喜河水电站坝址区缓倾角结构面综合分析研究

王宇飞

(中国水电顾问集团北京勘测设计研究院,北京 100024)

喜河水电站坝址区缓倾角结构面综合分析研究

王宇飞

(中国水电顾问集团北京勘测设计研究院,北京 100024)

喜河水电站坝型为混凝土重力坝,重力坝对地基岩体的抗剪强度有较高的要求。前期勘查成果表明喜河水电站坝址区存在较多的缓倾角结构面,缓倾角结构面的存在是影响坝基抗滑稳定的关键,因此要对坝基作出抗滑稳定性评价。首先要研究坝址区缓倾角结构面的分布规律及连通情况,通过对坝址区缓倾角结构面的综合分析研究提出合理的坝基岩体的综合抗剪强度。

抗滑稳定;缓倾角结构面;连通率;综合抗剪强度

1 工程地质概况

喜河水电站位于陕西省石泉县的汉江干流上,是汉江上游梯级开发的第三个梯级,电站最大坝高60.8 m,坝型为混凝土重力坝。

坝址区河道较为顺直,总体流向为SW 190°～220°,两岸谷坡不对称,坝轴线方向为NW 290°。

坝址区出露地层岩性以震旦系下统耀岭河群(Zaly)浅变质含砾凝灰岩为主,局部有侵入的辉绿岩脉;地层总体为一单斜构造,岩层产状为:NW 290°～340°NE∠40°～70°。

坝址区附近断层多以NW向为主,缓倾角结构面较发育,存在坝基滑动的不利组合;横河向的F14断层规模较大,并有宽约0.5 m的泥化带,变形模量低,在部分坝段易构成坝基滑移变形的临空面,因此对坝址区缓倾角结构面的连通率进行统计分析计算是评价坝基抗滑稳定的必要条件。

2 缓倾角结构面研究成果综合分析

缓倾角结构面的研究自坝址选定后大致经过:定性评价、连通率研究、综合分析3个阶段。

定性评价:提出两组比较发育的缓倾角结构面的组合为抗滑稳定的可能滑动面,两组裂隙产状为:①组NW 275°～320°NE∠16°～30°、②组NE20°～ 64°SE∠5°～20°。

连通率研究:该阶段提出3组较发育的缓倾角结构面,运用实测剖面和网络模拟对连通率进行了计算,实测剖面计算的是主体建筑物两个受力方向,水平基线上的连通率,网络模拟是对坝基岩体结构面的特征进行模拟,计算的是沿主体建筑物两个受力方向,0°～180°范围的结构面连通率。

综合分析评价:在连通率计算结果的基础上,结合建筑物特点,对缓倾角结构面分级进行研究,对短小缓倾角结构面组合优势产状进行论证,并对综合滑动面的抗剪参数进行分析。

通过对缓倾角结构面成因进行探讨,并根据缓倾角结构面的力学特性及综合抗剪指标对建筑物地基的抗滑稳定进行评价。

2.1 缓倾角结构面的成因类型

(1)区域构造背景:坝址位于南秦岭加里东褶皱带西部,大构造骨架由北西向的紧密褶曲及压性、压扭性断裂构成。坝区位于两个北西向区域断层之间,断层发育与区域构造有很好的一致性,构造裂隙中,主要有3组,与断层反映的应力场基本是一致的。

(2)成因类型:按分布规律和性状特征包括构造成因和风化卸荷成因两部分,图1是河漫滩上,一些本不连续的构造小裂隙经风化卸荷作用后,被拉开连接成一条长大缓倾角结构面。

(3)生成机制:构造成因缓倾角结构面一般规模小(长大较少),分布不均匀,应属于低序次的构造,分布在断层周围的可能是一次或几次断层形成时的派生裂隙,多表现为张性,截止于断层上,延伸较长大的缓倾角结构面,也多为张性,并发育在NW向陡倾角断层之间,其成因也应与两侧的断层活动有关。

图1 喜河水电站坝址附近右岸基岩缓倾角结构面实景图Fig.1 Site picture of low-angle dip joints in the right bank of dam of XIHE Hydropower Station

