南欧江六级电站厂房后边坡施工期监测成果分析

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  [摘 要]南欧江六级电站厂房后边坡地质条件复杂,施工期间,多次发生险情,并发生一次导流洞出口塌方,通过安全监测,对边坡变形动态及时监测和预报,避免或减少工程损失,保证了工程施工顺利,根据监测成果分析,为了解厂房后边坡的稳定性,进行安全评价及边坡支护方案的调整提供了重要依据和有力支持。
  [关键词]厂房后边坡 施工期 安全监测 成果分析
  中图分类号:TU621 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)13-0283-03
  1.工程概况
  南欧江六级电站位于老挝丰沙里省境内,是南欧江流域由下游自上游开发的第六个梯级电站。工程等别为二等大(2)型工程,电站由复合土工膜堆石坝、溢洪道、放空洞、导流洞及引水发电系统组成。电站以发电为主,总装机容量180MW,死水位490m,正常蓄水位510m,相应库容4.09×108m3,调节库容2.46×108m3,具有季调节性能。
  发电厂房为岸边式地面厂房,位于左岸,厂房后边坡岩性由板岩夹变质粉~细砂岩组成,为斜顺向坡,开挖边坡坡度陡于岩性倾角,存在顺层滑动破坏的可能,边坡稳定条件差,而边坡稳定对厂房施工期和运行期的安全至关重要。
  厂房后边坡紧靠导流洞出口边坡,导流洞出口边坡在施工过程中,于2013年5月发生塌方,引起导流洞出口和厂房后边坡产生了较大的变形开裂现象,在此之后,根据监测情况,导流洞出口和厂房后边坡为不稳定边坡,必须采取工程处理措施,才能确保边坡安全。根据边坡监测数据和计算结果,采取了削坡减载、预应力锚索、锚拉梁等工程处理措施,与此同时,开展了对边坡稳定性的监测工作。
  2. 监测设计
  该项工程监测点布置的基本原则是:综合考虑工程岩体受力情况和地质结构特征,并重点布置在最有可能发生滑移,对工程施工及运行安全影响最大的部位。由于厂房后边坡的监测工作是在发生塌方之后进行的,为了监测在清坡、削坡和加固处理过程中边坡的稳定性,监测仪器的埋设是随着边坡开挖支护工程的进展情况而实施。目前边坡已支护完成,整个厂房后边坡监测工作可划分为三个部分,即EL.511m以上边坡、厂房后边坡和导流洞出口边坡。根据工程地形、地质、加固处理措施及监测情况等条件,边坡监测重点以变形、支护效应为主。
  1)表面变形监测:在边坡开口线、各级马道上布置了表面变形监测点,采用极坐标法监测边坡表面的水平位移和垂直位移,共布置变形观测墩18个。
  2)深部变形监测:深部变形主要采用测斜孔,在525m高程马道布置了3个测斜孔,490m高程马道布置了2个测斜孔。
  3)支护效应监测:根据边坡的支护措施,主要对锚索的加固效果进行监测,共布置了13台锚索测力计。
  通过上述监测设施对厂房后边坡浅部、深部变形以及支护措施实施后的边坡稳定情况进行持续监测,及时了解厂房后边坡变形的时间、空间分布规律,为边坡的稳定性评价及动态调整支护措施提供了参考依据。
  3. 监测成果分析
  3.1 EL.511m以上边坡
  (1) 表面变形监测
  511m高程以上边坡自加固处理以来,边坡变形速率随着加固荷载增加而降低,但位移趋势不变,降雨影响较明显;分析如下:
  该边坡自2013年5月开始出现变形,2013年6~8月雨季中,各测点变形有所加速,水平位移平均速率为3.9mm/d,垂直位移平均速率为3.1mm/d,2013年9月初515m、520m高程两排锚拉梁施工后,变形速率有所减缓,2013年9~11月份水平位移平均速率为1.2mm/d,垂直位移平均速率为0.8mm/d,2013年12月13日~16日连续强降雨后,变形速率又进一步增大,水平位移速率增至1.4mm/d,垂直位移速率增至1.2mm/d,2013年12月底526m高程锚拉梁张拉后,该区域边坡变形速率又有所降低,2014年1~3月份水平位移平均速率为0.6mm/d,垂直位移平均速率为0.1mm/d,进入4月份受厂房基坑开挖的影响,边坡变形速率又有所回升,水平位移平均速率为1.5mm/d,垂直位移平均速率为1.3mm/d。该区域边坡水平变形速率接近垂直变形速率,各测点的水平合位移明显大于或接近垂直位移,水平合位移方向大致相同,说明510m高程以上边坡属整体移动,且没有收敛的趋势,如图1所示。
