750.250.2容重/kN·m-325.525.52622.025.025.022.025.525.526.026.0弹性模量/GPa4.05.02611111.72.03.01.72.03.01111泊松比0.280.280.240.240.390.350.330.390.350.330.240.24的测量[2，3]，然后进行岩体力学参数的统计分析，并在假设天然边坡处于稳定状态的情形下用反算进行校正，由综合取值确定(见表2)。5边坡岩体变形现状及可能破坏模式5.1边坡岩体变形现状鸡冠山两侧斜坡岩体变形主要表现为卸荷松动变形。松动变形在鸡冠山基座下寒武统软岩和上覆中寒武统厚层块状灰岩中略有差别。鸡冠山基座由下寒武统101∈～171∈以页岩、页岩与灰岩互层地层构成，除131∈是总厚度为10.8～14.5m较为坚硬的中厚层状灰岩外，其余地层总体较弱，其中141∈是总厚度为34.5～42.7m的页岩，经密集裂隙切割、卸荷松动、风化作用，工程性质较差。在鸡冠山基座临河部位，由于131∈相对较坚硬，构成25m高的陡坎，但121∈以下则相对较为软弱，这种上硬下软的结构及其陡坎地形是鸡冠山基座部位产生卸荷松动的根本原因。据右岸试验洞观察，鸡冠山软岩基座岩体的卸荷变形水平深度不小于50m，相当于鸡冠山南坡临河部位至鸡冠山陡崖脚部水平距离的2/3～3/4。试验洞洞顶多处发生坍塌。0～35m段洞顶一侧出现沿洞方向的拉张裂隙，长达10m左右，张开宽度达到1.5～3cm，向上延伸可见深度大于1m。洞深在35m以内，两侧洞壁普遍呈潮湿状，沿裂隙带更甚，在至洞深75m处，即相当于垂直河岸的水平深度约50m处，围岩裂隙壁面仍见黄色软泥膜，表明该处裂隙呈松动张开状态，卸荷带范围应不小于50m。由于鸡冠山两坡软岩基座岩性基本一致，卸荷带深度主要受基座地形影响。而西南坡总体坡角较东北坡大，且存在25m陡坎，可以推断西南坡基座岩体卸荷松动带的宽度要大于东北坡。鸡冠山上部山体高度约为130～180m，西南坡为100～150m高近直立陡崖，东北坡为100m以上高边坡，坡度大于75°，局部直立。山体由2∈中厚层灰岩组成，岩层平缓，倾向NE60°，倾角5°，因此，西南坡略呈反向坡结构，东北坡则略呈顺向坡结构。岩体主要发育两组近直立的构造节理，其中一组走向为NW327°～345°，倾向SW或NE，倾角86°～90°，延伸平直，长度达数十米；另一组走向NE18°～25°，倾向NW，倾角78°～89°。这两组节理将岩体切割成大量分离的柱状体。目前，鸡冠山上部山体东北坡岩体卸荷带水平深度可达50m以上。各山头临坡部位岩体多沿NW•356•岩石力学与工程学报2002年走向的直立裂隙发生拉裂，或形成直立柱状，或形成上宽下窄的楔形状危岩体。危岩体与母体分离，拉裂宽度可达50～100cm，陡崖多处堆积崩塌块石，表明历史上陡崖曾经多次发生崩塌破坏。据调查，近40a来，NE坡坝轴线附近曾经发生过崩塌。山体SW坡为100～150m直立陡崖，其卸荷带水平深度应不小于50m。从陡崖脚部观察，直立岩柱多处与山体分离，裂隙宽度可达10～50cm。综观鸡冠山两侧，并考虑到东北坡有数道横向沟谷深切卸荷，可以推断，山体表部相当部分已处于卸荷状态，鸡冠山顶部狭窄山脊部分的岩体已经处于完全卸荷状态，构成若干危岩体。5.2边坡岩体可能破坏模式鸡冠山上部灰岩山体和下部软岩基座是两个相互联系的部分，在变形破坏方面必将相互影响。上部山体的破坏将直接受下部软岩基座变形的影响，同时上部山体的重荷又直接影响着下部软岩的变形与破坏。另一方面，上下两部分山体的破坏又各有不同的模式，下部软岩基座将以剪切滑移为主，上部岩体则以倾倒破坏和座滑破坏为主。5.2.1上部山体岩体破坏模式与稳定性估计(1)倾倒破坏被陡倾节理切割的近直立岩柱，或因基座软岩岩层略向坡外倾斜，或因软岩坡面压缩变形大于坡内，