2.2 缓倾角结构面工程地质特征

(1)规模:为说明及研究方便把长度大于10 m的结构面称Ⅳ-1级,小于10 m的结构面称Ⅳ-2级。

Ⅳ-1级条数较少,Ⅳ-2级较多,一般长度在1～2 m以内,其迹长统计结果见表1。

表1 缓倾角结构面迹长特征表[1]Table 1 The trace length characteristics of low-angle dip joints

(2)产状特征:Ⅳ-1级裂隙走向多为NW,倾向SW或NE。Ⅳ-2级裂隙产状极为分散,大致发育以下3组:

①NW 280°～330°SW(NE)∠5°～30°

②NE50°～80°SE(NW)∠7°～30°

③0°～NE20°SE(NW)∠2°～25°

(3)充填情况:Ⅳ-1级裂隙多充填碎裂岩、糜棱岩、岩屑等物质,埋深较浅的多充填次生泥质岩。Ⅳ-2级裂隙均为硬性结构面,多闭合至微张,基本无充填,少量裂面有钙膜、泥膜附着,局部充填岩屑、石英等。

(4)空间分布特点:Ⅳ-1级缓倾角结构面多分布在规模较大的NW向断层之间。Ⅳ-2级在坝址区普遍存在,但分布不均匀,随机性强,局部呈密集带,密集带主要分布在规模较大的NW向断层附近。

(5)力学强度:根据两组缓倾角结构面中型剪切试验,提出:抗剪断强度f′=0.56～0.6,C′= 0.04～0.05 M Pa,抗剪强度f=0.55～0.58,C= 0.04 M Pa的建议值。

2.3 缓倾角结构面连通率计算方法及成果

(1)实测剖面计算方法及成果

计算采用两种方法:①“精测线法”,选择若干条实测剖面,以水平线为基线,把基线上2 m范围内出露的缓倾角结构面全部投影到基线上,并按公式K=∑Licos Q/L计算连通率。②“入选节理面法”,其他步骤同上,但投影的裂隙是可能的综合抗剪强度最小路径上的所有裂隙,计算成果见表2[2]。

表2 沿受力方向缓倾角裂隙连通率平均值表[1]Table 2 The average value of joint persistence ratio of lowangle dip joints along the mechanical direction

(2)网络模拟计算方法及成果[3]

①网络模拟计算是根据蒙特卡络模拟原理,即结构面三要素(倾向、倾角、迹长)的统计分布特征在计算机上再现岩体结构网络图,进而计算不同方向上结构面的连通率。

②计算成果见图2(a、b)。

图2(a) 垂直河向剖面裂隙网络模拟及不同方向连通率示意图Fig.2(a) The joint network simulation along the p rofile perpendicular to the river flow and the joint persistence ratio of different directions

图2(b) 平行河向剖面裂隙网络模拟及不同方向连通率示意图Fig.2(b) The joint network simulation along the p rofile parallel w ith the river flow and the joint persistence ratio of different directions

3 缓倾角结构面工程地质条件评价

缓倾角结构面在建筑物地基处分布,沿受力方向建筑物地基可能存在一破坏面(滑动面),而该破坏面一般是沿缓倾角结构面优势倾向方向,因此对缓倾角结构面的优势产状和结构面的综合抗剪强度进行分析是对缓倾角结构面的工程地质条件评价的首要任务。

3.1 缓倾角结构面组合优势产状分析

(1)Ⅳ-2级优势产状:各组缓倾角结构面迹长平均值小于1 m,裂隙视倾角平均值可以代表计算剖面方向组合优势产状,顺河向倾向下游优势倾角为13.6°,倾向上游优势倾角为10.5°,组合优势倾角为6.7°;垂直河流向倾向右岸优势倾角为12.3°,倾向左岸优势倾角为16.6°,组合优势倾角为4.6°,与网络模拟成果中高连通率倾角分布基本一致。

(2)Ⅳ-1级优势产状:Ⅳ-1级缓倾角结构面主要为NW 320°～340°倾SW少量NE倾角10°～30°。

3.2 综合抗剪强度分析

坝基未发现缓倾角断层,Ⅳ-1级缓倾角结构面多分布在主体建筑物区段外,所以综合抗剪强度分析主要由Ⅳ-2级缓倾角结构面构成的组合滑动面。

(1)组合面综合抗剪强度分析

由多条(组)裂隙组成的“综合连通面”,存在众多起伏,其抗剪指标与试验值相比应存在较大差别。下面就几种情况进行分析:

①根据Barton经验公式,任何不规则节理面的抗剪强度均可用下式确定:

式中,σn为法向有效应力(取0.245 M Pa);Φb为基本内摩擦角(52.4°);JRC为裂隙面的粗糙系数(根据经验取5);σc为岩体饱和抗压强度(取1/10岩石抗压强度5 M Pa)。

计算结果“综合连通面”的抗剪强度为τ= 1.0σn。

经验值f′=1.0比试验值大许多。

②当正应力较小时,在剪应力作用下滑面的滑动将沿结构面的起伏而爬坡,如图3(a)所示缓倾角结构面为几组综合情况时、或如图3(b)所示缓倾角结构面为一组但呈错列分布。以NE20°(顺河向)方向为例,缓倾角结构面综合面优势倾角为6.7°,可能的滑裂面即沿此方向,其中倾向下游的优势倾角为13.6°,是主要滑裂方向,倾向上游的优势倾角为10.5°,是起伏阻滑面,按公式τ=σntg(Φj+θ)[4],Φj为结构面基本摩擦角为28.8°时,爬坡角为10.5°时,τ=σntg39.3°=0.82σn。此时计算值f′=0.82也比建议值大。

图3 滑面与结构面关系Fig.3 Slide p lane and structure face relation

③当正应力较大时,在剪应力作用下滑面的滑动受σn限制将啃断结构面的起伏角,此时结构面的抗剪强度不再取决于结构面上的摩擦阻力,而是取决于结构面两侧岩石的抗剪断强度,其公式为τ= σntgΦb+cb[4],cb为结构面两侧岩石的内聚力,显然此值更大。

④当缓倾角结构面不完全连通时,对于连通率为k的结构面其抗剪强度可用下面公式表示:τ= [kcj+(1-k)cm]+σn[tgΦj+(1-k)tgΦb][4](cj为裂隙的咬合力),即使不考虑cb、cj的作用,其抗剪强度τ=0.94σn也远大于建议值。

⑤按SC8剖面来算,如图4裂面即优势倾角方向约为8°,从剖面可以看出缓倾角滑裂面是起伏的,存在8°爬坡角,τ=σtg36.8°=0.75σn。

⑥通过上述分析,综合连通面的抗剪参数比单个裂隙面参数大许多,其建议值f′=0.55存在一定的安全余度。

(2)可能破坏面的分析

根据岩体力学理论中结构面产状的力学效应:岩体的强度受结构面产状的影响最大,当结构面与最大主应力方向夹角在15°～45°之间时,最易于沿结构面滑动破坏,岩体强度最低点是在β=45°-Φb/2方向上,β为结构面与最大主应力的夹角,Φb为结构面的摩擦角。

模拟计算成果中,平行河向上与水平面夹角θ呈0°、110°、160°左右连通率最大,在与河垂直的面上与水平夹角θ呈0°、70°、120°、160°左右的连通率最大,因而认为上述方向是最有可能的破坏面。

图4 测线SC8剖面示意图Fig.4 The p rofile along the SC8 survey line

结构面产状力学效应是针对岩体中一组结构面而言,多组结构面的破坏形式是一很复杂的问题,目前还没有统一定论;本工程陡倾角裂隙发育占多数,且倾角多大于60°,但缓倾角结构面是影响坝基抗滑稳定的关键,陡倾角裂隙可以不考虑它的影响;缓倾角结构面抗剪试验参数f′=0.55是两组结构面的试验成果,根据以上建议组合面抗剪参数f′= 0.6,β=45°-Φb/2=29.2°,该角度显然大于缓倾角结构面组合优势倾角,这从另一个方面说明f′= 0.6还可增大;按以上理论和实际的缓倾角结构面与主应力的分布关系,可能的破坏面应为与水平方向夹角在0°～15°的范围内。

实际测线SC8缓倾角拉裂面综合优势倾角与水平方向的夹角即为8°。

3.3 工程地质条件评价

(1)缓倾角结构面的空间分布规律是:从地表至地下分布密度由大到小,坝基部位已开挖段未见长大缓倾角结构面,短小的分布也较少;右导墙下游段分布较多的缓倾角结构面,长大、中等、短小的都有。