  (2) 深部变形监测
  利用测斜孔监测边坡内部变形情况,它能及时发现滑动面的出现、确定滑动面的位置和监视滑动面的发展及稳定性等。通过位移深度关系曲线,清晰地反映了测孔岩体内部沿钻孔深度的水平位移,由于边坡处于变形状态,525m高程三个测斜孔均在埋设后几天就出现明显滑动带。
  525高程马道CBP-IN-01(R)测斜孔在2013年7月21日开始观测,由相对位移-深度曲线知,CBP-IN-01(R)测斜孔在地表以下7~34m(491~518m高程)存在位移波动;孔口位移变化情况为:2013年9月初515m、520m高程锚拉梁张拉前,孔口顺坡向位移速率较快,为3.27mm/d,张拉后2013年9~11月份位移平均速率为1.12mm/d,12月份为1.75mm/d,2013年年底526m高程锚拉梁施工后,2014年1~3月份位移平均速率为0.36mm/d,进入4月份随着厂房基坑开挖,边坡内部变形速率又有所回升,位移平均速率为1.64mm/d。由累计位移-深度曲线看,孔口至孔深8m范围内各测点位移接近一致(表现为铅直线段),表明该段岩体沿滑动面整体移动。近期测孔顺坡向位移变化速率有所增大,从相对位移-深度曲线看,主要是孔深31.5~33m处位移增大引起。
  CBP-IN-02(R)测斜孔在2013年7月20日开始观测,在锚拉梁张拉前,孔口向河床位移平均速率为2.96mm/d,2013年9月张拉后位移速率为0.52mm/d;由相对位移-深度曲线知,CBP-IN-02(R)测斜孔在地表以下11~28m(497~514m高程)存在位移波动;孔深14.5m处位移变化较大,比孔口累计位移量大,与该处的地质条件有关,依据孔内摄像和施工情况,当时钻孔至15m时就出现地下水,13~15m孔壁较破碎,有掉块、空洞现象,说明该处存在软弱构造带。由于该孔变形大,测斜仪探头无法正常下放到孔底,至2013年10月份停止观测。2014年4月在原测孔旁重新钻孔安装一套测斜管,于4月18日起测,由相对位移-深度曲线知,新孔主要位移变化区域在18~38m,位移错动最大部位在孔深26.5m处,目前该孔有顺坡向位移的趋势,孔口顺坡向位移为8.49mm。   CBP-IN-03(R)测斜孔在2013年11月19日开始观测,由相对位移-深度曲线知,CBP-IN-03(R)测斜孔在地表以下7.5~34m(491~517.5m高程)存在位移波动,其中孔深7.5~10m和23~30m为主要位移变化区域,孔深24、29m相对位移分别为6.83/10.05/16.87mm、5.56/7.85/12.50mm(比较时间为:2013.12.25/2014.2.26/2014.4.25),可见位移仍有增大趋势;该孔取芯情况为:0~11.7m为粘土,11.7m见岩石,11.7~35m岩芯破碎,取芯率较低,其中在16.8~21m、21~23m和31~33m岩芯中夹有细砂,26~28m岩芯中存在夹泥层,35~44m岩芯相对完整;实测数据和岩芯对比看,测孔位移主要是岩芯中夹的细砂引起。孔口位移变化情况为:2013年11~12月份位移平均速率为1.37mm/d,2013年年底526m高程锚拉梁施工后,2014年1~3月份位移平均速率为0.37mm/d,进入4月份受厂房基坑开挖的影响,边坡内部变形速率又有所回升,位移平均速率为1.09mm/d。由累计位移-深度曲线看,该测孔仍有顺坡向位移的趋势,从相对位移时间过程线看,目前该孔位移增大主要是孔深23~30m处错动较大引起。
  (3) 预应力锚索监测
  515m、520m高程两排锚拉梁共设计了42根预应力锚索,设计荷载为1000kN,于2013年9月1日张拉完毕,其中520高程设置了两根监测锚索,CBP-PR-01(R)测点锁定荷载为946.7kN,锁定后荷载一直处于增长的状态,荷载最大达1217.5kN,2013年10月18日锚索荷载突然减小,目前为287.7kN;CBP-PR-02(R)测点锁定荷载为932.9kN,锁定后荷载先缓慢衰减后处于增长状态,荷载最大达1088.3kN,2013年10月16日锚索荷载大幅降低,目前为32.8kN,已处于自由状态。