(2)对建筑物地基抗滑稳定而言,短小的Ⅳ-2级裂隙不起控制作用,起控制作用的主要是Ⅳ-1级裂隙。

(3)垂直河流向对右导墙而言,倾向右侧的缓倾角结构面连通率,与水平面夹角为0°～10°时最大为55.5%,是最有可能的破坏面;对左导墙而言,倾向左侧的缓倾角结构面没有优势连通面,但在缓倾角结构面优势产状方向连通率最大值不会超过55.5%。

(4)Ⅳ-1级缓倾角结构面的优势产状为:NW 320°～340°倾SW少量NE倾角10°～30°。该产状特征对坝基、右导墙抗滑稳定不利,对左导墙抗滑稳定有利。

(5)通过缓倾角结构面组合面综合抗剪强度分析,地基抗滑稳定计算中结构面的抗剪参数可按f′=0.6,C=0.09 M Pa计算。

(6)坝基部位建议缓倾角结构面连通率按70%计算存在较大安全余度,它代表的是坝址最差的情况,通过对组合滑动面优势倾角进行分析,建议按向下游倾斜13°作为可能滑力面倾角进行计算。

4 结论

(1)坝址发育众多的缓倾角结构面,包括构造裂隙和风化、卸荷裂隙。但延伸长度大于10 m的Ⅳ-1级裂隙大部分出露于坝基下游地段,对主体建筑物的抗滑稳定未构成威胁。延伸长度小于10 m的Ⅳ-2级裂隙均属低级别或低序次构造形迹,在空间上呈不均一分布。

(2)Ⅳ-2级裂隙的产状具有组数多、变化大的特点,研究其对坝基抗滑稳定的影响时,必须找到它们组合的优势产状做为可能的滑动面产状。统计划分的3组裂隙其平均迹长近似、条数接近,以它们产状的平均值作为组合优势产状是可行的。连通率网络模拟的计算成果,其高值基本与之相当,也得到了印证。

(3)由于裂隙空间分布的非均一性,不论用哪种方法计算的裂隙连通率都存在较大的模糊性——不确定性,因此计算结果只供抗滑稳定计算时参考。对坝基来说,连通率计算值是偏大的。

(4)裂隙产状的复杂性,决定组合优势面起伏变化的复杂性。裂隙面室内中型剪试验成果不能代表综合优势面抗剪强度,按不同方法分析,综合优势面的抗剪指标可按f′=0.6,C=0.09 M Pa计算,高于可行性研究报告中f′=0.55,C=0.04 M Pa的建议值。

[1]王宇飞.汉江喜河水电站可行性研究坝址区缓倾角结构面发育规律及连通率统计分析[R].北京勘测设计研究院,2001.

[2]黄润秋.基体结构面调查的全迹长测量与连通率研究[J].工程地质学报,2000,8(增刊):317.

[3]秦四清,李志刚,等.汉江喜河水电站坝区裂隙连通率分析与计算[R].中国科学院地质与地球物理研究所工程地质与浅层物理研究室,2002.

[4]汪小刚,等.岩体结构面调查统计和计算机模拟分析[R].中国水利水电科学研究院,1992.

COM PREHENSIVE ANALYSISOF THE LOW-ANGLED IP STRUCTURAL PLANESAT THEDAM SITEOF XIHE HYDROPOWER STATION

WANG Yu-fei
(Hydrochina Benjing Engineering Corpo ration,Beijing 100024,China)

Concrete gravity dam has been selected for Xihe Hydropower Station,and it has high demand fo r shear strength of rock mass in the foundation.Through exploration,many low-angle dip structural p lanes have been found at the dam site.Because low-angle dip structural p lane is the key facto r to affect the anti-sliding stability of foundation,it is necessary to evaluate the anti-sliding stability of dam foundation.Firstly,study on the distribution regularity and joint persistence ratio of low-angle dip structural p lanes at the dam site would be carried out.Then reasonable shear strength parameters of rock mass in the dam foundation could be suggested through comp rehensive analysis.

anti-sliding stability;low-angle dip structural p lane;joint persistence ratio;comp rehensive shear strength

P642

:A

1006-4362(2010)02-0040-04

王宇飞(1964- ),女,高级工程师,从事水文地质、工程地质工作。

2009-04-24改回日期:2009-11-30