  目前520m高程两台监测锚索基本无锚固效果,荷载快速降低,应是边坡变形影响下,锚索内锚固段松动引起,也表明锚固段岩体相当复杂。从目前情况看,520m高程其余锚索有可能也发生了类似情形,该排锚索对边坡的锚固作用可能已降低。
  515m高程监测锚索CBP-PR-03(R)锁定荷载为1024.7kN,目前荷载为869.0kN,预应力损失155.8kN,损失率为15.2%,该锚索锁定后荷载一直处于缓慢衰减的状态。在变形体内的锚索如果锚头锚固在不动或基本不动的岩体上,则因堆积体变形锚索拉长而增加荷载,而该锚索所在部位堆积体产生了变形,锚索荷载在经卸荷后不但不增加,甚至还会减少,造成这种情况可能为:①因钻孔深度不够,锚头没能锚固在不动或基本不动的岩体上,②内锚固段岩体质量差,岩石破碎。
  综上分析,判定515、520m 高程锚索对边坡稳定的加固作用基本不大,于2013年12月底在526m高程新增了13锚索,设置了一根监测锚索,该锚索锁定荷载为1141.9kN,目前荷载为1311.8kN,较锁定时增加了169.8kN,荷载变化曲线见图3;该测点自2014年3月下旬起荷载增速较快,为4.4kN/d,目前荷载量已接近锚索过载量,在边坡变形持续下,可能会发生锚索拉断情况。该锚索在锁定后30天内荷载有所衰减(74.2kN),之后缓慢增加,该锚索荷载衰减原因与地质情况和施工有关,由于边坡堆积体属弹塑性材料,存在空隙,监测锚索张拉时使岩土体压缩,但当应力释放时所产生的变形不能够完全恢复,同时张拉周围锚索时,引起受荷区进一步压缩变形,使得先前已张拉监测锚索预应力产生进一步损失,说明该区域岩土体较松散。
  3.2 厂房后边坡
  (1) 表面变形监测
  470m高程CBP-TP-03测点于2013年5月18日建立,该测点从起测至9月下旬水平位移变化速率较快,为1.9mm/d,2013年9月下旬454~470m高程两排锚索张拉后,该测点位移得到了有效抑制,变化速率接近于零,处于稳定状态,2014年2月中旬引水支管开挖,受施工影响,促使该测点位移变化速率又有所回升,其水平位移变化速率为2.1mm/d,垂直位移变化速率为0.8mm/d。470m高程CBP-TP-10(R)、CBP-TP-03(XZ)和490m高程CBP-TP-07(R)测点的变化规律和CBP-TP-03测点一致,目前其水平位移平均变化速率为1.9mm/d,垂直位移平均变化速率为0.9mm/d。这四个测点位于厂房1#、2#引水支管上方,其主位移方向基本一致,表明该区域位移属整体移动。
  470m高程马道下游侧、厂房安装间上方的CBP-TP-11(R)测点位移变化量不大,水平合位移为31.6mm,垂直位移为7.6mm。
  (2) 深部变形监测
  490m高程CBP-IN-04(R)测斜孔在2013年11月21日开始观测,由相对位移-深度曲线知(图2-10),该测斜孔在孔深3.5处有一错动带,最大错位为20.39mm(2014年2月23日),现该错动带基本处于稳定,目前孔深19.5~22.5m(467.5~470.5m高程)存在的位移波动,是主要位移变化区域,孔深20.5、22m相对位移分别为-2.04/-7.63/-9.59mm、2.12/6.71/12.54mm(比较时间为:2013.12.25/2014.2.26/2014.4.25)。孔口位移变化情况为:2013年11~12月份位移平均速率为0.51mm/d,2014年1~3月份位移平均速率为0.09mm/d,进入4月份随着厂房基坑开挖,边坡内部变形速率又有所回升,位移平均速率为0.35mm/d。由累计位移-深度曲线看,该测孔仍有顺坡向位移的趋势,从相对位移时间过程线看,目前该孔位移增大主要是孔深19.5~22.5m处错动增大引起。
  (3) 预应力锚索监测   厂房后边坡470m~490m高程张拉了34根锚索,设计荷载为1000kN,其中安装了两台锚索测力计,张拉锁定后荷载缓慢衰减,4个月后达平稳并维持小幅波动状态,预应力损失率最大为5.3%。454m~470m高程边坡张拉了54根锚索,设计荷载为1800kN,安装了四台锚索测力计,锁定后荷载处于缓慢衰减的状态,损失率最大为7.4%。该部位锚索测力计荷载没有因边坡松弛变形而出现荷载增加,应是锚索张拉后运行时间短未受力引起。
  3.3 导流洞出口边坡
  (1) 表面变形监测
  490m高程CBP-TP-08(R)测点位移较显著,目前其水平合位移为70.0mm,垂直位移为16.7mm。490m高程CBP-TP-09(R)和470m高程CBP-TP-12(R)测点位移量较小。
  (2) 深部位移监测
  490m高程CBP-IN-05(R)测斜孔于2013年11月24日起测,该孔钻孔取芯情况为:0~2.4m为粘土,2.4~11m岩芯破碎,11~13m岩芯完整,13~17m岩芯较破碎,17~20m岩芯较完整。截止12月16日孔口向河床位移为18.03mm,向下游位移为25.00mm,合位移30.82mm,由图4知,该孔在地表以下11.5m深处出现位移突变,并形成一个0.5m厚的错动带,顺坡向最大错动位移为11.27mm(2013年12月16日),由于错动面(孔深11.5m)的相对位移逐渐增大(图5),致使测斜仪探头在错动面处被卡住,已无法正常到达孔底观测。
  2014年2月23日在原孔附近重新钻孔安装一套测斜管,由相对位移-深度曲线知,该测斜孔在孔深3.0m、11.5m处存在错动带,且有增大的趋势,孔深3.0、11.5m相对位移分别为0.06/2.28/4.55mm、0.14/2.12/3.15mm(比较时间为:2014.2.26/2014.3.26/2014.4.25)。原测孔和新测孔反映的位移情况基本一致,由累计位移-深度曲线看,新孔仍有顺坡向位移的趋势,从相对位移-深度曲线知,目前该孔位移增大主要是孔深3.0和11.5m处错动带位移增大引起。
  3.4 预应力锚索监测
  导流洞出口边坡484m高程于2013年11月2日安装一台监测锚索(CBP-PR-04(R)),锁定荷载为1020.7kN,目前荷载为1230.0kN,由图6知,锁定初期荷载呈衰减状态,10天后荷载呈增长趋势,增速较快(为5.2kN/d),期间进行导流洞出洞口开挖,2013年12月底开挖结束后,锚索荷载增长趋缓,为0.6kN/d,虽增速趋缓,但荷载量值较大,已达到设计荷载的1.23倍,已接近极限荷载,安全储备不多。
  4 .结论
  (1)从监测成果看,EL.511m以上边坡表面变形和深部变形没有呈现收敛的趋势,水平和垂直位移仍处于缓慢增加的趋势,深部变形区域在孔深24~33m(492~501m高程)范围,虽经三排锚拉梁加固,但变形未得到彻底抑制。
  (2)515m、520m高程三台监测锚索的预应力变化情况说明锚固段岩体相当复杂;526m高程监测锚索荷载已超过设计荷载1.31倍,且还有增大的趋势,锚索有拉断的可能,表明当前局部锚固力存在一定程度的不足,需研究新的工程处理措施。
  (3)受厂房基坑和引水支管开挖影响,厂房后边坡位移变化速率较大,且收敛趋势不明显;深部变形部位高程在19.5~22.5m(467.5~470.5m高程)范围,且有增大的趋势;说明厂房后边坡仍处在变形状态。而厂房后边坡锚索荷载整体呈稳定或卸荷的状态,荷载变化未反映出边坡变形规律,其变化趋势如何有待于进一步监测。
  (5)导流洞出口边坡在洞口施工期间,测斜孔和锚索荷载变化较大,洞口衬砌后,变形趋于收敛,但锚索荷载量值较大,已达到设计荷载的1.23倍,接近极限荷载,安全储备不多。
  (5)导流洞出口和厂房后边坡整体稳定性较差,考虑到降雨对边坡变形影响较大,建议采取合适的排水措施,降低地下水位。
  (6)厂房基坑开挖对边坡稳定影响较大,应加快开挖进度,及时支护基坑边坡,尽早浇筑底板混凝土。
  (7)在厂房后边坡重点部位同时进行表面变形、深部变形及锚索监测表明,采用3种监测手段所取得的变形值和变形速率基本一致,说明监测成果是可靠的,监测精度满足安全预报和反馈设计的要求。
  参考文献
  [1] 二滩水电开发有限责任公司.岩土工程安全监测手册[M].北京:中国水利水电出版社,1999.
  作者简介
  袁艺,男,1984年6月出生,湖南益阳人,本科,助理工程师,主要从事大坝及工程安全监测工作。
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